金溝河流域泥沙的形成及渠首站多級排沙成效的研究

（新疆金溝河流域管理局，新疆 沙灣縣 832100）

1 前言

1.1 研究背景

新疆金溝河流域是含沙量較高的多沙河流，由于沙石性地質，再加上這一區域氣候干旱，植被存活多屬季節性，只有弱小植被，沒有較大植被和灌木，一到夏秋暴雨集中季節，水土流失嚴重。對于這種河流，由于泥沙淤積而引起的工程問題十分突出的。防洪抗洪能力逐年下降，對泥沙的研究迫在眉睫。

1.2 研究意義

近年來，水資源利用引起廣泛重視，不合理的開發與利用，致使多年不變的河床發生了逆變。上游洪澇災害頻繁，泥沙淤積嚴重，損失年年增加；下游河道斷流，生態環境失衡。上下游通水不暢，致使大量泥沙停留在水利工程周圍或進入河道，對水利工程和周邊環境造成一定的影響。深入研究這些問題有助人們合理利用水資源，并保障經濟社會的可持續發展。

2 金溝河流域管理局簡介

金溝河流域位于新疆塔城地區沙灣縣境內，金溝河發源于天山北坡的依連哈比爾尕山，主要水源由天山融化的雪水和地下溫泉水組成。水流由南向北，最終流入瑪納斯湖，全程194 km。

金溝河流域管理局供水中心渠首站在沙灣縣元新宮村上游9 km處，建于1960年，是典型的蘇式費爾干式引水樞紐，兼具防洪、引水、排沙等多重功能。樞紐布置采用側面引水，正面排沙，約成L形，經多次改擴建達到現狀。金溝河流域所管轄的上段自然河床有34.65 km，下段自然河床有57.00 km，引水主干渠有37.80 km。主要用于農業灌溉，服務于沙灣縣與八師石河子市下屬幾個團場農業灌溉，灌溉面積 3.53 萬 hm2。

渠首樞紐工程主要由上下游導流堤、非常溢流堰、非常泄洪閘、泄洪沖沙閘、進水閘及輸沙道等組成。其中：泄洪閘5孔，每孔寬5.0 m，設計流量Q泄=220 m3/s；進水閘3孔，每孔寬4.0 m，設計流量Q引=45 m3/s。

3 金溝河流域泥沙的形成原因及淤積現狀

3.1 產沙區域

金溝河流域產沙區主要在金溝河流域管理局渠首至沙灣縣溫泉一段，全長約34 km，河床坡降大，河床兩邊山體均為沙石組成，含土量較少，植被非常少，沒有較大的灌木類。而且多處山溝交匯，雨水匯集進入河床也帶有大量泥沙。而河槽本身的沖刷，包括河底沖刷和河岸沖刷，也是河流泥沙的一個來源。

3.2 泥沙的分類

金溝河流域泥沙主要由推移質和懸移質泥沙組成。推移質粒徑分為塊石（＞200 mm）、卵石（60～200 mm）和礫石（2～ 60 mm）；懸移質分為砂、粉粒和黏粒，粒徑在0.005～2.000 mm不等。金溝河流域管理局泥沙觀測因經費不足多次中斷觀測，因此，金溝河流域泥沙實測資料較為缺泛，根據現有資料分析，金溝河流域推移質年平均輸沙量9.25萬t，推移質泥沙平均粒徑39.8 mm，多年平均輸沙總量74.28萬t。懸移質泥沙年平均含沙量1.85 kg/m3，最大月平均含沙量221 kg/m3，最小月平均含沙量15.6 kg/m3。懸移質年平均輸沙量66.03萬t。

3.3 金溝河泥沙特征分析

3.3.1 大河來水量變化很大

根據現有資料分析，金溝河大河來水量由許多因素造成，河水主要來源于天山融化的雪水，這與全年氣候變化、天山降雪情況、夏季氣溫等相關。根據資料記載，金溝河豐水年最大年徑流為4.2億m3/s，枯水年最少年徑流2.1億m3/s。

3.3.2 泥沙的年度變化大

據八家戶水文站實測資料，金溝河最大年輸沙量216.6萬t（1999年），最小年輸沙量26.4萬t（1965年），多年平均輸沙量為74.28萬t。輸沙量的多少也是由大河來水量決定的。

3.3.3 泥沙年內分配不均，較為集中

根據八家戶水文站和渠首站多年實測資料可以看出，沙量主要集中在6～8月，輸沙量占全年97.0%，而7月的沙量占全年的55.5%，來沙與來水量成正比。冬季輸沙量基本為零。說明，在金溝河流域來水量主要集中在7～8月份，泥沙此時最多。冬季因氣溫下降，天山不再化雪成水，來水量可忽略不計，僅有溫泉常年有5 m3/s左右的水，泥沙啟動的就相對少。

4 河流泥沙災害與防治建議

4.1 明確泥沙運動對河流洪水災害特性的影響

要充分了解河床常年淤積對河床的影響，主要表現在河床臺高，河口變寬，淹沒岸堤破壞生態，使更多的泥沙進入河流形成惡性循環。具體包括：河床淤積過程對過洪能力的影響及萎縮性河道演變機理、輸水輸沙能力的變化規律及防洪對策，人類活動對泥沙淤積規律和行洪能力的影響及防治，高含沙水流形成機理和長距離輸送的研究，以及高含沙水流和一般洪水交替作用下的河床演變規律，河道疏浚防洪減淤效果及對環境的影響。

4.2 掌握河流泥沙災害防治理論與方法

探索泥沙侵蝕規律及防治方法、淤積機理及泥沙災害防治，研制開發泥沙災害防治的決策支持信息系統。具體為：坡面泥沙侵蝕規律及其防治方法，泥沙淤積機理及泥沙災害防治對策，防災興利現場試驗等。對泥沙運動的基本理論進行深入的研究，理論分析并結合實驗解決非平衡輸沙、灘槽泥沙交換、分流分沙計算等問題。以先進的泥沙運動理論為基礎，進行河流泥沙災害分析、研究與防治。

5 排沙方法

5.1 多級排沙運行體系

金溝河渠首站的主要任務是防洪、引水和排沙，在多年的運行中，摸索和積累了許多運行經驗，形成了對費爾干式渠首獨特的運行與排沙體系。

5.1.1 閘前分段式泥沙處理

（1）非常泄洪閘泥沙處理。非常泄洪閘在渠首大閘前200 m處是獨立的水工建筑物，有三孔螺桿式啟閉機，標準泄洪能力為120 m3/s，當非常溢流堰及非常泄洪閘周邊淤積嚴重影響到泄洪和工程安全時，可以打開此閘門，將非常溢流堰及非常泄洪閘上游較遠段泥沙排出，降低河床，確保防洪和工程的安全。（2）渠首大閘排沙。將閘前水位控制在一定高度，降低流速，形成緩流區使推移質泥沙停留在閘前至非常泄洪區域中，還有一部分將會停留在閘前，因閘前有高1.2 m的攔石柵，將推移質泥沙中5 cm以上的大粒徑顆粒全部攔在閘前，等閘前淤積一定高度且影響防洪引水安全時，通過泄洪輸沙道采取集中水量排沙方式，將閘前段的泥沙輸送至下游自然河床內，其目的是確保防洪安全和工程安全，讓較少的推移質泥沙進入沉沙池內。這些排沙方式需要在排完泥沙后有足夠的水量沖泄洪輸沙道，確保前面排出的泥沙全部或大部分不停留在輸沙道，或沖到更遠的下游河床內，為后期排沙泄洪再做準備。（3）利用多余棄水。閘前保持較低水位長時間通過輸沙道排沙，將閘前及更遠上游處的泥沙送到下游河床內。

5.1.2 閘后分段式泥沙處理

（1）在進水閘后有880 m長的S曲線沉沙池，其目的是降低流速，讓推移質泥沙加快沉降，另外也可以將進入沉沙池中大量懸移質泥沙進行沉淀，每年通過定期機械清淤方式清出沉沙池歷年沉積的泥沙。（2）在沉沙池3/4處有1孔底式排沙渦管，其目的是將沉沙池淤積起來的泥沙排出，以減少沉沙池的淤積量。（3）沉沙池后連接引水干渠設有0#沖沙閘，沖沙閘渠底低于干渠底0.8 m，在沉沙池淤積較嚴重時，可以打開0#沖沙閘，關閉或關小進水截止閘，讓沉沙淤積的泥沙從0#沖沙閘泄出，再次做到較少量的泥沙進入干渠和減少沉沙池中的淤積。（4）入渠泥沙處理。在引水干渠上游段300 m內分設有2#、3#、4#渠底式渦管排沙，將進入干渠的較小粒徑的泥沙排出，減少泥沙對渠道的磨損。（5）在4#渦管后500 m有末級漏斗排沙，排沙漏斗的工作原理是將水沙分離，在含沙水流進入漏斗后，因漏斗特性使泥沙進入漏斗中心的輸沙廊道排出，將渦管漏排泥沙進行攔截[1]。

5.2 泥沙綜合利用

泥沙處理一直以來是困繞多泥沙引水渠系的難題，金溝河流域管理處在成功開創多級排沙系統的同時，十分重視對泥沙的綜合利用。初步的經驗做法有：充分利用渦管等排沙設施，引入項目，開辦砂石料場。首先，利用近幾年渠道工程改擴建時，在渠首渦管出口處設簡易砂石料廠，利用渦管排沙水沖洗泥沙，經篩分后供水利工程建設使用[2]，此措施每年可清除渦管后堆積泥沙1.5萬m3以上，生產可用砂石料近萬方，經濟效率可觀；其次，引入砂石料場，通過協議將大渡槽及南五宮水庫等處泥沙處理對外承包，使原本需要花費巨資進行清淤的項目變成料場原料基地，一舉兩得，變廢為寶，實現雙贏，經濟效益可觀。

6 結論

本文對金溝河流域泥沙的形成及危害進行簡要總結，并根據具體案例分析排沙的方法。金溝河流域管理處渠首樞紐工程投入運行數十年，經過幾代的水利工作者不停的探索、驗證，積累了較多有效的經驗，形成了一套適用于金溝河流域特有的防洪、引水、排沙運行方式。目前我們對水資源和泥沙綜合利用的研究仍在初級階段，如何合理利用水資源保護生態和處理水中的泥沙將是長期研究和思考的課題。

參考文獻

[1]周著，侯杰，邱秀云，等.漏斗式全沙排沙技術研究與應用[J].中國三峽建設，2004（5）：55-56.

[2]曹民雄，龍杰.渦管螺懸流排沙技術及應用[J].水利水運科學研究，1997（4）：386-394.