金溝河流域渠首泥砂分析處理

【摘要】本文主要介紹了金溝河流域概況，并對其泥砂處理問題分析研究，結合目前金溝河渠首樞紐運行現狀，提出更加合理的運行方案，為此類工程運行管理提供寶貴的借鑒經驗。

【關鍵詞】金溝河；流域；泥砂；處理

一、 金溝河渠首樞紐泥砂分析

金溝河流域地處天山北坡，河流流向是由南向北，地形落差較大。最高海拔5000米左右，最低300米左右，河流長度120km，平均坡降2.6%。受該流域上游地質構造特性，金溝河渠首樞紐坐落在天山北坡前山帶，低山丘陵區和沖淤變化較大區域。從地質地貌條件看，金溝河渠首上游20km以上段草木相對茂盛，地質結構相對穩固，水土保持條件較好，基本不產砂。渠首樞紐上游20km內河段，屬于覆蓋層松散破碎、植被稀少且多為草本植物，是流域的主要產砂區，一旦進入汛期，河水暴漲將兩岸松散的泥土戈壁物帶入河道，尤其遇到暴雨型洪水時，河道內泥砂量驟增，產生大量的推移質泥砂在河道內運動。由于金溝河引水渠首上游沒有控制性水利工程，大量的泥沙給引水樞紐、輸水渠道帶來了極大地危害，下游灌區用水緊張階段引水排砂矛盾突出。金溝河渠首作為金溝河流域內非常重要的防洪、引水、排砂綜合性控制樞紐，渠首樞紐的運行管理對于整個金溝河流域灌區尤為重要。

1、金溝河泥砂觀測

金溝河屬多泥砂河流，泥砂主要來源于降水匯流對流域面的侵蝕及水流對河道的沖刷兩部分。金溝河流域泥砂實測資料較為缺泛，渠首泥砂觀測一度中斷，根據歷史實測泥砂資料分析，金溝河懸移質年平均含砂量1.85kg/m3，最大月平均含砂量221kg/m3，最小月平均含砂量15.6kg/m3。懸移質年平均輸砂量66.03萬噸。推移質年平均輸砂量9.25萬噸，推移質平均粒徑39.8mm。多年平均輸砂總量74.28萬噸。

金溝河泥砂顆粒分配不均勻，顆粒較細，大顆粒含量較少，粒徑分配見表1.1。以金溝河紅山頭水文站多年平均泥砂資料統計中實測年內比例為各月分配系數，可以得到金溝河紅山頭站泥砂多年平均月輸砂量見表1.3。

2、金溝河泥砂特征分析

金溝河泥砂的年際變化很大，年內分配集中在汛期。由實測資料各月份輸砂率中6～8月輸砂量占97.0%，而7月就占全年的55.5%，來砂與來水成正比。冬季輸砂量基本為零。

二、金溝河渠首樞紐運行現狀

金溝河渠首樞紐目前由溢流堰、非常泄洪閘、泄洪沖砂閘與引水閘樞紐一座，上下游導流堤，沉砂池、0號沖砂閘，1、3、4、號排砂渦管，在其下游有排砂漏斗一座。渠首樞紐排砂設施布設大致可以劃分為三級；一級排砂設施主要處理樞紐上游的泥沙，有非常泄洪閘、1孔泄洪沖砂閘。正常運行情況下，一級排砂設施可以處理渠首60%左右的泥砂；在引水總干渠上的沉砂池設有1號渦管、0號閘，為渠首樞紐的二級排砂設施，正常運行情況下，可以處理渠首樞紐20%左右的泥沙；在渠首下游引水干渠上設有3、4、號渦管和漏斗為渠首引水樞紐的3級排砂設施，正常運行情況下，可以處理剩余進入干渠的推移質泥沙；渠首建設初期，灌區土地面積較小，灌區需水少，引水量小，排沙水相對較多，加之渠首上下游縱坡大，渠首運行較好。渠首樞紐經過多年的運行使用，灌區土地面積逐漸增加，引水比不斷加大，渠首下游泥沙逐漸淤積，河床不斷抬高，上下游河道縱坡逐漸減小，排砂效果不斷遞減。加之金溝河流域泥沙含量大，在工程運行時很難解決好引水和排沙的矛盾，因此，在一般年份運行時，只能采取“全引全排”的定期間歇性引水排沙模式。由于灌溉用水緊張，定時排沙時間上得不到保障，效果較差。渠首樞紐排砂和泄水功能不能得到很好地發揮，直接造成閘前后泥沙淤積量進一步增加，據統計，近五年上下游河道平均太高3-4米。對渠首工程安全運行構成了嚴重威脅。

渠首樞紐一級排砂設施的泥沙處理不能發揮應有的作用，必然造成大量的泥砂進入沉砂池和引水干渠，為了避免下游干渠過度磨損，渠首樞紐的泥沙處理壓力就放在二、三級排砂設施上，原本1號渦管排砂效果最為理想，但是因為泥砂量過大和渦管下游的淤積問題，目前已無法正常使用。當前渠首主要依靠0號閘、3、4號渦管、漏斗的泥砂處理來維持渠首樞紐的日常運行，由于泥砂量過大，已超過渦管、漏斗自身的處理能力，近幾年渦管頻繁發生淤死情況，特別是今年多次發生渦管由入口處直接淤死的嚴峻現狀，往年都是由于渦管出口處開始淤積從而造成渦管淤死。目前在3、4號渦管到漏斗附近都堆積了大量的泥砂，渠首可以利用0號閘冬季棄水沖砂減淤，如果在來年汛期到來之前這些泥砂不能得到處理，那隨時可能造成渠首樞紐下游渦管、漏斗的排砂設施無法正常使用，那么將對金溝河下游引水工程構成嚴重損害。繼而影響到正常的引配水工作，形成惡性循環，后果不堪設想。

三、金溝河渠首樞紐泥砂處理思考

3.1金溝河流域泥砂危害主要是由推移質泥砂造成，金溝河渠首樞紐位于金溝河流域的產砂帶下游20km的位置，這里分布著砂礫石地層，由于山坡和河道的坡降比較大，降雨和融雪型洪水將松散的砂礫石沉積物帶入河道。所以，在河道內有著大量的推移質泥砂來源，金溝河流域進入汛期河道的推移質泥砂接近飽和的輸砂狀態。

3.2目前金溝河渠首樞紐采取的多級排砂思路，三級、四級排砂設施渦管、漏斗承擔的泥砂處理任務過重，應該將渠首泥砂處理的重點放在一、二級排砂設施上。結合工程現有條件，解決渠首泥砂問題；可行運行方案一，將渠首泥砂分級處理：

（1）首先要發揮渠首樞紐一級排砂設施的作用最大化，不能把泥砂處理的壓力放在2、3級排砂設施上，根據查閱相關資料，費爾干式渠首設計引水比例一般不超過50%，我們目前現狀雖然不能達到這一要求，但是在泥砂處理思路上，也要將發揮一級排砂設施的作用作為首選方案。

（2）充分利用渠首樞紐上游非常泄洪閘的排砂能力。可以有效的降低上游河床，減輕自潰壩在汛期遇小型突發性洪水就潰壩的風險。目前非常泄洪閘下游河道輸砂也具備有利條件。 不利影響；非常泄洪閘排砂需要水量較大，時間較長，對引水工作影響較大。

（3）發揮渠首上游泄洪沖沙閘（輸砂道）的最大排砂能力。按照渠首工程布設特點，輸砂道排砂對渠首運行控制最為有利。目前需要加大輸砂道尾部清淤量，疏通下游排砂通道。

3.3經過分析對比可行的運行方案一

（1）適當加大渠首一級排沙設施輸砂道的排沙時間。

（2）適時啟用二級排砂設施1號渦管，可以有效降低沉砂池的淤積高程。1號渦管的使用與輸砂道密切相關，因為1號渦管排出的泥砂直接進入輸砂道中游，必須保持輸砂道尾部河道排砂通道暢通。

（3）只有一二級排砂設施的作用發揮了，才能減輕下游3級排砂設施3、4號渦管和漏斗的泥砂壓力，加之0號閘的輔助沖淤，可確保3級排砂設施在機械輔助下能循環利用，保持渠首汛期正常運轉。

如果采取以上運行辦法，勢必會減少渠首的引水量，造成渠首引進水量的不穩。建議：加強洪水站回收水口管理，對回收水入口進行改建，加大渠首排沙后回收水的能力，彌補渠首排砂水量造成的引水損失。

3.4運行方案二

如果渠首一二級排砂設施的作用無法發揮，僅僅依靠3級排砂設施3、4號渦管和漏斗來處理大量的泥砂，勢必要完全依靠工程機械大量清淤和0號閘頻繁沖砂。這樣會冒很大的風險；

（1）渠首樞紐上游的泥砂過度淤積會對防洪安全構成一定威脅；

（2）大量的泥砂通過渦管漏斗來處理，渦管漏斗將不堪重負，運行現狀會持續惡化，僅僅依靠機械輔助清淤作業量太大，無法保證維持正常運轉。

（3）0號閘下游至漏斗段河道淤積高程在不斷抬高，上下游自然縱坡逐漸減小，0號閘沖砂效果在逐年在遞減。發展下去只能依靠大量的機械清淤了。

結論：

對比以上方案，對多泥砂河流整體防砂排沙處理運行有諸多局限性。隨著下游灌區需水量增加要求，引水比例不斷提高，可用來排砂的用水量越來越少，對于進入引水干渠的泥沙，單一使用3、4級排砂設施渦管和漏斗，無法滿足正常使用要求，還可能造成淤堵情況；如果停用渦管、漏斗排砂設施，部分推移質泥砂就會進入下游渠道，造成工程磨損和下游斗、農、毛渠嚴重淤積。因此只能采取渠首大閘一級排沙設施處理大部分泥砂，結合2、3、4級排砂渦管、漏斗處理少部分進入干渠的泥沙，形成多級排砂設施聯合運用、合理調配、分級處理的方案才能達到最佳理想的運行效果。多年實踐證明，充分發揮渠首泄洪沖沙閘的一級排砂主導作用，配合下游排砂渦管2、3級輔助設施處理部分泥砂，最后由4級排砂漏斗處理完全部入渠泥砂。工程運行效益得到最大發揮。

四、工程管理運行效果與應用推廣前景

通過合理配合使用多級排砂系統，可以取得顯著的效果，極大的降低金溝河灌區泥沙問題帶來的負面影響，收到較大的經濟效益、生態效益和社會效益。新疆北部山溪性河流大多為多泥砂河流，河流所處地已成為新疆經濟發展最快的區域，隨著經濟的快速發展，水資源短缺的矛盾將更加突出。這些河流的引水樞紐工程大部分都建在出山口處，地質構造、產沙區、水資源時空分布上基本相同，基于金溝河多級排砂系統應用效果經驗，只要河流具備一定地形條件，都可采用多級排砂系統有效排沙，發揮工程最大的效益。

參考文獻：

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