金沟河流域泥沙的形成及渠首站多级排沙成效的研究

（新疆金沟河流域管理局，新疆 沙湾县 832100）

1 前言

1.1 研究背景

新疆金沟河流域是含沙量较高的多沙河流，由于沙石性地质，再加上这一区域气候干旱，植被存活多属季节性，只有弱小植被，没有较大植被和灌木，一到夏秋暴雨集中季节，水土流失严重。对于这种河流，由于泥沙淤积而引起的工程问题十分突出的。防洪抗洪能力逐年下降，对泥沙的研究迫在眉睫。

1.2 研究意义

近年来，水资源利用引起广泛重视，不合理的开发与利用，致使多年不变的河床发生了逆变。上游洪涝灾害频繁，泥沙淤积严重，损失年年增加；下游河道断流，生态环境失衡。上下游通水不畅，致使大量泥沙停留在水利工程周围或进入河道，对水利工程和周边环境造成一定的影响。深入研究这些问题有助人们合理利用水资源，并保障经济社会的可持续发展。

2 金沟河流域管理局简介

金沟河流域位于新疆塔城地区沙湾县境内，金沟河发源于天山北坡的依连哈比尔尕山，主要水源由天山融化的雪水和地下温泉水组成。水流由南向北，最终流入玛纳斯湖，全程194 km。

金沟河流域管理局供水中心渠首站在沙湾县元新宫村上游9 km处，建于1960年，是典型的苏式费尔干式引水枢纽，兼具防洪、引水、排沙等多重功能。枢纽布置采用侧面引水，正面排沙，约成L形，经多次改扩建达到现状。金沟河流域所管辖的上段自然河床有34.65 km，下段自然河床有57.00 km，引水主干渠有37.80 km。主要用于农业灌溉，服务于沙湾县与八师石河子市下属几个团场农业灌溉，灌溉面积 3.53 万 hm2。

渠首枢纽工程主要由上下游导流堤、非常溢流堰、非常泄洪闸、泄洪冲沙闸、进水闸及输沙道等组成。其中：泄洪闸5孔，每孔宽5.0 m，设计流量Q泄=220 m3/s；进水闸3孔，每孔宽4.0 m，设计流量Q引=45 m3/s。

3 金沟河流域泥沙的形成原因及淤积现状

3.1 产沙区域

金沟河流域产沙区主要在金沟河流域管理局渠首至沙湾县温泉一段，全长约34 km，河床坡降大，河床两边山体均为沙石组成，含土量较少，植被非常少，没有较大的灌木类。而且多处山沟交汇，雨水汇集进入河床也带有大量泥沙。而河槽本身的冲刷，包括河底冲刷和河岸冲刷，也是河流泥沙的一个来源。

3.2 泥沙的分类

金沟河流域泥沙主要由推移质和悬移质泥沙组成。推移质粒径分为块石（＞200 mm）、卵石（60～200 mm）和砾石（2～ 60 mm）；悬移质分为砂、粉粒和黏粒，粒径在0.005～2.000 mm不等。金沟河流域管理局泥沙观测因经费不足多次中断观测，因此，金沟河流域泥沙实测资料较为缺泛，根据现有资料分析，金沟河流域推移质年平均输沙量9.25万t，推移质泥沙平均粒径39.8 mm，多年平均输沙总量74.28万t。悬移质泥沙年平均含沙量1.85 kg/m3，最大月平均含沙量221 kg/m3，最小月平均含沙量15.6 kg/m3。悬移质年平均输沙量66.03万t。

3.3 金沟河泥沙特征分析

3.3.1 大河来水量变化很大

根据现有资料分析，金沟河大河来水量由许多因素造成，河水主要来源于天山融化的雪水，这与全年气候变化、天山降雪情况、夏季气温等相关。根据资料记载，金沟河丰水年最大年径流为4.2亿m3/s，枯水年最少年径流2.1亿m3/s。

3.3.2 泥沙的年度变化大

据八家户水文站实测资料，金沟河最大年输沙量216.6万t（1999年），最小年输沙量26.4万t（1965年），多年平均输沙量为74.28万t。输沙量的多少也是由大河来水量决定的。

3.3.3 泥沙年内分配不均，较为集中

根据八家户水文站和渠首站多年实测资料可以看出，沙量主要集中在6～8月，输沙量占全年97.0%，而7月的沙量占全年的55.5%，来沙与来水量成正比。冬季输沙量基本为零。说明，在金沟河流域来水量主要集中在7～8月份，泥沙此时最多。冬季因气温下降，天山不再化雪成水，来水量可忽略不计，仅有温泉常年有5 m3/s左右的水，泥沙启动的就相对少。

4 河流泥沙灾害与防治建议

4.1 明确泥沙运动对河流洪水灾害特性的影响

要充分了解河床常年淤积对河床的影响，主要表现在河床台高，河口变宽，淹没岸堤破坏生态，使更多的泥沙进入河流形成恶性循环。具体包括：河床淤积过程对过洪能力的影响及萎缩性河道演变机理、输水输沙能力的变化规律及防洪对策，人类活动对泥沙淤积规律和行洪能力的影响及防治，高含沙水流形成机理和长距离输送的研究，以及高含沙水流和一般洪水交替作用下的河床演变规律，河道疏浚防洪减淤效果及对环境的影响。

4.2 掌握河流泥沙灾害防治理论与方法

探索泥沙侵蚀规律及防治方法、淤积机理及泥沙灾害防治，研制开发泥沙灾害防治的决策支持信息系统。具体为：坡面泥沙侵蚀规律及其防治方法，泥沙淤积机理及泥沙灾害防治对策，防灾兴利现场试验等。对泥沙运动的基本理论进行深入的研究，理论分析并结合实验解决非平衡输沙、滩槽泥沙交换、分流分沙计算等问题。以先进的泥沙运动理论为基础，进行河流泥沙灾害分析、研究与防治。

5 排沙方法

5.1 多级排沙运行体系

金沟河渠首站的主要任务是防洪、引水和排沙，在多年的运行中，摸索和积累了许多运行经验，形成了对费尔干式渠首独特的运行与排沙体系。

5.1.1 闸前分段式泥沙处理

（1）非常泄洪闸泥沙处理。非常泄洪闸在渠首大闸前200 m处是独立的水工建筑物，有三孔螺杆式启闭机，标准泄洪能力为120 m3/s，当非常溢流堰及非常泄洪闸周边淤积严重影响到泄洪和工程安全时，可以打开此闸门，将非常溢流堰及非常泄洪闸上游较远段泥沙排出，降低河床，确保防洪和工程的安全。（2）渠首大闸排沙。将闸前水位控制在一定高度，降低流速，形成缓流区使推移质泥沙停留在闸前至非常泄洪区域中，还有一部分将会停留在闸前，因闸前有高1.2 m的拦石栅，将推移质泥沙中5 cm以上的大粒径颗粒全部拦在闸前，等闸前淤积一定高度且影响防洪引水安全时，通过泄洪输沙道采取集中水量排沙方式，将闸前段的泥沙输送至下游自然河床内，其目的是确保防洪安全和工程安全，让较少的推移质泥沙进入沉沙池内。这些排沙方式需要在排完泥沙后有足够的水量冲泄洪输沙道，确保前面排出的泥沙全部或大部分不停留在输沙道，或冲到更远的下游河床内，为后期排沙泄洪再做准备。（3）利用多余弃水。闸前保持较低水位长时间通过输沙道排沙，将闸前及更远上游处的泥沙送到下游河床内。

5.1.2 闸后分段式泥沙处理

（1）在进水闸后有880 m长的S曲线沉沙池，其目的是降低流速，让推移质泥沙加快沉降，另外也可以将进入沉沙池中大量悬移质泥沙进行沉淀，每年通过定期机械清淤方式清出沉沙池历年沉积的泥沙。（2）在沉沙池3/4处有1孔底式排沙涡管，其目的是将沉沙池淤积起来的泥沙排出，以减少沉沙池的淤积量。（3）沉沙池后连接引水干渠设有0#冲沙闸，冲沙闸渠底低于干渠底0.8 m，在沉沙池淤积较严重时，可以打开0#冲沙闸，关闭或关小进水截止闸，让沉沙淤积的泥沙从0#冲沙闸泄出，再次做到较少量的泥沙进入干渠和减少沉沙池中的淤积。（4）入渠泥沙处理。在引水干渠上游段300 m内分设有2#、3#、4#渠底式涡管排沙，将进入干渠的较小粒径的泥沙排出，减少泥沙对渠道的磨损。（5）在4#涡管后500 m有末级漏斗排沙，排沙漏斗的工作原理是将水沙分离，在含沙水流进入漏斗后，因漏斗特性使泥沙进入漏斗中心的输沙廊道排出，将涡管漏排泥沙进行拦截[1]。

5.2 泥沙综合利用

泥沙处理一直以来是困绕多泥沙引水渠系的难题，金沟河流域管理处在成功开创多级排沙系统的同时，十分重视对泥沙的综合利用。初步的经验做法有：充分利用涡管等排沙设施，引入项目，开办砂石料场。首先，利用近几年渠道工程改扩建时，在渠首涡管出口处设简易砂石料厂，利用涡管排沙水冲洗泥沙，经筛分后供水利工程建设使用[2]，此措施每年可清除涡管后堆积泥沙1.5万m3以上，生产可用砂石料近万方，经济效率可观；其次，引入砂石料场，通过协议将大渡槽及南五宫水库等处泥沙处理对外承包，使原本需要花费巨资进行清淤的项目变成料场原料基地，一举两得，变废为宝，实现双赢，经济效益可观。

6 结论

本文对金沟河流域泥沙的形成及危害进行简要总结，并根据具体案例分析排沙的方法。金沟河流域管理处渠首枢纽工程投入运行数十年，经过几代的水利工作者不停的探索、验证，积累了较多有效的经验，形成了一套适用于金沟河流域特有的防洪、引水、排沙运行方式。目前我们对水资源和泥沙综合利用的研究仍在初级阶段，如何合理利用水资源保护生态和处理水中的泥沙将是长期研究和思考的课题。

参考文献

[1]周著，侯杰，邱秀云，等.漏斗式全沙排沙技术研究与应用[J].中国三峡建设，2004（5）：55-56.

[2]曹民雄，龙杰.涡管螺悬流排沙技术及应用[J].水利水运科学研究，1997（4）：386-394.