頭屯河水力篩網多重分沙裝置原理及效益分析

李虹瑾

(新疆維吾爾自治區水資源中心，新疆 烏魯木齊 830000)

河流泥沙是反映流域水土流失嚴重程度和河川徑流質量的重要指標，是合理開發利用地表水資源，設計、建設各類水利設施所必須考慮的一個重要因素[1]。新疆河流泥沙的季節變化很大，其變化過程與流量過程大體相對應，尤其是塔里木盆地周邊的河流和天山北坡部分河流，在汛期由于高山冰川融水強烈會產生冰川泥石流以及中、低山帶的暴雨洪水泥石流，致使洪水期河流含沙量特別大。由新疆主要河流年、月平均含沙量統計可以看出，秋、冬季含沙量較小，冬季徑流為地下水補給時含沙量更小，甚至接近于零，春、夏季含沙量普遍較高，形成春、夏季兩個高含沙過程，尤以夏季洪水時最高[2]。泥沙的年際變化遠大于徑流量的年際變化，一般河流輸沙量的變差系數比徑流量的變差系數大得多[3-4]。河流含沙量是反映河流挾沙能力和流域抗侵蝕能力的綜合性指標。新疆范圍內各流域植被覆蓋率、地理情況，以及氣候條件存在較大差異，各河流含沙量相差較大。南疆河流含沙量普遍較大，北疆河流含沙量較小。北疆的阿爾泰山區是全疆河流含沙量的低值區；昆侖山和阿爾金山北坡是全疆河流含沙量的高值區。根據對不同時段河流懸移質輸沙量模比系數的分析可以看出，20世紀90年代以來，河流輸沙量呈明顯增多的趨勢。新疆大多數河流均發源于高山冰川區，常有冰川泥石流將卵、礫石等冰積物帶入上游河道，而在流經淺山地帶時，又常有暴雨洪水泥石流匯入，將礫石、砂石及泥土帶入河道，在水力推動下，源源不斷地將山地河流中的卵、礫石推移質輸移至河流出山口以下，易產生河道侵蝕、洪水災害加劇、水庫淤積嚴重、水利設施損壞、下游土地沙化等一系列問題。如何解決上述問題，是新疆水資源利用過程中必須面對的棘手問題。

頭屯河屬北疆代表性多沙河流，是烏魯木齊市和昌吉市的界河，發源于天山山脈中部的喀拉烏成山北坡，屬山溪性河流，由南向北流入準噶爾盆地古爾班通古特沙漠，最終消失在沙漠。河流長度190km，流域面積2885km2。在頭屯河中游地帶，位于山坡上的松散堆積物穩定性差，當大量雨水滲入松散堆積物中時，處于極限平衡狀態的崩塌體、坍塌體和滑坡體便逐漸飽和，容重增加，自重加大，崩滑體與滑床之間的摩擦系數減小，抗震強度降低，從而平衡狀態被破壞，并在重力作用下產生向下的運動，形成崩塌和滑坡。而位于主河兩側的岸坡，坡度陡峭，沿臨空面一側河水沖蝕、淘挖，在重力作用下或暴雨激發下產生坡體的崩滑運動，大量的崩滑物進入溝內，成為河道產沙的物質來源。頭屯河多年平均徑流量2.41億m3[5]，多年平均含沙量1.1kg/m3，歷年最大含沙量186kg/m3(1987年6月7日)。

含沙量較高是困擾頭屯河水資源利用多年的老問題。頭屯河制材廠站至哈地坡站之間的地段為主要產沙區。制材廠站多年平均輸沙量為33.4萬t，歷年最大年輸沙量為1996年的183萬t，最小年輸沙量為1985年的5.36萬t；哈地坡站多年平均輸沙量為87.8萬t，是制材廠站的2.6倍。頭屯河泥沙主要以懸移質泥沙為主，泥沙粒徑較小，不易下沉，大部分懸移質泥沙到達頭屯河水庫庫區并沉降，形成水庫淤積(見表1)[3]。截至1998年，水庫有效庫容淤積量已超過75%，水庫功能急劇降低[5]，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，曾致八鋼一天損失500萬元。如果泥沙淤積繼續按此速度發展，剩余庫容將會在短時間內消失。

為解決頭屯河流域泥沙淤積問題，1999年在頭屯河水庫上游修建水力篩網多重分沙裝置。該裝置的修建，減少了下游河道泥沙含量，對減少頭屯河水庫泥沙淤積、降低八鋼供水泥沙含量發揮了重要的作用。本文對“水力篩網多重分沙裝置”應用及效益進行分析研究。

1 水力篩網多重分沙技術簡介

河道(渠道)水力篩網多重分沙技術指在河道(渠道)一側通過安裝“水力篩網多重分沙裝置”[7]，將河道(渠道)的泥沙自動分選出來，直接應用于生產中(如建筑、裝修)，不必二次篩分。

分沙裝置修建在頭屯河水庫上游4.56km龍口處，布置在水庫攔魚坎左側，設一孔沖沙閘(見圖1)。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

1.1 分沙裝置原理

該分沙技術利用水流落差及水流自身的流動性分沙原理進行連續分沙。利用地勢將挾沙水流引入水力篩網多重分沙裝置，利用不同流速下河水挾沙能力的特性，配合不同孔徑的篩網，逐級分選出不同粒徑的砂石(見圖2～圖3)。

圖2 水力篩網多重分沙裝置平面布置及剖面

圖3 水力篩網多重分沙裝置分級篩選工藝流程

挾沙水流通過各級篩網分選出不同粒徑的泥沙，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。特別是洪水期，多余的水從退水閘通過退水渠被排出后直接進入原河道中。

引水明渠的水先經過沙粒沉沙斗裝置，挾沙水流從粗細沙篩網上經過，大于沙粒篩網的泥沙隨著水流直接進入后面小石子沉沙斗裝置中，小于沙粒篩網的泥沙(一般為小于8mm粒徑的泥沙)從沙粒篩網中進入沙粒分沙廊道，泥沙順著沙粒分沙廊道進入沙粒沉沙斗裝置中。沙粒沉沙斗裝置和小石子沉沙斗裝置不同，由兩個沉沙斗組成，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，較粗顆粒泥沙運動后，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，達到零耗水。

大于沙粒篩網的挾沙水流順著分沙渠繼續下行，經過小石子沉沙斗裝置。小于小石子篩網的泥沙從小石子篩網中穿過，小石子分沙廊道中無水正常大氣壓與上層小石子篩網上的水流產生壓力差，由此產生吸力，加之泥沙自身的重力等多重水力，小于小石子篩網的泥沙被吸入小石子沉沙斗裝置篩網下的分沙廊道，進入小石子沉沙斗裝置的泥沙基本不含水，從小石子分沙廊道過濾出來的水直接進入排水廊道，最終被排入原河道或原渠道中。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，排沙原理和小石子沉沙斗裝置相同。在大石子沉沙斗裝置中，通過大石子分沙廊道過濾的水直接進入排水廊道排入原河道，達到90%以上的排沙率。本分沙裝置基本不消耗水，水流均回入原河道。

1.2 裝置組成部分及功能簡介

因產沙的復雜性，水力篩網多重分沙裝置在設計時，根據工程需要設計不同的沉沙斗分離不同的砂礫石。水力篩網多重分沙裝置各組成部分的功能如下：

a.引水明渠：在河道一側設置引水明渠，主要是將需要水沙分離的挾沙水流引入水力篩網多重分沙裝置中。引水明渠前根據工程需要設置格柵(主要是過濾雜物)。格柵后連接一段暗渠(暗渠上部有一立式斜擋板)，暗渠后連接引水明渠(見圖4)。

圖4 引水明渠

b.沉沙斗裝置：每個型號的篩網、分沙廊道、排水廊道自動組成一套獨立的沉沙斗裝置(見圖5)。可根據工程需要搭配、組合使用。本工程有4個沉沙斗裝置，粗沙沉沙斗和細沙沉沙斗可分離粗沙、細沙；小石子沉沙斗可分離小石子；大石子沉沙斗可分離大石子。

圖5 沉沙斗裝置

c.篩網：根據工程實際需要，在每個沉沙斗裝置安裝不同孔徑的篩網，篩選符合工程需要及要求的沙石進入不同的分沙廊道。

d.分沙廊道：從篩網分選的沙石進入分沙廊道，通過分沙廊道進入不同的沉沙斗中。

e.排水廊道：水流挾帶泥沙從不同的篩網進入不同的分沙廊道，多余的水會從分沙廊道中通過特殊設置自動進入排水廊道中。

f.排水渠：經過分沙后的所有排水廊道的清水，最終通過排水渠排入原河道中。

1.3 裝置運行方式

挾沙水流通過引水渠進入分排沙段，分排沙段將水中泥沙分選至沉沙斗裝置，排沙后的水流通過退水渠回歸原河道。分排沙段設有粗砂、細砂、礫石不同的篩分段及對應的沉沙斗；當沉沙斗沙石料裝滿后，車輛直接開至沉沙斗下方，打開閥門后可直接裝運。

2 分沙裝置排沙、分沙效果

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。該分沙裝置在頭屯河上運行20年，其主要排沙、分沙運行效果見圖6～圖10。

圖6 分沙裝置引水口位置

圖7 分沙渠的挾沙水流

圖8 粗沙沉沙斗出沙效果1

圖9 粗沙沉沙斗出沙效果2

圖10 粗沙沉沙斗出沙效果3

從圖6、圖7可以看出，分沙裝置依河而建，利用地勢將挾沙水流引入水力篩網多重分沙裝置。通過分沙裝置選沙、排沙的雙重功效，根據工程需要將水流中的砂礫石分選為粗砂、細砂、小石子和大石子四類，應用于生產中。該分沙裝置的四個沉沙斗排出的砂礫石干凈，粒徑統一符合工程需要，可直接應用。

3 效益分析

3.1 清淤效益

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，多年平均分離砂礫石量約5萬m3，其中粗細砂2萬m3，礫石3萬m3，多年平均清淤量6萬～8萬m3(見表2)，在一定程度上減少了水庫排沙、沖沙的頻率，有效減少了水利設施的機械磨損，延長了其使用壽命。且通過清淤，減緩了頭屯河水庫淤積和八鋼供水管道的泥沙淤積問題，減少了供水廠設施的磨損。

表2 分離出細砂、礫石、淤泥質量計算成果

若按照5～6元/m3支付清淤費，每年可獲得清淤費約30萬～50萬元。

3.2 經濟效益

該裝置每年能從研究段攔截砂礫石量約5萬m3，其中粗細砂約2萬m3，礫石約3萬m3，其中洪水期6～8月產砂量最大，產砂、礫量可達70m3/h。所得砂、礫料等又可作為建筑材料，產生較大經濟價值。將當地粗細砂按照60元/m3、礫石按照20元/m3計算，年獲利可達180萬元左右(見表3)。

表3 經 濟 效 益

3.3 社會效益及生態效益

在水庫上游、渠首、景觀渠道上修建該裝置，產生的社會效益及生態效益如下：

該技術應用于水庫上游，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，具有減少水庫排沙壓力、延長水庫壽命等諸多優點。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。

該技術應用于引水樞紐(渠首)，可分選上游的泥沙，減少泥沙入渠量，減輕渠道的泥沙淤積和磨損，提高水力設施運行年限，緩解土地沙化等問題，變害為利，造福農牧民。

該技術應用于景觀河道上，可減少河水泥沙量，有效改善城市生態環境。

4 結 論

河道(渠道)水力篩網多重分沙裝置結構合理，適用性強，運行效果好，在不破壞原始河道(河床)、渠道的前提下，有效地將水流中的泥沙分離出來，排沙率高達90%以上，基本不耗水；減少泥沙淤積，提高了水利設施的運行年限。該裝置具有排沙和選沙雙重功效，自動分離出符合工程需要的粗砂、細砂和礫石。除具有一般排沙設施水沙分離、引水排沙功能外，可將泥沙作為一種資源考慮，利用水力篩網同時達到排沙、選沙的效果，變廢為寶。同時具有后期運行管理簡單的特點。

頭屯河水力篩網多重分沙裝置不但創造了巨大的社會效益，且經濟效益顯著，一次投入成本，終身受益。該裝置可以應用在水庫上游、渠首上游、河道、干渠，具有一定的經濟效益、社會效益和生態效益。