淺析金溝河流域管理局渠首站多級排砂成效

【摘要】進入 20世紀 9O年代以來，我國洪水災害造成的損失令人觸目驚心 ，洪澇災害造成的損失逐年增加。這些災害的發生，除了防洪意識、防洪管理和防洪工程建設方面尚存欠缺外，造成江河災害的直接原因 主要是流域水土流失使得大量泥沙進入河道 ：泥沙災害使得洪水推進 速度明顯減慢、河湖蓄滯洪水的能力減弱。為此對泥沙的研究刻不容緩，本文將就泥沙的危害進行簡要敘述，同時根據具體案例分析排沙的方法.

【關鍵詞】泥沙處理；引水排砂研究；泥砂的危害與利用

1、前言

1.1 研究背景

進入 20世紀 9O年代以來，我國洪水災害造成的損失令人觸目驚心 ，洪澇災害造成的損失逐年增加。這些災害的發生，除了防洪意識、防洪管理和防洪工程建設方面尚存欠缺外，造成江河災害的直接原因 主要是流域水土流失使得大量泥沙進入河道 ：泥沙災害使得洪水推進 速度明顯減慢、河湖蓄滯洪水的能力減弱。為此對泥沙的研究刻不容緩，本文將以金溝河流域管理處渠首站進行研究，其位于新疆維吾爾自治區砂灣縣安集海元新宮上游9公里處，始建于1960年，是典型的費爾干式引水樞紐，兼具防洪、引水、排砂等多重功能。因河道泥砂淤積等問題工程歷經多次改擴建。

1.2 國內外研究現狀

長期以來，我國河流湖泊泥沙淤積也是不容樂觀的。因社會的發展，人類對河流的依賴是有增無減，這樣就對河流形成了干擾，生態環境也受到了不同程度的破壞，特別是河流上大興水利工程，破壞了河流自然流態，在加上人們對河流內洪水的防治，生態發生了很大變化，泥沙淤積也發越來越嚴重，現國家、科研人員也開始關注和反思大興水利時，是否可以讓生態也健康發展。

1.3 研究意義

近年來我國洪水災害造成的損失令人觸目驚心 ，洪澇災害造成的損失逐年增加。這些災害的發生，除了防洪意識、防洪管理和防洪工程建設方面尚存欠缺外，造成江河災害的直接原因 主要是流域水土流失使得大量泥沙進入河道 ：泥沙災害使得洪水推進速度明顯減慢、河湖蓄滯洪水的能力減弱。因此造成人們財產的損失。為此對此研究將有助于社會的穩定，人們的安全保障人們安居樂業，保障經濟的快速可持續發展。

2、河流泥沙的簡述

2.1河流泥沙概念與含沙量的分布

河流泥沙是指河水挾帶的巖土顆粒。泥沙輸運是河流中重要的水文現象。它對于河流的變遷 有重大的影響。泥沙按輸移特性分為推移質和懸移質。在懸移質泥沙中，部分細顆粒泥沙隨水流一瀉千里，不在河槽中沉降，不參與河床泥沙的交換，稱沖瀉質或非造床質，其余較粗顆粒則參與河床泥沙的交換季沖淤變化，稱為床沙質或造床質。推移質一般僅占懸移質泥沙的 5%～10%，在山區河流，有時可占10%～20%或更多。單位體積渾水中所含泥沙的數量稱含沙量。河流含沙量隨時問而變化。一年中最大含沙量出現在汛期，最小含沙量在枯水期。在一次洪水過程中，最大含沙量稱沙峰。沙峰不一定與洪峰同時出現，一年中首場大洪水的沙峰常比洪峰出現早，以后則可能同時出現，也可能沙峰滯后于洪峰。含沙量沿水深的分布，通常在水面處最小，河底處最大。懸移質中粗粒泥沙含量近河底很大。自河底向上則急劇減小。較細的顆粒，如粉沙和粘土，沿水深的分布則較均勻。

2.2 河流泥沙的運動

2.2.1 泥沙的起動

泥沙在一定水流條件下由靜止轉入運動。促使水平河床上的泥沙顆粒起動的力有上舉力和推移力等。顆粒抗拒起動的力有重力、顆粒間的摩擦力和物理化學作用引起 的粘結力等。當起動的力大于抗拒起 動的力時，泥沙便由靜止轉入運動 。泥沙起動的水流條件用起動流速 或起動拖 曳力表示。起動流速指 泥沙由靜止到起動的臨界狀態下的沿斷面或垂線的平均流速 。起動拖 曳力指泥沙處于起動臨界狀態下的床面剪切力。無粘性均勻沙起動流速與泥沙粒徑成正比。粘性細泥沙起動流速與粒徑成反比。

2.2.2 沙波運動

當流速超過起動流速一定程度，推移質運動達到一定規模時。河床表面形成起伏的沙波 。沙波運動是推移質運動的主要形態。沙波由波峰、波谷和波高等組成。相鄰兩波峰之間的長度稱為波長.波峰與波谷之間的垂直距離稱為波高。天然河道上沙波的尺度大小很不一致水流越過波峰以后，常常發生分離現象，產生水平軸向的回流，使沙波表面附近的流速成為負值。這樣的流態使沙波迎流面成為沖刷區。背流面成為淤積區，綜合作用結果使整個沙波向下游爬行。

2.2.3水流挾沙力

指在一定的水流和一定的河床物質組成條件下水流所能挾帶的泥沙數量，即水流挾帶泥沙的能力。當水流挾帶的泥沙量超過挾沙能力時。河段將發生淤積。反之發生沖刷。水流挾沙力是分析河流淤積、沖刷或平衡的重要依據。水流挾沙力分為推移質挾沙力和懸移質挾沙力兩類 。

2.2.4 高含沙水流

高含沙水流是指含沙量達到每立方米數百千克以至 1000千克以上的水流。高含沙水流有兩種流態。一種是高強度的紊流，發生在比降大、流速高的情況，那里水流洶涌，大尺度和小尺度紊動都得到 比較充分的發展。另一種流態發生在比降小、流速低的情況，水流十分平緩，有時水面呈現幾毫米至 1～2厘米的清水層，清水層下為濃稠的泥漿。水流中保持著強度低而尺度大的漩渦，近似層流。高含沙紊流挾沙能力特別大，因為群體沉降速度遠比單粒泥沙的低，紊動作用強烈。高含沙水流含沙量的沿垂線分布和橫向分布遠比一般挾沙水流均勻。當高含沙水流進入下游河段流速變緩時，往往造成大量淤積。還時常出現因高含沙水流引起揭河底和漿河現象 。揭河底現象指大片沉積物從河床掀起，有的露出水面，然后坍落、破碎 、被水流帶走。這樣強烈的沖刷在幾小時到幾十小時內。可使河床降低1米至近10米。造成沖刷性的河床突變。這種河床突變多發生在汛期頭幾天較大洪水的漲峰過程或峰頂時。漿河現象指當水流能量不足以繼續帶動所挾帶的泥沙前進時，一河泥漿驟然停止，造成淤積性質的河床突變。兩種現象都嚴重影響防洪。

3、河流泥沙災害與防治的建議

3.1 明確泥沙運動對江河洪水災害特性的影響

高含沙水流形成機理和長距離輸送的影響因素、河道疏浚防洪減淤效果及對環境的影響，以及水沙變化對河口萎縮的作用機理及防治措施。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。

3.2 了解泥沙運動對江河洪水調節能力的影響

要以土地利用對洪水調節能力及下游河道淤積與行洪能力的影響為研究對象，將河網資料分析及概化模型試驗結合起來。據此研究泥沙運動對江河洪水調節能力的影響問題，為蓄滯洪區的治理提供科學依據。具體包括：蓄滯洪區泥沙淤積對下游河道淤積及泄洪能力的影響，蓄滯洪區土地利用對防洪調節能力的影響。蓄滯洪區泥沙淤積及土地利用對洪水的影響。防治洪水和泥沙災害的對策。

3.3掌握江河泥沙災害防治理論與方法

以江河泥沙災害防治研究為目標，以多學科聯合攻關的方式。探索泥沙侵蝕規律及防治方法、淤積機理及其泥沙災害防治：研制和開發泥沙災害防治的決策支持信息系統。具體方向為：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。要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，進行江河泥沙災害分析、研究與防治。

4、以具體案例分析排砂方法

4.1 工程簡介

金溝河流域管理處渠首站位于新疆維吾爾自治區砂灣縣安集海元新宮上游9公里處，始建于1960年，是典型的費爾干式引水樞紐，兼具防洪、引水、排砂等多重功能。樞紐布置采用側面引水，正面排砂，約成L形，經多次改擴建達到現狀。現狀渠首樞紐工程主要由上下游導流堤、非常溢流堰及匯洪閘、泄洪沖砂閘、進水閘及束水排砂道等組成。其中泄洪沖砂閘5孔，單孔寬5.0m，設計流量Q泄=220 m3/s；進水閘3孔，單孔寬4.0m，設計流量Q引=45m3/s。在進水閘后有880m長的曲線沉砂池，在曲線沉砂池的末端設6孔排砂廊道，沉砂池后連引水干渠，引水干渠前段部位依次設排砂渦管3個、排砂漏斗1個。。因河道泥砂淤積等問題工程歷經多次改擴建。

4.2 渠首泥砂淤積現狀及觀測

4.2.1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。

4.2.2 金溝河泥砂特征分析

泥砂的年際變化很大。據八家戶站實測資料，最大年輸砂量216.6萬t（1999年），最小年輸砂量26.4萬t（1965年），多年平均為74.28萬t。此外泥砂的年內分配集中。實測6年資料中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。

4.3 渠首現狀泥砂處理及綜合利用

4.3.1 三級排砂運行體系

金溝河渠首站主要承擔防洪、引水、排砂等作用，在多年的引水及泥砂處理中，渠首站積累了許多寶貴經驗，形成了獨特的排砂運行體系。主要體現在：（1）閘前泥砂處理，首先通過閘前攔石柵，將推移質中大粒徑的給攔在閘前；其次通過泄洪沖砂閘采取長排方式將閘前的泥砂集中輸送至下游；第三，利用多余棄水長小流量長時間將置留輸砂道內泥砂送出；（2）閘后泥砂處理，首先在進水閘后有880m長的曲線沉砂池，可以將入池泥砂沉淀在沉砂池中，每年通過定期機械清淤方式清出；其次在引水運行期通過沉砂池中下段所設沖砂閘及排砂廊道將池內泥砂排出，以減少沉砂池淤積量；（3）入渠泥砂處理，首先利用在沉砂池末設置的排水閘，在水量充足時開啟達到沖砂效果；其次在引水干渠上游段400米內分設有2#、3#、4#渦管用于排砂；最后在干渠節制閘后設末級漏斗排砂，將渦管漏排泥砂全部攔截。

4.3.2 泥砂綜合利用

泥砂處理一直以來是困繞多泥砂引水渠系的難題，金溝河流域管理處在成功開創三級排砂系統的同時，十分重視對泥砂的綜合利用。初步的經驗做法有：充分利用渦管等排砂設施，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機，在渠首渦管出口處設簡易砂石料廠，利用渦管排砂水沖洗泥砂，經篩分后供水利工程建設使用，此措施每年可將清除渦管后堆積泥砂1.5萬立方米以上，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砂處理對外承包，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，實現雙羸，經濟效益可觀。

5、結論

本文就泥沙的危害進行簡要敘述，同時根據具體案例分析排沙的方法. 為此對此研究將有助于社會的穩定，人們的安全保障人們安居樂業，保障經濟的快速可持續發展。對此的研究還有很長的路要走！正如案例分析一樣，金溝河流域管理處渠首樞紐工程投入運行60多年間，經過數代的水利工作者不停的探索、驗證，積累了許多寶貴經驗，形成了一套適用的、獨有的引水排砂運行方案，在泥砂處理及綜合運用中進行了有益的探索。三級泥砂處理體系的運用和泥砂綜合利用的研究仍然是今后多泥砂河流渠系引水工程重點研究的課題，需要不斷的探索和思考。

參考文獻：

[1]《地方中小水電泥沙危害與利用研究》.出 版 社：中國水利水電出版社

[2]《可再生能源法》.出 版 社：中國水利水電出版社

[3]《2006年中國新能源行業年度報告》.出 版 社：中國水利水電出版社

[4]《廣東省水利水電工程設計概（估）算編制規定》.出 版 社：中國水利水電出版社

[5]《小水電工程初級指南》.出 版 社：中國水利水電出版社

[6]《水利泥沙危害與利用研究》.出 版 社：中國水利水電出版社

[7]《水電泥沙危害與利用研究》.出版社：中國水利水電出版社

[8]《工程建設標準強制性條文》（水利工程部分）中國水利水電出版社索麗生，任旭華；

[9]胡明；《水利水電工程專業畢業設計指南》中國水利水電出版社王建華，曹雪惠