金沟河流域渠首枢纽泥沙淤积原因分析及治理

孙显忠 孔令来 张松涛

（新疆金沟河流域管理处,新疆沙湾 832100）

金沟河流域渠首枢纽泥沙淤积原因分析及治理

孙显忠 孔令来 张松涛

（新疆金沟河流域管理处,新疆沙湾 832100）

通过对金沟河流域渠首枢纽基本情况的概述,总结当前渠首枢纽泥沙运行处理的基本现状和泥沙淤积产生的危害,进而分析泥沙淤积产生的原因,最终提出解决渠首枢纽泥沙淤积具体措施,依此可以发挥枢纽工程的最大效益,给灌区和管理单位带来巨大的经济效益和社会效益。

枢纽;泥沙;危害;原因;治理措施

1 基本情况

1.1 水资源状况

金沟河属冰雪融水及降雨混合补给型的山溪性河流,干流全长120km,河床比降33‰～5‰。水量的来源以冰川和永久性积雪为主,其次为降雨、季节性融雪和地下水补给。

金沟河多年平均径流量3.49亿m3,径流受气温和降水的影响,有着年际变化平缓,年内分配集中的特点。

年水量与气温的高低有着明显的联系,同时又受降水的制约。径流年际变化平稳,Cv=0.125。径流年内分配极不均匀,汛期6～8月份的径流量占全年径流量的68.3%,冬季11月至翌年4月,水量只占总量的14.1%。

1.2 引水枢纽工程

金沟河引水枢纽始建于1960年,建于出山口位置,1962年投入运行,是第一代费尔干式人工弯道式引水渠首,侧面引水,正面排沙,由非常溢流堰、泄洪冲沙闸、进水闸及上下游导流堤组成。

其中泄洪冲沙闸5孔,单孔宽5.0m,设计流量Q泄=220m3/s;进水闸3孔,单孔宽4.0m,设计流量Q引=45m3/s。在进水闸后有880m长的曲线沉沙池,在曲线沉沙池的末端有6孔排沙廊道,然后进入54km总干渠。随着时间的推移,上下游河道泥沙淤积日益严重。由于引水弯道淤积,弯道底部逐渐抬高,过水能力逐渐减弱,使得进入干渠的泥沙增多,引水干渠严重磨损、淤积。

1.3 泥沙

金沟河属多泥沙河流,泥沙主要来源于降水汇流对流域面的侵蚀及水流对河道的冲刷两部分。根据实测泥沙资料分析,金沟河悬移质年平均含沙量1.85kg/m3,最大月平均含沙量221kg/m3,最小月平均含沙量15.6kg/m3。悬移质年平均输沙量66.03万t。推移质年平均输沙量9.25万t,推移质平均粒径39.8mm。多年平均输沙总量74.28万t。

金沟河泥沙颗粒分配不均匀,颗粒较细,大颗粒含量较少,金沟河泥沙总体特征为。

（1）泥沙的年际变化很大。据八家户站实测资料,最大年输沙量216.6万t（1999年）,最小年输沙量26.4万t（1965年）,多年平均为74.28万t。

（2）泥沙的年内分配集中。实测6年资料中6～8月输沙量占97.0%,而 7月就占全年的55.5%,来沙与来水成正比。冬季输沙量基本为零。

2 渠首枢纽运行现状

金沟河属多泥沙河流,多年平均悬移质输砂量41.4万t,相应输砂率13.13kg/s,多年平均推移质输砂量6.21万t,相应输砂率1.97kg/s。由于生态、水资源开发等原因,金沟河泥沙来量呈增加趋势。

渠首建设初期,灌区土地面积较小,灌区需水少,引水量小,排沙水相对较多,加之渠首上下游纵坡大,渠首运行较好。

进入二十世纪80年代,随着渠首上下游泥沙逐渐淤积造成河床不断抬高,此外灌区土地面积逐渐增加,引水量不断加大,渠首弯道过水断面设计宽度过宽,常年不能稳定河槽行水,致使环流强度减弱,河床槽内严重淤积,形成新的小的主槽,造成工程原设计方案的引水与排沙作用被破坏,而且随着渠首引水弯道淤积,弯道过水能力逐渐减弱,导流堤高程已明显不能满足防洪的要求。

闸前上游河道抬升较大,拦石栅已失去作用,沉沙池与上游河床形成连续纵坡。泥沙全部进入沉沙池和引水干渠,大量泥沙堆积在涡管和漏斗的出口处,依靠机械运送,使上述两处工程使用寿命正在快速缩短。一级排沙设施尾部淤积严重,导致渠首排沙不畅。目前渠首闸前,上游河道,沉沙池淤积严重,加上大河来水分布不均匀,瞬时流量变化大,一级排沙效果较差,又造成新一轮淤积,渠首处于恶性循环运行状态。

金沟河渠首排沙方式:主要是间歇式集中排沙,此时干渠停止引水,大河所有水量全部用于排沙 （大河来水量大于30m3/s,35m3/s～40m3/s最佳）平均年份十几天;其次是边排边引式排沙,此时大河来水满足引水需要且有足够的冲沙水量 （大河来水量大于55m3/s）;最后是利用发生洪水的机会长时间集中冲沙。

金沟河渠首枢纽采取渠首边排边引和全排全引的运行方式与干渠多级排沙涡管和排沙漏斗配合使用的方法,将进入干渠的泥沙全部处理。

但是闸前,输沙道尾部,泄洪二三四五孔行洪通道淤积严重,严重影响到防洪安全。

3 泥沙淤积造成的后果

（1）渠首防洪能力减弱。淤积造成渠首闸前有效空间缩小,防洪能力下降,发生翻水。

（2）淤积造成闸门启闭负荷增加,存在严重的安全隐患。以前弧形闸使用的是16的 D型钢丝绳,现在跟换为22的D型钢丝绳,年年换新,还有断裂现象。

（3）工程磨损严重,由于渠首已无能力将泥沙处理完,部分泥沙进入干渠磨损渠道。

4 渠首枢纽淤积原因分析

4.1 工程原因

金沟河渠首是费尔干式人工弯道渠首,闸前利用弯道形成横向环流,侧面的清水进入进水闸,正面含有大量泥沙的水流进入泄洪闸由输沙道排走。引水渠首位于河道中游出山口处,该段纵坡为1/75～1/150,大部分为第三系和第四系冲、洪积沉积物,两岸陡峭植被差,暴雨和洪水携带大量泥沙向河床倾泻,是主要产沙区。

由于造床流量Q选用频率为3%～10%,设计采用阿尔图宁的河相关系B=AQ0.5/J0.2（A为系数0.7～1.0;Q为造河流量,选用频率为3%～10%,J为河床比降）。由此计算的Q为220m3/s过大,因而弯道过水断面设计宽度B过宽,使引水弯道的过水断面成为河流的造床流量下的过水断面。

2001年金沟河渠首改建,在原有加高墙上加高1.5m,过水断面增大。冲沙一孔束沙道最大设计流量45m3/s,出闸后 30m有一弯道,弯道长120m过渡夹角90°,排沙不利加剧淤积。

4.2 地形原因

金沟河从出山口至金沟河渠首段河流流经第四纪松散沉积层,渠首附近为第三纪岩层,以泥岩为主,抗冲性较差,多系红色和绿色条带状泥岩,表层风化严重,此段岸坡陡峭,渠首左岸0+269.91上游500m为泥岩风化坡积物,质地松散。经过多年的冲刷断面扩大已形成天然的沉沙池,使河床抬高,夏季排沙有效距离缩短,排沙效果不明显,加大排沙水量,引水排沙矛盾加剧,冬季小流量时,泥沙依然少量启动。

4.3 排沙与引水矛盾突出

灌区种植结构不合理灌溉用水集中,导致排沙与引水矛盾突出。金沟河渠首泥沙运行的最佳流量改建前Q=25～30m3/s改建后断面增大Q=30～35m3/s。汛期只有6月下旬至8月上旬部分时间大河来水量才可以在每天部分时段满足运行要求,金沟河因河流特性,大河来水季节变化较大,每年6月下旬以前大河来水小于25m3/s时,渠首排沙闸无法进行排沙,又由于金沟河河床纵坡大,大河来水在8m3/s时,泥沙已大量起动,渠首在引水过程中将泥沙一起引入总干渠;进入洪水期为满足农业需水要求,部分时段引水率高达90%（见表1）,只能采取间歇式排沙方式,以保证渠首的防洪安全。

表1 金沟河多年大河来水与引水统计表

4.4 水力排沙不能正常进行

大河来水分布趋向均匀,影响到水力排沙的正常进行。

金沟河近15年来,大河来水呈冬季增多,夏季减少的趋势（资料）夏季大河瞬时流量呈涨的慢,退得快的趋势,（估计是冰川退化造成）能满足工程排沙需要水量,和时长减少,有效排沙次数相对减少。来沙量大于渠首泥沙处理能力,渠首运行出现恶性循环。

大河来水量达到排沙要求水量和天数越来越少。

金沟河渠首排沙时间一般在3～5小时,而大河来水量持续不了我们所要求的时长,一年之中能满足条件的天数越来越少,并且排沙有效影响距离越来越短,现在排沙影响距离在闸前50m左右,2001年改建前,闸前断面比现在小,排沙流量25～30m3/s即可实施排沙相同时间影响距离可达100m,束沙道的闸底高程相同未变,2001年渠首改建束沙道闸底高程未改变。

5 治理措施

5.1 建立控制性水库工程

上游修建拦砂坝控制性工程。由于上游产生大量的泥砂造成渠首上游河道淤积严重,对该片区的水利工程运行及防洪安全带来了严重的影响和隐患。为此在渠首上游修建拦砂坝等控制性工程,减少上游泥砂的产生和下输,维持渠首上游产沙区水土平衡,对金沟河渠首正常运行具有及其重要意义。

目前该项目已经开始立项并开始了前期工作。红山水库淤积库容近2000万m3。

5.2 加强河道治理

河床两岸沿着河床修建护岸坝。渠首上游河道宽度在不断的扩大,两岸在不断的崩塌,河床在不断的淤积抬高,土地不断的沙化。为防止这些水土流失现象的继续发生,可以采取修建水土保持护岸坎,护岸坝采取沿平行于水流方向修建,使水流平顺,平稳,减少对护岸的冲刷,稳固河床减少泥沙向渠首运动的总量。

5.3 综合治理水土流失源流区

根据流域的水土流失特点,在防治上采取因地制宜、因害设防、区别对待原则,水土流失轻微的区域以预防保护为主,开发建设项目密集的区域重点开展预防监督,对水土流失源流区进行重点综合治理。保护流域内荒漠生态系统。流域干旱少雨,土壤植被稀少,生态环境脆弱,因此需要采取禁止采伐、过度放牧、过度开发来保护自然植被,同时种植防护林以保护生态环境。在河谷、沟谷和靠近水源的山丘坡地带种植水保林,如沟道防护林、护岸林等,并配合相应的工程措施,治理水土流失,防止土壤风蚀沙化。

5.4 工程运行措施

（1）束窄渠首闸前过水断面B,满足20～30m3/s满槽排沙要求。使大河来水能满足排沙要求的时间从6月下旬至8月上旬延长至6月中旬天数可以增加20天以上,可保证全汛期大部分排沙有充足的排沙时长和排沙频率保证,有利于渠首排沙冲淤,束沙道尾部的淤沙可以及时冲走。渠首运行不进入恶性循环。

（2）采用涡管、排沙漏斗等节水排沙设施多级排沙,多级回收的运行方式,满足工程运行和灌区用水的需要。

（3）机械疏浚。用机械疏通河道,利用冬季弃水,长时间的冲沙,有一定的效果。

5.5 推广节水灌溉

在灌区大力推行节水灌溉,建立科学的供水制度,按已申报土地定额供水。控制因节水技术的推广而新增的耕地。

6 结 语

解决处理好金沟河渠首的泥沙问题,可以发挥引水工程的最大效益,提高引用水量,提高水资源的利用效率,解决水资源短缺的矛盾,给灌区和管理单位带来巨大的经济效益和社会效益。

TV146

B

1008-1305（2011）01-0064-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2011.01.021

孙显忠（1974年-）,男,山东即墨人,闸门运行高级工。