【摘要】進(jìn)入 20世紀(jì) 9O年代以來(lái)，我國(guó)洪水災(zāi)害造成的損失令人觸目驚心 ，洪澇災(zāi)害造成的損失逐年增加。這些災(zāi)害的發(fā)生，除了防洪意識(shí)、防洪管理和防洪工程建設(shè)方面尚存欠缺外，造成江河災(zāi)害的直接原因 主要是流域水土流失使得大量泥沙進(jìn)入河道 ：泥沙災(zāi)害使得洪水推進(jìn) 速度明顯減慢、河湖蓄滯洪水的能力減弱。為此對(duì)泥沙的研究刻不容緩，本文將就泥沙的危害進(jìn)行簡(jiǎn)要敘述，同時(shí)根據(jù)具體案例分析排沙的方法.

【關(guān)鍵詞】泥沙處理；引水排砂研究；泥砂的危害與利用

1、前言

1.1 研究背景

進(jìn)入 20世紀(jì) 9O年代以來(lái)，我國(guó)洪水災(zāi)害造成的損失令人觸目驚心 ，洪澇災(zāi)害造成的損失逐年增加。這些災(zāi)害的發(fā)生，除了防洪意識(shí)、防洪管理和防洪工程建設(shè)方面尚存欠缺外，造成江河災(zāi)害的直接原因 主要是流域水土流失使得大量泥沙進(jìn)入河道 ：泥沙災(zāi)害使得洪水推進(jìn) 速度明顯減慢、河湖蓄滯洪水的能力減弱。為此對(duì)泥沙的研究刻不容緩，本文將以金溝河流域管理處渠首站進(jìn)行研究，其位于新疆維吾爾自治區(qū)砂灣縣安集海元新宮上游9公里處，始建于1960年，是典型的費(fèi)爾干式引水樞紐，兼具防洪、引水、排砂等多重功能。因河道泥砂淤積等問(wèn)題工程歷經(jīng)多次改擴(kuò)建。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)河流湖泊泥沙淤積也是不容樂(lè)觀的。因社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)河流的依賴(lài)是有增無(wú)減，這樣就對(duì)河流形成了干擾，生態(tài)環(huán)境也受到了不同程度的破壞，特別是河流上大興水利工程，破壞了河流自然流態(tài)，在加上人們對(duì)河流內(nèi)洪水的防治，生態(tài)發(fā)生了很大變化，泥沙淤積也發(fā)越來(lái)越嚴(yán)重，現(xiàn)國(guó)家、科研人員也開(kāi)始關(guān)注和反思大興水利時(shí)，是否可以讓生態(tài)也健康發(fā)展。

1.3 研究意義

近年來(lái)我國(guó)洪水災(zāi)害造成的損失令人觸目驚心 ，洪澇災(zāi)害造成的損失逐年增加。這些災(zāi)害的發(fā)生，除了防洪意識(shí)、防洪管理和防洪工程建設(shè)方面尚存欠缺外，造成江河災(zāi)害的直接原因 主要是流域水土流失使得大量泥沙進(jìn)入河道 ：泥沙災(zāi)害使得洪水推進(jìn)速度明顯減慢、河湖蓄滯洪水的能力減弱。因此造成人們財(cái)產(chǎn)的損失。為此對(duì)此研究將有助于社會(huì)的穩(wěn)定，人們的安全保障人們安居樂(lè)業(yè)，保障經(jīng)濟(jì)的快速可持續(xù)發(fā)展。

2、河流泥沙的簡(jiǎn)述

2.1河流泥沙概念與含沙量的分布

河流泥沙是指河水挾帶的巖土顆粒。泥沙輸運(yùn)是河流中重要的水文現(xiàn)象。它對(duì)于河流的變遷 有重大的影響。泥沙按輸移特性分為推移質(zhì)和懸移質(zhì)。在懸移質(zhì)泥沙中，部分細(xì)顆粒泥沙隨水流一瀉千里，不在河槽中沉降，不參與河床泥沙的交換，稱(chēng)沖瀉質(zhì)或非造床質(zhì)，其余較粗顆粒則參與河床泥沙的交換季沖淤變化，稱(chēng)為床沙質(zhì)或造床質(zhì)。推移質(zhì)一般僅占懸移質(zhì)泥沙的 5%～10%，在山區(qū)河流，有時(shí)可占10%～20%或更多。單位體積渾水中所含泥沙的數(shù)量稱(chēng)含沙量。河流含沙量隨時(shí)問(wèn)而變化。一年中最大含沙量出現(xiàn)在汛期，最小含沙量在枯水期。在一次洪水過(guò)程中，最大含沙量稱(chēng)沙峰。沙峰不一定與洪峰同時(shí)出現(xiàn)，一年中首場(chǎng)大洪水的沙峰常比洪峰出現(xiàn)早，以后則可能同時(shí)出現(xiàn)，也可能沙峰滯后于洪峰。含沙量沿水深的分布，通常在水面處最小，河底處最大。懸移質(zhì)中粗粒泥沙含量近河底很大。自河底向上則急劇減小。較細(xì)的顆粒，如粉沙和粘土，沿水深的分布則較均勻。

2.2 河流泥沙的運(yùn)動(dòng)

2.2.1 泥沙的起動(dòng)

泥沙在一定水流條件下由靜止轉(zhuǎn)入運(yùn)動(dòng)。促使水平河床上的泥沙顆粒起動(dòng)的力有上舉力和推移力等。顆粒抗拒起動(dòng)的力有重力、顆粒間的摩擦力和物理化學(xué)作用引起 的粘結(jié)力等。當(dāng)起動(dòng)的力大于抗拒起 動(dòng)的力時(shí)，泥沙便由靜止轉(zhuǎn)入運(yùn)動(dòng) 。泥沙起動(dòng)的水流條件用起動(dòng)流速 或起動(dòng)拖 曳力表示。起動(dòng)流速指 泥沙由靜止到起動(dòng)的臨界狀態(tài)下的沿?cái)嗝婊虼咕€的平均流速 。起動(dòng)拖 曳力指泥沙處于起動(dòng)臨界狀態(tài)下的床面剪切力。無(wú)粘性均勻沙起動(dòng)流速與泥沙粒徑成正比。粘性細(xì)泥沙起動(dòng)流速與粒徑成反比。

2.2.2 沙波運(yùn)動(dòng)

當(dāng)流速超過(guò)起動(dòng)流速一定程度，推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)達(dá)到一定規(guī)模時(shí)。河床表面形成起伏的沙波 。沙波運(yùn)動(dòng)是推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的主要形態(tài)。沙波由波峰、波谷和波高等組成。相鄰兩波峰之間的長(zhǎng)度稱(chēng)為波長(zhǎng).波峰與波谷之間的垂直距離稱(chēng)為波高。天然河道上沙波的尺度大小很不一致水流越過(guò)波峰以后，常常發(fā)生分離現(xiàn)象，產(chǎn)生水平軸向的回流，使沙波表面附近的流速成為負(fù)值。這樣的流態(tài)使沙波迎流面成為沖刷區(qū)。背流面成為淤積區(qū)，綜合作用結(jié)果使整個(gè)沙波向下游爬行。

2.2.3水流挾沙力

指在一定的水流和一定的河床物質(zhì)組成條件下水流所能挾帶的泥沙數(shù)量，即水流挾帶泥沙的能力。當(dāng)水流挾帶的泥沙量超過(guò)挾沙能力時(shí)。河段將發(fā)生淤積。反之發(fā)生沖刷。水流挾沙力是分析河流淤積、沖刷或平衡的重要依據(jù)。水流挾沙力分為推移質(zhì)挾沙力和懸移質(zhì)挾沙力兩類(lèi) 。

2.2.4 高含沙水流

高含沙水流是指含沙量達(dá)到每立方米數(shù)百千克以至 1000千克以上的水流。高含沙水流有兩種流態(tài)。一種是高強(qiáng)度的紊流，發(fā)生在比降大、流速高的情況，那里水流洶涌，大尺度和小尺度紊動(dòng)都得到 比較充分的發(fā)展。另一種流態(tài)發(fā)生在比降小、流速低的情況，水流十分平緩，有時(shí)水面呈現(xiàn)幾毫米至 1～2厘米的清水層，清水層下為濃稠的泥漿。水流中保持著強(qiáng)度低而尺度大的漩渦，近似層流。高含沙紊流挾沙能力特別大，因?yàn)槿后w沉降速度遠(yuǎn)比單粒泥沙的低，紊動(dòng)作用強(qiáng)烈。高含沙水流含沙量的沿垂線分布和橫向分布遠(yuǎn)比一般挾沙水流均勻。當(dāng)高含沙水流進(jìn)入下游河段流速變緩時(shí)，往往造成大量淤積。還時(shí)常出現(xiàn)因高含沙水流引起揭河底和漿河現(xiàn)象 。揭河底現(xiàn)象指大片沉積物從河床掀起，有的露出水面，然后坍落、破碎 、被水流帶走。這樣強(qiáng)烈的沖刷在幾小時(shí)到幾十小時(shí)內(nèi)。可使河床降低1米至近10米。造成沖刷性的河床突變。這種河床突變多發(fā)生在汛期頭幾天較大洪水的漲峰過(guò)程或峰頂時(shí)。漿河現(xiàn)象指當(dāng)水流能量不足以繼續(xù)帶動(dòng)所挾帶的泥沙前進(jìn)時(shí)，一河泥漿驟然停止，造成淤積性質(zhì)的河床突變。兩種現(xiàn)象都嚴(yán)重影響防洪。

3、河流泥沙災(zāi)害與防治的建議

3.1 明確泥沙運(yùn)動(dòng)對(duì)江河洪水災(zāi)害特性的影響

高含沙水流形成機(jī)理和長(zhǎng)距離輸送的影響因素、河道疏浚防洪減淤效果及對(duì)環(huán)境的影響，以及水沙變化對(duì)河口萎縮的作用機(jī)理及防治措施。具體包括；河床淤積過(guò)程對(duì)過(guò)洪能力的影響及萎縮性河道演變機(jī)理、輸水輸沙能力的變化規(guī)律及防洪對(duì)策，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)泥沙淤積規(guī)律和行洪能力的影響及防治，高含沙水流形成機(jī)理和長(zhǎng)距離輸送的研究，以及高含沙水流和一般洪水交替作用下的河床演變規(guī)律，河道疏浚防洪減淤效果及對(duì)環(huán)境的影響。

3.2 了解泥沙運(yùn)動(dòng)對(duì)江河洪水調(diào)節(jié)能力的影響

要以土地利用對(duì)洪水調(diào)節(jié)能力及下游河道淤積與行洪能力的影響為研究對(duì)象，將河網(wǎng)資料分析及概化模型試驗(yàn)結(jié)合起來(lái)。據(jù)此研究泥沙運(yùn)動(dòng)對(duì)江河洪水調(diào)節(jié)能力的影響問(wèn)題，為蓄滯洪區(qū)的治理提供科學(xué)依據(jù)。具體包括：蓄滯洪區(qū)泥沙淤積對(duì)下游河道淤積及泄洪能力的影響，蓄滯洪區(qū)土地利用對(duì)防洪調(diào)節(jié)能力的影響。蓄滯洪區(qū)泥沙淤積及土地利用對(duì)洪水的影響。防治洪水和泥沙災(zāi)害的對(duì)策。

3.3掌握江河泥沙災(zāi)害防治理論與方法

以江河泥沙災(zāi)害防治研究為目標(biāo)，以多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)的方式。探索泥沙侵蝕規(guī)律及防治方法、淤積機(jī)理及其泥沙災(zāi)害防治：研制和開(kāi)發(fā)泥沙災(zāi)害防治的決策支持信息系統(tǒng)。具體方向?yàn)椋浩旅婺嗌城治g規(guī)律及其防治方法，泥沙淤積機(jī)理及泥沙災(zāi)害防治對(duì)策，防災(zāi)興利現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等。要對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)的基本理論進(jìn)行深入的研究，理論分析并結(jié)合實(shí)驗(yàn)解決非平衡輸沙、灘槽泥沙交換 、分流分沙計(jì)算等問(wèn)題。以先進(jìn)的泥沙運(yùn)動(dòng)理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行江河泥沙災(zāi)害分析、研究與防治。

4、以具體案例分析排砂方法

4.1 工程簡(jiǎn)介

金溝河流域管理處渠首站位于新疆維吾爾自治區(qū)砂灣縣安集海元新宮上游9公里處，始建于1960年，是典型的費(fèi)爾干式引水樞紐，兼具防洪、引水、排砂等多重功能。樞紐布置采用側(cè)面引水，正面排砂，約成L形，經(jīng)多次改擴(kuò)建達(dá)到現(xiàn)狀?，F(xiàn)狀渠首樞紐工程主要由上下游導(dǎo)流堤、非常溢流堰及匯洪閘、泄洪沖砂閘、進(jìn)水閘及束水排砂道等組成。其中泄洪沖砂閘5孔，單孔寬5.0m，設(shè)計(jì)流量Q泄=220 m3/s；進(jìn)水閘3孔，單孔寬4.0m，設(shè)計(jì)流量Q引=45m3/s。在進(jìn)水閘后有880m長(zhǎng)的曲線沉砂池，在曲線沉砂池的末端設(shè)6孔排砂廊道，沉砂池后連引水干渠，引水干渠前段部位依次設(shè)排砂渦管3個(gè)、排砂漏斗1個(gè)。。因河道泥砂淤積等問(wèn)題工程歷經(jīng)多次改擴(kuò)建。

4.2 渠首泥砂淤積現(xiàn)狀及觀測(cè)

4.2.1金溝河泥砂觀測(cè)

金溝河屬多泥砂河流，泥砂主要來(lái)源于降水匯流對(duì)流域面的侵蝕及水流對(duì)河道的沖刷兩部分。金溝河流域泥砂實(shí)測(cè)資料較為缺泛，渠首泥砂觀測(cè)一度中斷，根據(jù)歷史實(shí)測(cè)泥砂資料分析，金溝河懸移質(zhì)年平均含砂量1.85kg/m3，最大月平均含砂量221kg/m3，最小月平均含砂量15.6kg/m3。懸移質(zhì)年平均輸砂量66.03萬(wàn)噸。推移質(zhì)年平均輸砂量9.25萬(wàn)噸，推移質(zhì)平均粒徑39.8mm。多年平均輸砂總量74.28萬(wàn)噸。

4.2.2 金溝河泥砂特征分析

泥砂的年際變化很大。據(jù)八家戶(hù)站實(shí)測(cè)資料，最大年輸砂量216.6萬(wàn)t（1999年），最小年輸砂量26.4萬(wàn)t（1965年），多年平均為74.28萬(wàn)t。此外泥砂的年內(nèi)分配集中。實(shí)測(cè)6年資料中6～8月輸砂量占97.0%，而7月就占全年的55.5%，來(lái)砂與來(lái)水成正比。冬季輸砂量基本為零。

4.3 渠首現(xiàn)狀泥砂處理及綜合利用

4.3.1 三級(jí)排砂運(yùn)行體系

金溝河渠首站主要承擔(dān)防洪、引水、排砂等作用，在多年的引水及泥砂處理中，渠首站積累了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)，形成了獨(dú)特的排砂運(yùn)行體系。主要體現(xiàn)在：（1）閘前泥砂處理，首先通過(guò)閘前攔石柵，將推移質(zhì)中大粒徑的給攔在閘前；其次通過(guò)泄洪沖砂閘采取長(zhǎng)排方式將閘前的泥砂集中輸送至下游；第三，利用多余棄水長(zhǎng)小流量長(zhǎng)時(shí)間將置留輸砂道內(nèi)泥砂送出；（2）閘后泥砂處理，首先在進(jìn)水閘后有880m長(zhǎng)的曲線沉砂池，可以將入池泥砂沉淀在沉砂池中，每年通過(guò)定期機(jī)械清淤方式清出；其次在引水運(yùn)行期通過(guò)沉砂池中下段所設(shè)沖砂閘及排砂廊道將池內(nèi)泥砂排出，以減少沉砂池淤積量；（3）入渠泥砂處理，首先利用在沉砂池末設(shè)置的排水閘，在水量充足時(shí)開(kāi)啟達(dá)到?jīng)_砂效果；其次在引水干渠上游段400米內(nèi)分設(shè)有2#、3#、4#渦管用于排砂；最后在干渠節(jié)制閘后設(shè)末級(jí)漏斗排砂，將渦管漏排泥砂全部攔截。

4.3.2 泥砂綜合利用

泥砂處理一直以來(lái)是困繞多泥砂引水渠系的難題，金溝河流域管理處在成功開(kāi)創(chuàng)三級(jí)排砂系統(tǒng)的同時(shí)，十分重視對(duì)泥砂的綜合利用。初步的經(jīng)驗(yàn)做法有：充分利用渦管等排砂設(shè)施，引入項(xiàng)目，開(kāi)辦砂石料場(chǎng)。首先，利用近幾年渠道工程改擴(kuò)建時(shí)機(jī)，在渠首渦管出口處設(shè)簡(jiǎn)易砂石料廠，利用渦管排砂水沖洗泥砂，經(jīng)篩分后供水利工程建設(shè)使用，此措施每年可將清除渦管后堆積泥砂1.5萬(wàn)立方米以上，生產(chǎn)可用砂石料近萬(wàn)方，經(jīng)濟(jì)效率可觀；其次，引入砂石料場(chǎng)，通過(guò)協(xié)議將大渡槽及南五宮水庫(kù)等處泥砂處理對(duì)外承包，使原本需要花費(fèi)巨資進(jìn)行清淤的項(xiàng)目變成料場(chǎng)原料基地，一舉兩得，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)雙羸，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

5、結(jié)論

本文就泥沙的危害進(jìn)行簡(jiǎn)要敘述，同時(shí)根據(jù)具體案例分析排沙的方法. 為此對(duì)此研究將有助于社會(huì)的穩(wěn)定，人們的安全保障人們安居樂(lè)業(yè)，保障經(jīng)濟(jì)的快速可持續(xù)發(fā)展。對(duì)此的研究還有很長(zhǎng)的路要走！正如案例分析一樣，金溝河流域管理處渠首樞紐工程投入運(yùn)行60多年間，經(jīng)過(guò)數(shù)代的水利工作者不停的探索、驗(yàn)證，積累了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)，形成了一套適用的、獨(dú)有的引水排砂運(yùn)行方案，在泥砂處理及綜合運(yùn)用中進(jìn)行了有益的探索。三級(jí)泥砂處理體系的運(yùn)用和泥砂綜合利用的研究仍然是今后多泥砂河流渠系引水工程重點(diǎn)研究的課題，需要不斷的探索和思考。

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