新型分沙裝置對(duì)頭屯河水庫(kù)入庫(kù)泥沙影響研究

李虹瑾

(新疆維吾爾自治區(qū)水資源中心， 新疆 烏魯木齊 830000)

頭屯河水庫(kù)位于頭屯河干流出山口上游，距烏魯木齊及昌吉市各約40km。水庫(kù)于1965年開(kāi)始修建，1981年主體工程基本建成，1983年10月竣工驗(yàn)收[1]。設(shè)計(jì)正常蓄水位989.6m，水庫(kù)泄水涵洞進(jìn)口高程949.14m，總庫(kù)容2030萬(wàn)m3，是一座以灌溉為主，兼顧城鎮(zhèn)生活、工業(yè)供水和防洪等綜合利用功能的中型水庫(kù)[2]。頭屯河是一條泥沙含量很高的河流，多年平均含沙量為1.10kg/m3，最大含沙量為186kg/m3(1987年6月7日出現(xiàn))，加上水庫(kù)的不合理排沙，致使頭屯河水庫(kù)不斷淤積，平均每年淤積量達(dá)66.64×104m3，到1999年，頭屯河水庫(kù)總淤積量超過(guò)了1400萬(wàn)m3，占原設(shè)計(jì)庫(kù)容的70%以上[3]。由此造成了水庫(kù)嚴(yán)重淤積，不僅導(dǎo)致興利調(diào)蓄能力日益降低，而且危及水庫(kù)本身防洪安全，直接影響到水庫(kù)的使用壽命[4]。期間以泄空水力沖刷為主要手段，以蓄清排渾為排沙調(diào)度原則[5]，將庫(kù)容恢復(fù)至1500萬(wàn)m3[6]。但洪水期由于含沙量高導(dǎo)致工業(yè)用水不能滿足水質(zhì)要求，造成水廠設(shè)備損壞；水庫(kù)泥沙淤積最高時(shí)曾造成涵洞被泥沙堵塞，工農(nóng)業(yè)供水中斷，致使下游新疆重點(diǎn)企業(yè)八一鋼鐵廠一天損失500余萬(wàn)元。

為延長(zhǎng)水利工程的使用壽命，降低下游河道的泥沙危害[7]，解決危害工業(yè)園區(qū)、下游猛進(jìn)水庫(kù)汛期泥沙淤積問(wèn)題，綜合考慮河道排沙率及經(jīng)濟(jì)效益，在河道來(lái)沙量最大的河段—頭屯河水庫(kù)上游龍口后布置“水力篩網(wǎng)多重分沙裝置”[8]。該裝置利用水流落差及水流自身的流動(dòng)性進(jìn)行連續(xù)分沙，將河道(渠道)泥沙分離出來(lái)，減少入庫(kù)泥沙，防止下游河道(渠道)淤積。本文對(duì)“水力篩網(wǎng)多重分沙裝置”對(duì)頭屯河水庫(kù)入庫(kù)泥沙的影響進(jìn)行研究。

1 分沙裝置簡(jiǎn)介

1.1 分沙裝置布置

分沙裝置修建在頭屯河水庫(kù)上游4.56km龍口處，如圖1所示[9]。布置在水庫(kù)攔魚(yú)坎左側(cè)，設(shè)一孔沖沙閘。沖沙閘設(shè)弧形鋼閘門(mén)一扇，閘孔尺寸為5m×5.6m，底坎高程為1007.0m。

圖1 水力篩網(wǎng)多重分沙裝置布置圖

1.2 分沙裝置原理

分沙裝置是利用水流落差及水流自身的流動(dòng)性進(jìn)行連續(xù)水沙分離。挾沙水流進(jìn)入分沙裝置，通過(guò)各級(jí)篩網(wǎng)分選出不同粒徑的建筑用沙(粗沙、細(xì)沙、大石子、小石子)及淤泥，建筑用沙被分離后進(jìn)入不同的沉沙斗并通過(guò)車(chē)輛清運(yùn)，如圖2所示，淤泥進(jìn)入雙循環(huán)沉淀池后通過(guò)裝載機(jī)清運(yùn)。分沙后水流都回歸原河道，耗水率為零。為了保證洪水期的排沙量，在暗渠上部設(shè)置一片立式斜擋板，在進(jìn)水閘閘前引水明渠一側(cè)設(shè)置“退水閘”，控制進(jìn)入“水力篩網(wǎng)分沙裝置”的水量。超過(guò)的水量從“退水閘”通過(guò)退水渠直接進(jìn)入原河道中。

圖2 沉沙斗分沙裝置出運(yùn)沙過(guò)程

引水明渠的水先經(jīng)過(guò)沉沙斗分沙裝置分離建筑用沙，最后再進(jìn)入雙循環(huán)沉淀池沉淀淤泥。分沙裝置沉沙斗從前到后依次為粗沙沉沙斗、細(xì)沙沉沙斗、小石子沉沙斗、大石子沉沙斗。含沙水流先從粗細(xì)沙篩網(wǎng)上經(jīng)過(guò)，大于粗細(xì)沙篩網(wǎng)的含沙水流直接進(jìn)入后面石子沉沙斗裝置中，小于粗細(xì)沙篩網(wǎng)的沙從篩網(wǎng)中進(jìn)入分沙廊道，再進(jìn)入沙粒沉沙斗裝置中。沙粒沉沙斗裝置和石子沉沙斗裝置不同，由2個(gè)沉沙斗組成，沉沙斗之間用斜隔板隔開(kāi)利于分沙。沙粒分沙廊道直接和粗沙沉沙斗相連，從沙粒分沙廊道分離出來(lái)的泥沙(此泥沙挾帶水)先進(jìn)入粗沙沉沙斗，泥沙在沉沙斗中運(yùn)動(dòng)后粗顆粒泥沙沉淀到沉沙斗底部，表層較細(xì)顆粒泥沙通過(guò)斜隔板過(guò)濾分選進(jìn)入細(xì)沙沉沙斗中，在細(xì)沙沉沙斗中較粗顆粒泥沙由于沉沙斗四周鋼板的阻力再次沉淀，經(jīng)過(guò)過(guò)濾后的清水從細(xì)沙沉沙斗一側(cè)出口進(jìn)入排水廊道，最終被排入原河道。

大于粗細(xì)沙篩網(wǎng)的挾沙水流順著分沙渠繼續(xù)下行經(jīng)過(guò)石子沉沙斗裝置，小于小石子篩網(wǎng)的泥沙從小石子篩網(wǎng)中穿過(guò)，小于小石子篩網(wǎng)的泥沙由于壓力差及自重而被吸入小石子沉沙斗裝置篩網(wǎng)下的分沙廊道，進(jìn)入小石子沉沙斗中的泥沙基本不含水，從小石子分沙廊道過(guò)濾出來(lái)的水直接進(jìn)入排水廊道，最終被排入原河道中。大于小石子沉沙斗裝置篩網(wǎng)粒徑的挾沙水流順著分沙渠繼續(xù)下行，經(jīng)過(guò)大石子沉沙斗裝置中，排沙原理和小石子沉沙斗相同。通過(guò)大石子分沙廊道過(guò)濾的水直接進(jìn)入雙循環(huán)沉淀池，雙循環(huán)沉淀池在傳統(tǒng)沉淀池基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，淤泥沉淀在池中，水通過(guò)排水廊道排入原河道，達(dá)到90%以上的排沙率。分沙裝置基本不消耗水，水流均回流入原河道，達(dá)到零耗水。水力篩網(wǎng)多重分沙裝置可有效地將水流中的泥沙分離出來(lái)，排沙效率高，具有選沙、排沙雙重功效，不但提高了水利設(shè)施的運(yùn)行年限，還將泥沙多次分選應(yīng)用于生產(chǎn)中。

2 泥沙分析

2.1 懸移質(zhì)含沙量

頭屯河地處天山北坡中段，徑流補(bǔ)給以冰雪融水和降水混合補(bǔ)給為主。制材廠站以上河道縱坡坡降大，水質(zhì)清洌，水流湍急。上游東南溝匯合口以上河道縱坡降為77.9%，制材廠以上河道縱坡降為53.7%，平均高程為2774m。其上有高山草甸和雪嶺云杉廣布，還有部分樺樹(shù)、山楊、白榆樹(shù)等植物覆蓋，水土保持良好，河流泥沙含量小。而制材廠水文站以下存在著幾條較大的支流，除東岸的東南溝、謝家溝、小渠子、黑家溝、淺水河和西岸的頭屯河、廟爾溝等幾條常年流水的支流外，東西兩岸還有十多條無(wú)名小支流匯入。這些支流特點(diǎn)是源短、坡陡、流急、植被差，一遇暴雨泥水俱下，極容易形成泥石流，是頭屯河泥沙的主要產(chǎn)區(qū)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，制材廠站多年平均含沙量為1.40kg/m3，哈地坡站多年平均含沙量為3.32kg/m3[10]。制材廠站以下至哈地坡站區(qū)間，為山地干草原和半荒漠帶，植被稀疏，其間各支流及沿程十多條干溝不時(shí)挾帶泥沙涌入干流[11]，使泥沙沿程增加，河流含沙量增大。哈地坡站多年平均含沙量比制材廠站大1.4倍就充分說(shuō)明了這一點(diǎn)。為分析分沙裝置安裝前后對(duì)工業(yè)引水渠首下游至進(jìn)庫(kù)段的水沙變化情況，對(duì)1995—2007年哈地坡站月平均輸沙率進(jìn)行分析。

2.2 輸沙量

頭屯河泥沙年內(nèi)分配不均勻，夏季氣候干燥，加上地表巖石物理風(fēng)化強(qiáng)烈，大量冰雪融水和局部暴雨洪水?dāng)y帶大量泥沙，使得夏季輸沙量高度集中[12]。連續(xù)最大4個(gè)月懸移質(zhì)輸沙量出現(xiàn)在4—7月、5—8月或6—9月，其輸沙量占年輸沙量的97.7%以上。最大月平均含沙量、輸沙量出現(xiàn)在7月份；最小月平均含沙量、輸沙量出現(xiàn)在1月份或12月份。最大月平均含沙量和輸沙量為最小月平均含沙量和輸沙量的幾十倍，見(jiàn)表1。

表1 懸移質(zhì)泥沙含沙量和輸沙量統(tǒng)計(jì)表

頭屯河制材廠站的輸沙量年內(nèi)分配極不均勻，汛期輸沙量占年輸沙量的90%以上，這與汛期徑流量集中以及補(bǔ)給形式都有很密切的關(guān)系[13]。制材廠站多年平均輸沙量為33.4×104t，歷年最大年輸沙量是1996年，為183×104t；最小年輸沙量是1985年，為5.36×104t。哈地坡站多年平均輸沙量為87.8×104t，是制材廠站2.6倍。從以上數(shù)據(jù)中可以得出：頭屯河流域的泥沙主要來(lái)源于制材廠站以下至哈地坡站區(qū)間流域。制材廠站輸沙率月、年變化情況見(jiàn)表2。

表2 頭屯河制材廠站輸沙量年際變化統(tǒng)計(jì)表 單位：×104t

由于制材廠站泥沙資料系列較短，只能利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從分析結(jié)果看，制材廠站的輸沙量不論是年內(nèi)變化，還是年際變化都很大。在年內(nèi)，多年最大月輸沙量與最小月輸沙量比值高達(dá)4747倍；在年際間，最大年與最小年輸沙量比值也達(dá)到34倍，見(jiàn)表2。輸沙量的這種變化，對(duì)下游水利工程、工農(nóng)業(yè)用水及人畜飲水都將帶來(lái)很多問(wèn)題，而且這些泥沙沉積在河道中，阻礙安全泄洪，并危及下游城鄉(xiāng)安全，必須給予高度的重視。

為分析“水力篩網(wǎng)多重分沙裝置”安裝前后水庫(kù)淤積的減少量，并與出庫(kù)沙量進(jìn)行比較，本研究對(duì)1995—2007年頭屯河水庫(kù)出庫(kù)斷面輸沙量進(jìn)行了分析，其月平均輸沙量見(jiàn)表3(僅列最大年輸沙量出現(xiàn)月份5—8月)。

表3 頭屯河水庫(kù)出庫(kù)斷面月平均輸沙量 單位：×104t

3 結(jié)果與討論

3.1 含沙量對(duì)比

哈地坡站位于頭屯河水庫(kù)上游約4.0km處，而“水力篩網(wǎng)多重分沙裝置”位于頭屯河水庫(kù)上游約4.56km處，二者距離僅數(shù)百米，因此本研究將哈地坡站所測(cè)輸沙率、含沙量等水文數(shù)據(jù)近似當(dāng)作龍口處水文數(shù)據(jù)資料。

為分析“水力篩網(wǎng)多重分沙裝置”運(yùn)行前后工業(yè)引水渠首至進(jìn)庫(kù)段含沙量的變化，本研究主要將哈地坡站1995—2007年所測(cè)月平均輸沙率做兩階段分析處理，1995—1998年近似龍口處未安裝該裝置時(shí)的情況，1999—2007年為已安裝該裝置后的情況。

根據(jù)哈地坡站1995—2007年輸沙率，計(jì)算出逐年輸沙量，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 哈地坡站1995—2007年輸沙量統(tǒng)計(jì)圖

經(jīng)計(jì)算可知，1995—2007年進(jìn)庫(kù)站的平均輸沙量為135.7×104t，且1998年后(安裝了“水力篩網(wǎng)多重分沙裝置”)絕大部分進(jìn)庫(kù)泥沙量大幅度減少。1995—1998年年入庫(kù)泥沙量平均為171.3×104t，而1999—2007年入庫(kù)泥沙量平均值為113.5×104t。比較安裝分沙裝置前后泥沙量，可得出該分沙裝置年平均減少入庫(kù)泥沙量為57.8×104t。考慮到庫(kù)區(qū)為侵蝕性山區(qū)河段，取推移質(zhì)輸沙量占懸移質(zhì)輸沙量的12%[14]，則年平均推移質(zhì)輸沙量減少6.9×104t，因此年平均減少輸沙總量為64.7×104t。而5—8月份徑流量占年徑流量的83.6%，輸沙量占年輸沙量的96.8%。故5—8月推移質(zhì)輸沙量減少6.68×104t，減少輸沙總量為62.6×104t。

根據(jù)當(dāng)?shù)卦摲稚逞b置多年實(shí)際運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，自該裝置1999年投入使用以來(lái)，多年平均分離沙礫石量約5萬(wàn)m3，其中粗細(xì)沙2萬(wàn)m3，礫石3萬(wàn)m3，多年平均清淤量6萬(wàn)～8萬(wàn)m3。分離出細(xì)沙、礫石、淤泥質(zhì)量計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表4 分離出細(xì)沙、礫石、淤泥質(zhì)量計(jì)算成果見(jiàn)表

排沙清淤運(yùn)行期為除冬季以外全年運(yùn)行，而沙石料主要生產(chǎn)期為5—8月。故水力篩網(wǎng)多重分沙裝置過(guò)濾掉的礫石與占入庫(kù)推移質(zhì)減少量的72%～81%。而分離過(guò)濾的總沙石量約占減少的輸沙量的29%～41%。由此說(shuō)明水力篩網(wǎng)多重分沙裝置可將水庫(kù)上游來(lái)水中的泥沙分選出來(lái)，有效減少泥沙入庫(kù)量，減少水庫(kù)泥沙淤積，提高水庫(kù)有效庫(kù)容，具有減少水庫(kù)排沙壓力，延長(zhǎng)水庫(kù)運(yùn)行壽命等諸多優(yōu)點(diǎn)。

3.2 水庫(kù)年淤積量對(duì)比

頭屯河水庫(kù)庫(kù)內(nèi)淤積嚴(yán)重，庫(kù)容減小的速度非常快。頭屯河水庫(kù)自1971年開(kāi)始蓄水運(yùn)行，至1979年，水庫(kù)淤積量達(dá)362.7×104m3；1980—1989年10年期間，水庫(kù)又淤積了486.7×104m3；到1999年，水庫(kù)累計(jì)淤積量達(dá)1866×104m3，庫(kù)容只剩626.55×104m3；1971—1999年，平均每年淤積量66.643×104m3(見(jiàn)表5)，如果泥沙淤積繼續(xù)按此速度發(fā)展，剩余庫(kù)容將在不到10年的時(shí)間內(nèi)消失。

表5 頭屯河水庫(kù)泥沙淤積量統(tǒng)計(jì)表 單位：×104m3

泥沙含量大造成洪水期供應(yīng)的工業(yè)用水不滿足水質(zhì)要求，造成水廠設(shè)備損壞，使水廠運(yùn)行癱瘓甚至全面停產(chǎn)。水庫(kù)平均淤積高程達(dá)984m，涵洞進(jìn)口處淤積高度達(dá)30m左右，迫使水庫(kù)逐年抬高汛期運(yùn)用水位，攔蓄效益和防洪標(biāo)準(zhǔn)大大降低，并幾次造成涵洞被泥沙堵塞，工農(nóng)業(yè)供水中斷。

結(jié)合已搜集到的1995—2007年出庫(kù)段月均輸沙率資料，計(jì)算出庫(kù)段年輸沙量，并與進(jìn)庫(kù)段(哈地坡站)輸沙量資料進(jìn)行對(duì)比，其對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

從圖4中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可看出，1999年之前，進(jìn)庫(kù)段泥沙量均大于出庫(kù)段泥沙量，而1999年之后，出庫(kù)段泥沙量均大于進(jìn)庫(kù)段泥沙量，其中以1999年出庫(kù)泥沙量最大。

圖4 進(jìn)庫(kù)泥沙量與出庫(kù)泥沙量對(duì)比圖

盡管利用水位運(yùn)行沖沙、高渠沖沙、機(jī)械結(jié)合水力沖沙等清淤方法進(jìn)行清淤，在一定程度上延長(zhǎng)水庫(kù)運(yùn)行壽命，提高水庫(kù)的防洪標(biāo)準(zhǔn)[15-16]。但是頻繁清淤的費(fèi)用相當(dāng)昂貴，且在水庫(kù)清淤向下游排沙期間對(duì)下游河道尤其是燈籠渠渠首產(chǎn)生了較嚴(yán)重的影響，下游河道含沙量鄒然增大，在一定程度上破壞了河流的生態(tài)環(huán)境。并且清淤過(guò)程中也增加了沿程水利設(shè)施(頭屯河水庫(kù)、頭屯河渠首、燈籠渠渠首)等的磨損，在一定程度上是降低了該類(lèi)水利設(shè)施的使用壽命。

根據(jù)上文所述，1999年前水庫(kù)以平均每年淤積量66.643×104m3的速度淤積。若將淤積物按淤泥處理，取其密度為1.8～2.1m3/kg，經(jīng)計(jì)算，每年淤積量為(119.95～139.95)×104t，而通過(guò)上文分析可知，分沙裝置在龍口處每年可減少入庫(kù)泥沙量為(18.4～25.6)×104t。該分沙裝置安裝后不僅有效減少入庫(kù)泥沙量，而且可減少水庫(kù)進(jìn)行沖沙、排沙的頻率，即帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，又能在一定程度上延長(zhǎng)頭屯河水庫(kù)等水利設(shè)施的使用壽命，并且不因排沙而對(duì)水庫(kù)下游產(chǎn)生生態(tài)損失，可謂是一舉多得。

4 結(jié)論

水力篩網(wǎng)多重分沙技術(shù)將河道中的泥沙分離出來(lái)，防止下游河道(渠道)淤積，又不侵占擾亂原河道(渠道)。分沙裝置可分選水庫(kù)上游河道中的泥沙，有效減少泥沙入庫(kù)量，減少水庫(kù)泥沙淤積，提高水庫(kù)有效庫(kù)容，減少水庫(kù)排沙壓力，延長(zhǎng)水庫(kù)壽命。對(duì)比分析分沙裝置在頭屯河水庫(kù)上游應(yīng)用前后入庫(kù)泥沙量，該分沙裝置年均減少淤積量(18.4～25.6)×104t，減少了水庫(kù)排沙、沖沙的頻率，有效地減少了水利設(shè)施的機(jī)械磨損，延遲了其使用壽命。在部分泥沙淤積較嚴(yán)重的區(qū)域，該技術(shù)還可清除淤泥。特別是對(duì)具有供水任務(wù)的水庫(kù)，可起到水環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)作用。