紅山嘴引水樞紐在引水沖砂過程中對推移質的控制

郝 瑞

(新疆水利廳瑪納斯河流域管理處，新疆石河子832000)

1 自然概況

新疆瑪納斯河發源于天山山脈中段的依連哈比爾尕山北坡，位于天山北坡經濟開發區核心地帶，東鄰塔西河，西鄰金溝河，南靠依連哈比爾尕山與和靜縣相隔，北接古爾班通古特沙漠與和布克賽爾縣、福海縣相望，地理位置為E84°47'～85°31'，N43°40'～45°30'。干流全長427 km，呈南北走向，據1986～2009年資料統計其多年平均年徑流量14.1億m3，系山溪性內陸河流，流程短，水量小。瑪河徑流年內分配，主要集中于6～9月，水量占全年徑流量的76.64%(紅山嘴斷面)，其中7月和8月水量占年徑流量的54.01%。水量來源主要為季節性融雪、降雨及泉水，無大的支流匯入，人為影響因素較少。

天山山勢峻拔，前山帶表面主要為砂礫石，加上河道縱坡大，水流集中，沖刷力強，河谷下切深達100～200 m。大量泥砂隨水流帶至下游，懸移質輸砂量年均275萬t，最大輸砂量491萬t，最大含砂量166 kg/m3，推移質年輸砂量約為40萬t，80%集中在7、8兩月，推移質泥砂占年總砂量的12%～15%，粒徑多為5～300 mm，最大粒徑為500～600 mm，多年平均粒徑為31 mm。

2 工程運用概況

紅山嘴樞紐工程是以灌溉為主結合發電的人工彎道式永久性引水建筑物，由進水閘、泄洪閘、溢流側堰、上下河道整治段4部分組成。樞紐由4孔進水閘，7孔泄洪閘，溢流側堰和上游河道整治段組成。進水閘設計流量105 m3/s，加大流量140 m3/s;泄洪閘設計流量410 m3/s，加大流量545 m3/s;溢流側堰位于人工整治段上游岸，長250 m，校核洪水時溢流側堰溢流量410 m3/s。樞紐處設計標準情況下泄流能力為650 m3/s，校核標準情況下泄流能力為1 060 m3/s。進水閘后接1 km長總干渠至曲線沉砂池，紅山嘴子水利樞紐布置見圖1。

瑪納斯河紅山嘴樞紐建于1959年，采用正面引取表面清水，側面底流排砂的蘇聯費爾干式渠首，同時修建曲線沉砂池配合渠首工作，對防止泥砂入渠產生了良好的效果。但其設計理論與新疆具體情況有較大差異，因此，在工程實際運行中，沖淤與引水的矛盾仍然是突出問題。瑪納斯河引水樞紐設計理論中稱:“當引水率不超過0.7～0.75時，推移質泥砂入渠量不大于2%”，它是針對連續沖砂的情況下，但在實際中瑪納斯河渠首的引水比很高，非汛期引水率達到100%，年引水量一般均為大河總水量的70% ～80%，不得不采用間歇集中沖砂的措施，即使在洪水期，也只能短時間的邊引水邊沖砂，大部分基流時間引水率則為100%。因而總干渠推移質進砂量大大超過2%，瑪納斯河總干渠推移質進砂量占大河總量的30% ～58%，詳見表1。

圖1 瑪納斯河紅山嘴引水樞紐布置示意圖

表1 紅山嘴斷面來水、引水與泥砂情況一覽表

3 引水沖砂過程中存在的問題及對策

3.1 沒有設立上游泄洪閘

在上游整治段設溢流堰和泄洪閘，泄洪能力得到提高，但反而增加了淤積。

樞紐于1960年開始運行，僅3 a的時間就完成了上游淤積，下游沖刷的過程，開始了上游淤積變緩，下游淤積加劇的過程。下游的淤積使排砂不利，又促進了上游的淤積，致使工程不能正常運行，效益降低。因此，為提高渠首的泄洪能力，在上游整治段設置了溢流堰，但溢流堰流去表層水，留下底砂，致使淤積加重，過洪能力反而降低，為減輕渠首抗洪壓力，1970年，在溢流側堰末端新建了3孔泄洪閘，設計流量為180 m3/s。通過這一改建，為工程的繼續運行起了一定作用，大大提高了泄洪能力，但泥砂淤積的問題仍未得到有效解決。

3.2 閘前整治段過寬

人為地縮窄上游彎道，充分利用橫向環流引水排砂。

彎道式引水樞紐是利用水流在彎道上運動時，由于離心力的作用產生橫向環流的原理，表層水流向彎道凹岸的進水閘，而底層水攜帶著泥砂由凸岸沖砂閘排走，在平面布置上呈正面引水，側面排砂的形式。為了在閘前彎道段很好地形成橫向環流，選用合理的彎道寬度和半徑是十分重要的。彎道過寬造成主流在彎道內左右擺動，泥砂堆積在閘前，形不成環流。瑪河渠首在彎道段凸岸(據閘約100～200 m)做了多條斜丁壩。壩頂比原竣工河床高1.5 m，彎道寬度由原來40 m縮窄到26～27 m，形成復式斷面，效果較好。在河道大水時漫頂而過，在一般流量時，也能保證水流沿凹岸運動，為閘前產生橫向環流創造了有利條件，但彎道半徑過大的問題仍沒有得到實質性解決。

3.3 下游整治段過寬過短的問題

由于下游灌區需水量要求不斷提高，閘前的引水比提高，沖砂水用水量投入越來越少。汛期沖砂水較多，但由于下游整治段過寬、過短，無法發揮沖砂水的有效作用。

我們采用了束窄和延伸下游整治段的方法，改善了下游河道推移質泥砂淤積情況。

針對此問題，瑪河渠首于1963年延長原導游堤60 m，淤積仍未解決。1966年在1、2孔閘后，建導流堤169 m，設計流量120 m3/s，大大改善了經常運用的1、2孔閘后的淤積情況。為把泥砂輸送更遠，同時改善沉砂池排砂明渠出口的淤積問題，于1970年又將這一導流堤延長至529 m，并將原6、7兩孔沖砂閘封閉，作邊堤210 m，完工后運用情況良好，每次集中沖砂時間＜4 h，較往年的4～6 h效果還好，閘前擋砂坎每次沖砂后可露30 cm，而曲線沉砂池排砂明渠出口處的下游河床在原來幾乎淤平的情況下降低1 m，保證了沉砂池正常運用。2000年以來又分別對閘后導流堤進行了延長，并逐年對下游河道進行了機械清淤，大大改善了閘后河道推移質泥砂的淤積推進情況。

縮窄下游整治段并延長導流堤，對提高排砂效果、延長工程壽命起到很大作用。但導流堤的延長并非無止境，而是在一定長度后，上述作用就消失了。

4 推移質泥砂的控制程序

瑪河渠首推移質泥砂測驗已開展多年，在閘前、閘后、總干渠及排砂明渠上分別設立了推移質泥砂測驗斷面，在行洪期上游閘門的調控下，對不同情況下河道及干渠進砂、出砂量進行對比，不斷地摸索瑪河推移質泥砂運行的規律。長期以來，筆者根據自已的工作體會，結合老一代瑪河人對推移質泥砂測驗和控制的經驗，總結如下控制程序，供大家參考。

瑪河紅山嘴引水樞紐推移質泥砂控制程序:

4.1 擬定干渠分砂計劃

根據引水干渠輸砂或沉砂池的排砂能力，或根據引水干渠、沉砂池實測泥砂沖淤變化資料，進行統計分析，確定引水干渠進水閘允許進砂量，計算干渠安全輸砂率Qb安全，統計分析紅山嘴引水樞紐1962～1966年，5 a洪水期7～8月干渠引水，沉砂池排砂的資料，5 a中7～8月沉砂池排砂明渠平均排砂5萬 ～6萬 m3，按1.6 t/m3，折合8.96萬 t，平均輸砂率為16.72 kg/s。2000和2001年7～8月總干渠平均輸砂量8.38萬t，平均輸砂率15.6 kg/s，根據歷史實際的輸砂率，引水干渠的安全輸砂率可定為≤16 kg/s，即輸砂量864 m3/a，7～8兩月總量為5.36萬m3。

4.2 測定當日彎道瞬時來水流量

確定干渠引水指標(Q干引)及干渠水位。

4.3 計算當日瞬時引水率

當日瞬時引水率計算公式為:

4.4 計算當日瞬時分砂比

當日瞬時分砂比公式為:

4.5 計算彎道當日瞬時安全輸砂率

當日瞬時安全輸砂率計算公式為:

4.6 計算彎道當日瞬時安全水面比降

當日瞬時安全水面比降計算公式為:

4.7 計算附合安全水面比降值的彎道上水尺水位差

4.8 計算水位差

調整控制閘門，觀測干渠引水流量，同時觀測彎道上下比降水尺，至水位差達到計算值。

4.9 復核泥砂控制效果

測定彎道，引水干渠的流量、輸砂率，校核泥砂控制效果。

5 結束語

新疆瑪納斯河系山溪性多砂河流，洪枯流量變化極大，前山植被較少，在洪水期河水會以急流狀態挾帶大量泥砂下泄，對于渠首的工程使用壽命及引配水都會有十分嚴重的影響，只有科學地分析歷史資料，綜合考慮各方面的因素，堅持不懈地對推移質泥砂進行研究分析，掌握其運行規律，結合實際情況進行有效的引水排砂，合理利用，才能變害為利，造福人民。

［1］嚴曉達，劉旭東，李貴啟，等.低水頭引水防砂樞紐［M］.北京:水利電力出版社，1990.

［2］劉允敬.新疆瑪納斯河紅山咀樞紐取水防砂運行實踐［J］.泥砂研究，1983(2).

［3］李山，衛樹藩，嚴孝達等.新疆彎道式渠首引水防砂技術研究［J］. 中國水利，2003(4b).