新型分沙裝置對頭屯河水庫入庫泥沙影響研究

李虹瑾

(新疆維吾爾自治區水資源中心， 新疆 烏魯木齊 830000)

頭屯河水庫位于頭屯河干流出山口上游，距烏魯木齊及昌吉市各約40km。水庫于1965年開始修建，1981年主體工程基本建成，1983年10月竣工驗收[1]。設計正常蓄水位989.6m，水庫泄水涵洞進口高程949.14m，總庫容2030萬m3，是一座以灌溉為主，兼顧城鎮生活、工業供水和防洪等綜合利用功能的中型水庫[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)，加上水庫的不合理排沙，致使頭屯河水庫不斷淤積，平均每年淤積量達66.64×104m3，到1999年，頭屯河水庫總淤積量超過了1400萬m3，占原設計庫容的70%以上[3]。由此造成了水庫嚴重淤積，不僅導致興利調蓄能力日益降低，而且危及水庫本身防洪安全，直接影響到水庫的使用壽命[4]。期間以泄空水力沖刷為主要手段，以蓄清排渾為排沙調度原則[5]，將庫容恢復至1500萬m3[6]。但洪水期由于含沙量高導致工業用水不能滿足水質要求，造成水廠設備損壞；水庫泥沙淤積最高時曾造成涵洞被泥沙堵塞，工農業供水中斷，致使下游新疆重點企業八一鋼鐵廠一天損失500余萬元。

為延長水利工程的使用壽命，降低下游河道的泥沙危害[7]，解決危害工業園區、下游猛進水庫汛期泥沙淤積問題，綜合考慮河道排沙率及經濟效益，在河道來沙量最大的河段—頭屯河水庫上游龍口后布置“水力篩網多重分沙裝置”[8]。該裝置利用水流落差及水流自身的流動性進行連續分沙，將河道(渠道)泥沙分離出來，減少入庫泥沙，防止下游河道(渠道)淤積。本文對“水力篩網多重分沙裝置”對頭屯河水庫入庫泥沙的影響進行研究。

1 分沙裝置簡介

1.1 分沙裝置布置

分沙裝置修建在頭屯河水庫上游4.56km龍口處，如圖1所示[9]。布置在水庫攔魚坎左側，設一孔沖沙閘。沖沙閘設弧形鋼閘門一扇，閘孔尺寸為5m×5.6m，底坎高程為1007.0m。

圖1 水力篩網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性進行連續水沙分離。挾沙水流進入分沙裝置，通過各級篩網分選出不同粒徑的建筑用沙(粗沙、細沙、大石子、小石子)及淤泥，建筑用沙被分離后進入不同的沉沙斗并通過車輛清運，如圖2所示，淤泥進入雙循環沉淀池后通過裝載機清運。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，在暗渠上部設置一片立式斜擋板，在進水閘閘前引水明渠一側設置“退水閘”，控制進入“水力篩網分沙裝置”的水量。超過的水量從“退水閘”通過退水渠直接進入原河道中。

圖2 沉沙斗分沙裝置出運沙過程

引水明渠的水先經過沉沙斗分沙裝置分離建筑用沙，最后再進入雙循環沉淀池沉淀淤泥。分沙裝置沉沙斗從前到后依次為粗沙沉沙斗、細沙沉沙斗、小石子沉沙斗、大石子沉沙斗。含沙水流先從粗細沙篩網上經過，大于粗細沙篩網的含沙水流直接進入后面石子沉沙斗裝置中，小于粗細沙篩網的沙從篩網中進入分沙廊道，再進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個沉沙斗組成，沉沙斗之間用斜隔板隔開利于分沙。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的泥沙(此泥沙挾帶水)先進入粗沙沉沙斗，泥沙在沉沙斗中運動后粗顆粒泥沙沉淀到沉沙斗底部，表層較細顆粒泥沙通過斜隔板過濾分選進入細沙沉沙斗中，在細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，經過過濾后的清水從細沙沉沙斗一側出口進入排水廊道，最終被排入原河道。

大于粗細沙篩網的挾沙水流順著分沙渠繼續下行經過石子沉沙斗裝置，小于小石子篩網的泥沙從小石子篩網中穿過，小于小石子篩網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下的分沙廊道，進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濾出來的水直接進入排水廊道，最終被排入原河道中。大于小石子沉沙斗裝置篩網粒徑的挾沙水流順著分沙渠繼續下行，經過大石子沉沙斗裝置中，排沙原理和小石子沉沙斗相同。通過大石子分沙廊道過濾的水直接進入雙循環沉淀池，雙循環沉淀池在傳統沉淀池基礎上進行改良，淤泥沉淀在池中，水通過排水廊道排入原河道，達到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，達到零耗水。水力篩網多重分沙裝置可有效地將水流中的泥沙分離出來，排沙效率高，具有選沙、排沙雙重功效，不但提高了水利設施的運行年限，還將泥沙多次分選應用于生產中。

2 泥沙分析

2.1 懸移質含沙量

頭屯河地處天山北坡中段，徑流補給以冰雪融水和降水混合補給為主。制材廠站以上河道縱坡坡降大，水質清洌，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、山楊、白榆樹等植物覆蓋，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名小支流匯入。這些支流特點是源短、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區。統計結果表明，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倍就充分說明了這一點。為分析分沙裝置安裝前后對工業引水渠首下游至進庫段的水沙變化情況，對1995—2007年哈地坡站月平均輸沙率進行分析。

2.2 輸沙量

頭屯河泥沙年內分配不均勻，夏季氣候干燥，加上地表巖石物理風化強烈，大量冰雪融水和局部暴雨洪水攜帶大量泥沙，使得夏季輸沙量高度集中[12]。連續最大4個月懸移質輸沙量出現在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、輸沙量出現在7月份；最小月平均含沙量、輸沙量出現在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，見表1。

表1 懸移質泥沙含沙量和輸沙量統計表

頭屯河制材廠站的輸沙量年內分配極不均勻，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給形式都有很密切的關系[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。從以上數據中可以得出：頭屯河流域的泥沙主要來源于制材廠站以下至哈地坡站區間流域。制材廠站輸沙率月、年變化情況見表2。

表2 頭屯河制材廠站輸沙量年際變化統計表 單位：×104t

由于制材廠站泥沙資料系列較短，只能利用現有數據進行分析。從分析結果看，制材廠站的輸沙量不論是年內變化，還是年際變化都很大。在年內，多年最大月輸沙量與最小月輸沙量比值高達4747倍；在年際間，最大年與最小年輸沙量比值也達到34倍，見表2。輸沙量的這種變化，對下游水利工程、工農業用水及人畜飲水都將帶來很多問題，而且這些泥沙沉積在河道中，阻礙安全泄洪，并危及下游城鄉安全，必須給予高度的重視。

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

表3 頭屯河水庫出庫斷面月平均輸沙量 單位：×104t

3 結果與討論

3.1 含沙量對比

哈地坡站位于頭屯河水庫上游約4.0km處，而“水力篩網多重分沙裝置”位于頭屯河水庫上游約4.56km處，二者距離僅數百米，因此本研究將哈地坡站所測輸沙率、含沙量等水文數據近似當作龍口處水文數據資料。

為分析“水力篩網多重分沙裝置”運行前后工業引水渠首至進庫段含沙量的變化，本研究主要將哈地坡站1995—2007年所測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的情況，1999—2007年為已安裝該裝置后的情況。

根據哈地坡站1995—2007年輸沙率，計算出逐年輸沙量，計算結果如圖3所示。

圖3 哈地坡站1995—2007年輸沙量統計圖

經計算可知，1995—2007年進庫站的平均輸沙量為135.7×104t，且1998年后(安裝了“水力篩網多重分沙裝置”)絕大部分進庫泥沙量大幅度減少。1995—1998年年入庫泥沙量平均為171.3×104t，而1999—2007年入庫泥沙量平均值為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泥沙量為57.8×104t。考慮到庫區為侵蝕性山區河段，取推移質輸沙量占懸移質輸沙量的12%[14]，則年平均推移質輸沙量減少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月推移質輸沙量減少6.68×104t，減少輸沙總量為62.6×104t。

根據當地該分沙裝置多年實際運行情況統計，自該裝置1999年投入使用以來，多年平均分離沙礫石量約5萬m3，其中粗細沙2萬m3，礫石3萬m3，多年平均清淤量6萬～8萬m3。分離出細沙、礫石、淤泥質量計算成果見表4。

表4 分離出細沙、礫石、淤泥質量計算成果見表

排沙清淤運行期為除冬季以外全年運行，而沙石料主要生產期為5—8月。故水力篩網多重分沙裝置過濾掉的礫石與占入庫推移質減少量的72%～81%。而分離過濾的總沙石量約占減少的輸沙量的29%～41%。由此說明水力篩網多重分沙裝置可將水庫上游來水中的泥沙分選出來，有效減少泥沙入庫量，減少水庫泥沙淤積，提高水庫有效庫容，具有減少水庫排沙壓力，延長水庫運行壽命等諸多優點。

3.2 水庫年淤積量對比

頭屯河水庫庫內淤積嚴重，庫容減小的速度非常快。頭屯河水庫自1971年開始蓄水運行，至1979年，水庫淤積量達362.7×104m3；1980—1989年10年期間，水庫又淤積了486.7×104m3；到1999年，水庫累計淤積量達1866×104m3，庫容只剩626.55×104m3；1971—1999年，平均每年淤積量66.643×104m3(見表5)，如果泥沙淤積繼續按此速度發展，剩余庫容將在不到10年的時間內消失。

表5 頭屯河水庫泥沙淤積量統計表 單位：×104m3

泥沙含量大造成洪水期供應的工業用水不滿足水質要求，造成水廠設備損壞，使水廠運行癱瘓甚至全面停產。水庫平均淤積高程達984m，涵洞進口處淤積高度達30m左右，迫使水庫逐年抬高汛期運用水位，攔蓄效益和防洪標準大大降低，并幾次造成涵洞被泥沙堵塞，工農業供水中斷。

結合已搜集到的1995—2007年出庫段月均輸沙率資料，計算出庫段年輸沙量，并與進庫段(哈地坡站)輸沙量資料進行對比，其對比結果如圖4所示。

從圖4中實測數據可看出，1999年之前，進庫段泥沙量均大于出庫段泥沙量，而1999年之后，出庫段泥沙量均大于進庫段泥沙量，其中以1999年出庫泥沙量最大。

圖4 進庫泥沙量與出庫泥沙量對比圖

盡管利用水位運行沖沙、高渠沖沙、機械結合水力沖沙等清淤方法進行清淤，在一定程度上延長水庫運行壽命，提高水庫的防洪標準[15-16]。但是頻繁清淤的費用相當昂貴，且在水庫清淤向下游排沙期間對下游河道尤其是燈籠渠渠首產生了較嚴重的影響，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環境。并且清淤過程中也增加了沿程水利設施(頭屯河水庫、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水利設施的使用壽命。

根據上文所述，1999年前水庫以平均每年淤積量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，經計算，每年淤積量為(119.95～139.95)×104t，而通過上文分析可知，分沙裝置在龍口處每年可減少入庫泥沙量為(18.4～25.6)×104t。該分沙裝置安裝后不僅有效減少入庫泥沙量，而且可減少水庫進行沖沙、排沙的頻率，即帶來了可觀的經濟效應，又能在一定程度上延長頭屯河水庫等水利設施的使用壽命，并且不因排沙而對水庫下游產生生態損失，可謂是一舉多得。

4 結論

水力篩網多重分沙技術將河道中的泥沙分離出來，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上游河道中的泥沙，有效減少泥沙入庫量，減少水庫泥沙淤積，提高水庫有效庫容，減少水庫排沙壓力，延長水庫壽命。對比分析分沙裝置在頭屯河水庫上游應用前后入庫泥沙量，該分沙裝置年均減少淤積量(18.4～25.6)×104t，減少了水庫排沙、沖沙的頻率，有效地減少了水利設施的機械磨損，延遲了其使用壽命。在部分泥沙淤積較嚴重的區域，該技術還可清除淤泥。特別是對具有供水任務的水庫，可起到水環境治理和生態修復作用。