新型分沙装置对头屯河水库入库泥沙影响研究

李虹瑾

(新疆维吾尔自治区水资源中心， 新疆 乌鲁木齐 830000)

头屯河水库位于头屯河干流出山口上游，距乌鲁木齐及昌吉市各约40km。水库于1965年开始修建，1981年主体工程基本建成，1983年10月竣工验收[1]。设计正常蓄水位989.6m，水库泄水涵洞进口高程949.14m，总库容2030万m3，是一座以灌溉为主，兼顾城镇生活、工业供水和防洪等综合利用功能的中型水库[2]。头屯河是一条泥沙含量很高的河流，多年平均含沙量为1.10kg/m3，最大含沙量为186kg/m3(1987年6月7日出现)，加上水库的不合理排沙，致使头屯河水库不断淤积，平均每年淤积量达66.64×104m3，到1999年，头屯河水库总淤积量超过了1400万m3，占原设计库容的70%以上[3]。由此造成了水库严重淤积，不仅导致兴利调蓄能力日益降低，而且危及水库本身防洪安全，直接影响到水库的使用寿命[4]。期间以泄空水力冲刷为主要手段，以蓄清排浑为排沙调度原则[5]，将库容恢复至1500万m3[6]。但洪水期由于含沙量高导致工业用水不能满足水质要求，造成水厂设备损坏；水库泥沙淤积最高时曾造成涵洞被泥沙堵塞，工农业供水中断，致使下游新疆重点企业八一钢铁厂一天损失500余万元。

为延长水利工程的使用寿命，降低下游河道的泥沙危害[7]，解决危害工业园区、下游猛进水库汛期泥沙淤积问题，综合考虑河道排沙率及经济效益，在河道来沙量最大的河段—头屯河水库上游龙口后布置“水力筛网多重分沙装置”[8]。该装置利用水流落差及水流自身的流动性进行连续分沙，将河道(渠道)泥沙分离出来，减少入库泥沙，防止下游河道(渠道)淤积。本文对“水力筛网多重分沙装置”对头屯河水库入库泥沙的影响进行研究。

1 分沙装置简介

1.1 分沙装置布置

分沙装置修建在头屯河水库上游4.56km龙口处，如图1所示[9]。布置在水库拦鱼坎左侧，设一孔冲沙闸。冲沙闸设弧形钢闸门一扇，闸孔尺寸为5m×5.6m，底坎高程为1007.0m。

图1 水力筛网多重分沙装置布置图

1.2 分沙装置原理

分沙装置是利用水流落差及水流自身的流动性进行连续水沙分离。挟沙水流进入分沙装置，通过各级筛网分选出不同粒径的建筑用沙(粗沙、细沙、大石子、小石子)及淤泥，建筑用沙被分离后进入不同的沉沙斗并通过车辆清运，如图2所示，淤泥进入双循环沉淀池后通过装载机清运。分沙后水流都回归原河道，耗水率为零。为了保证洪水期的排沙量，在暗渠上部设置一片立式斜挡板，在进水闸闸前引水明渠一侧设置“退水闸”，控制进入“水力筛网分沙装置”的水量。超过的水量从“退水闸”通过退水渠直接进入原河道中。

图2 沉沙斗分沙装置出运沙过程

引水明渠的水先经过沉沙斗分沙装置分离建筑用沙，最后再进入双循环沉淀池沉淀淤泥。分沙装置沉沙斗从前到后依次为粗沙沉沙斗、细沙沉沙斗、小石子沉沙斗、大石子沉沙斗。含沙水流先从粗细沙筛网上经过，大于粗细沙筛网的含沙水流直接进入后面石子沉沙斗装置中，小于粗细沙筛网的沙从筛网中进入分沙廊道，再进入沙粒沉沙斗装置中。沙粒沉沙斗装置和石子沉沙斗装置不同，由2个沉沙斗组成，沉沙斗之间用斜隔板隔开利于分沙。沙粒分沙廊道直接和粗沙沉沙斗相连，从沙粒分沙廊道分离出来的泥沙(此泥沙挟带水)先进入粗沙沉沙斗，泥沙在沉沙斗中运动后粗颗粒泥沙沉淀到沉沙斗底部，表层较细颗粒泥沙通过斜隔板过滤分选进入细沙沉沙斗中，在细沙沉沙斗中较粗颗粒泥沙由于沉沙斗四周钢板的阻力再次沉淀，经过过滤后的清水从细沙沉沙斗一侧出口进入排水廊道，最终被排入原河道。

大于粗细沙筛网的挟沙水流顺着分沙渠继续下行经过石子沉沙斗装置，小于小石子筛网的泥沙从小石子筛网中穿过，小于小石子筛网的泥沙由于压力差及自重而被吸入小石子沉沙斗装置筛网下的分沙廊道，进入小石子沉沙斗中的泥沙基本不含水，从小石子分沙廊道过滤出来的水直接进入排水廊道，最终被排入原河道中。大于小石子沉沙斗装置筛网粒径的挟沙水流顺着分沙渠继续下行，经过大石子沉沙斗装置中，排沙原理和小石子沉沙斗相同。通过大石子分沙廊道过滤的水直接进入双循环沉淀池，双循环沉淀池在传统沉淀池基础上进行改良，淤泥沉淀在池中，水通过排水廊道排入原河道，达到90%以上的排沙率。分沙装置基本不消耗水，水流均回流入原河道，达到零耗水。水力筛网多重分沙装置可有效地将水流中的泥沙分离出来，排沙效率高，具有选沙、排沙双重功效，不但提高了水利设施的运行年限，还将泥沙多次分选应用于生产中。

2 泥沙分析

2.1 悬移质含沙量

头屯河地处天山北坡中段，径流补给以冰雪融水和降水混合补给为主。制材厂站以上河道纵坡坡降大，水质清洌，水流湍急。上游东南沟汇合口以上河道纵坡降为77.9%，制材厂以上河道纵坡降为53.7%，平均高程为2774m。其上有高山草甸和雪岭云杉广布，还有部分桦树、山杨、白榆树等植物覆盖，水土保持良好，河流泥沙含量小。而制材厂水文站以下存在着几条较大的支流，除东岸的东南沟、谢家沟、小渠子、黑家沟、浅水河和西岸的头屯河、庙尔沟等几条常年流水的支流外，东西两岸还有十多条无名小支流汇入。这些支流特点是源短、坡陡、流急、植被差，一遇暴雨泥水俱下，极容易形成泥石流，是头屯河泥沙的主要产区。统计结果表明，制材厂站多年平均含沙量为1.40kg/m3，哈地坡站多年平均含沙量为3.32kg/m3[10]。制材厂站以下至哈地坡站区间，为山地干草原和半荒漠带，植被稀疏，其间各支流及沿程十多条干沟不时挟带泥沙涌入干流[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厂站大1.4倍就充分说明了这一点。为分析分沙装置安装前后对工业引水渠首下游至进库段的水沙变化情况，对1995—2007年哈地坡站月平均输沙率进行分析。

2.2 输沙量

头屯河泥沙年内分配不均匀，夏季气候干燥，加上地表岩石物理风化强烈，大量冰雪融水和局部暴雨洪水携带大量泥沙，使得夏季输沙量高度集中[12]。连续最大4个月悬移质输沙量出现在4—7月、5—8月或6—9月，其输沙量占年输沙量的97.7%以上。最大月平均含沙量、输沙量出现在7月份；最小月平均含沙量、输沙量出现在1月份或12月份。最大月平均含沙量和输沙量为最小月平均含沙量和输沙量的几十倍，见表1。

表1 悬移质泥沙含沙量和输沙量统计表

头屯河制材厂站的输沙量年内分配极不均匀，汛期输沙量占年输沙量的90%以上，这与汛期径流量集中以及补给形式都有很密切的关系[13]。制材厂站多年平均输沙量为33.4×104t，历年最大年输沙量是1996年，为183×104t；最小年输沙量是1985年，为5.36×104t。哈地坡站多年平均输沙量为87.8×104t，是制材厂站2.6倍。从以上数据中可以得出：头屯河流域的泥沙主要来源于制材厂站以下至哈地坡站区间流域。制材厂站输沙率月、年变化情况见表2。

表2 头屯河制材厂站输沙量年际变化统计表 单位：×104t

由于制材厂站泥沙资料系列较短，只能利用现有数据进行分析。从分析结果看，制材厂站的输沙量不论是年内变化，还是年际变化都很大。在年内，多年最大月输沙量与最小月输沙量比值高达4747倍；在年际间，最大年与最小年输沙量比值也达到34倍，见表2。输沙量的这种变化，对下游水利工程、工农业用水及人畜饮水都将带来很多问题，而且这些泥沙沉积在河道中，阻碍安全泄洪，并危及下游城乡安全，必须给予高度的重视。

为分析“水力筛网多重分沙装置”安装前后水库淤积的减少量，并与出库沙量进行比较，本研究对1995—2007年头屯河水库出库断面输沙量进行了分析，其月平均输沙量见表3(仅列最大年输沙量出现月份5—8月)。

表3 头屯河水库出库断面月平均输沙量 单位：×104t

3 结果与讨论

3.1 含沙量对比

哈地坡站位于头屯河水库上游约4.0km处，而“水力筛网多重分沙装置”位于头屯河水库上游约4.56km处，二者距离仅数百米，因此本研究将哈地坡站所测输沙率、含沙量等水文数据近似当作龙口处水文数据资料。

为分析“水力筛网多重分沙装置”运行前后工业引水渠首至进库段含沙量的变化，本研究主要将哈地坡站1995—2007年所测月平均输沙率做两阶段分析处理，1995—1998年近似龙口处未安装该装置时的情况，1999—2007年为已安装该装置后的情况。

根据哈地坡站1995—2007年输沙率，计算出逐年输沙量，计算结果如图3所示。

图3 哈地坡站1995—2007年输沙量统计图

经计算可知，1995—2007年进库站的平均输沙量为135.7×104t，且1998年后(安装了“水力筛网多重分沙装置”)绝大部分进库泥沙量大幅度减少。1995—1998年年入库泥沙量平均为171.3×104t，而1999—2007年入库泥沙量平均值为113.5×104t。比较安装分沙装置前后泥沙量，可得出该分沙装置年平均减少入库泥沙量为57.8×104t。考虑到库区为侵蚀性山区河段，取推移质输沙量占悬移质输沙量的12%[14]，则年平均推移质输沙量减少6.9×104t，因此年平均减少输沙总量为64.7×104t。而5—8月份径流量占年径流量的83.6%，输沙量占年输沙量的96.8%。故5—8月推移质输沙量减少6.68×104t，减少输沙总量为62.6×104t。

根据当地该分沙装置多年实际运行情况统计，自该装置1999年投入使用以来，多年平均分离沙砾石量约5万m3，其中粗细沙2万m3，砾石3万m3，多年平均清淤量6万～8万m3。分离出细沙、砾石、淤泥质量计算成果见表4。

表4 分离出细沙、砾石、淤泥质量计算成果见表

排沙清淤运行期为除冬季以外全年运行，而沙石料主要生产期为5—8月。故水力筛网多重分沙装置过滤掉的砾石与占入库推移质减少量的72%～81%。而分离过滤的总沙石量约占减少的输沙量的29%～41%。由此说明水力筛网多重分沙装置可将水库上游来水中的泥沙分选出来，有效减少泥沙入库量，减少水库泥沙淤积，提高水库有效库容，具有减少水库排沙压力，延长水库运行寿命等诸多优点。

3.2 水库年淤积量对比

头屯河水库库内淤积严重，库容减小的速度非常快。头屯河水库自1971年开始蓄水运行，至1979年，水库淤积量达362.7×104m3；1980—1989年10年期间，水库又淤积了486.7×104m3；到1999年，水库累计淤积量达1866×104m3，库容只剩626.55×104m3；1971—1999年，平均每年淤积量66.643×104m3(见表5)，如果泥沙淤积继续按此速度发展，剩余库容将在不到10年的时间内消失。

表5 头屯河水库泥沙淤积量统计表 单位：×104m3

泥沙含量大造成洪水期供应的工业用水不满足水质要求，造成水厂设备损坏，使水厂运行瘫痪甚至全面停产。水库平均淤积高程达984m，涵洞进口处淤积高度达30m左右，迫使水库逐年抬高汛期运用水位，拦蓄效益和防洪标准大大降低，并几次造成涵洞被泥沙堵塞，工农业供水中断。

结合已搜集到的1995—2007年出库段月均输沙率资料，计算出库段年输沙量，并与进库段(哈地坡站)输沙量资料进行对比，其对比结果如图4所示。

从图4中实测数据可看出，1999年之前，进库段泥沙量均大于出库段泥沙量，而1999年之后，出库段泥沙量均大于进库段泥沙量，其中以1999年出库泥沙量最大。

图4 进库泥沙量与出库泥沙量对比图

尽管利用水位运行冲沙、高渠冲沙、机械结合水力冲沙等清淤方法进行清淤，在一定程度上延长水库运行寿命，提高水库的防洪标准[15-16]。但是频繁清淤的费用相当昂贵，且在水库清淤向下游排沙期间对下游河道尤其是灯笼渠渠首产生了较严重的影响，下游河道含沙量邹然增大，在一定程度上破坏了河流的生态环境。并且清淤过程中也增加了沿程水利设施(头屯河水库、头屯河渠首、灯笼渠渠首)等的磨损，在一定程度上是降低了该类水利设施的使用寿命。

根据上文所述，1999年前水库以平均每年淤积量66.643×104m3的速度淤积。若将淤积物按淤泥处理，取其密度为1.8～2.1m3/kg，经计算，每年淤积量为(119.95～139.95)×104t，而通过上文分析可知，分沙装置在龙口处每年可减少入库泥沙量为(18.4～25.6)×104t。该分沙装置安装后不仅有效减少入库泥沙量，而且可减少水库进行冲沙、排沙的频率，即带来了可观的经济效应，又能在一定程度上延长头屯河水库等水利设施的使用寿命，并且不因排沙而对水库下游产生生态损失，可谓是一举多得。

4 结论

水力筛网多重分沙技术将河道中的泥沙分离出来，防止下游河道(渠道)淤积，又不侵占扰乱原河道(渠道)。分沙装置可分选水库上游河道中的泥沙，有效减少泥沙入库量，减少水库泥沙淤积，提高水库有效库容，减少水库排沙压力，延长水库寿命。对比分析分沙装置在头屯河水库上游应用前后入库泥沙量，该分沙装置年均减少淤积量(18.4～25.6)×104t，减少了水库排沙、冲沙的频率，有效地减少了水利设施的机械磨损，延迟了其使用寿命。在部分泥沙淤积较严重的区域，该技术还可清除淤泥。特别是对具有供水任务的水库，可起到水环境治理和生态修复作用。