头屯河水力筛网多重分沙装置原理及效益分析

李虹瑾

(新疆维吾尔自治区水资源中心，新疆 乌鲁木齐 830000)

河流泥沙是反映流域水土流失严重程度和河川径流质量的重要指标，是合理开发利用地表水资源，设计、建设各类水利设施所必须考虑的一个重要因素[1]。新疆河流泥沙的季节变化很大，其变化过程与流量过程大体相对应，尤其是塔里木盆地周边的河流和天山北坡部分河流，在汛期由于高山冰川融水强烈会产生冰川泥石流以及中、低山带的暴雨洪水泥石流，致使洪水期河流含沙量特别大。由新疆主要河流年、月平均含沙量统计可以看出，秋、冬季含沙量较小，冬季径流为地下水补给时含沙量更小，甚至接近于零，春、夏季含沙量普遍较高，形成春、夏季两个高含沙过程，尤以夏季洪水时最高[2]。泥沙的年际变化远大于径流量的年际变化，一般河流输沙量的变差系数比径流量的变差系数大得多[3-4]。河流含沙量是反映河流挟沙能力和流域抗侵蚀能力的综合性指标。新疆范围内各流域植被覆盖率、地理情况，以及气候条件存在较大差异，各河流含沙量相差较大。南疆河流含沙量普遍较大，北疆河流含沙量较小。北疆的阿尔泰山区是全疆河流含沙量的低值区；昆仑山和阿尔金山北坡是全疆河流含沙量的高值区。根据对不同时段河流悬移质输沙量模比系数的分析可以看出，20世纪90年代以来，河流输沙量呈明显增多的趋势。新疆大多数河流均发源于高山冰川区，常有冰川泥石流将卵、砾石等冰积物带入上游河道，而在流经浅山地带时，又常有暴雨洪水泥石流汇入，将砾石、砂石及泥土带入河道，在水力推动下，源源不断地将山地河流中的卵、砾石推移质输移至河流出山口以下，易产生河道侵蚀、洪水灾害加剧、水库淤积严重、水利设施损坏、下游土地沙化等一系列问题。如何解决上述问题，是新疆水资源利用过程中必须面对的棘手问题。

头屯河属北疆代表性多沙河流，是乌鲁木齐市和昌吉市的界河，发源于天山山脉中部的喀拉乌成山北坡，属山溪性河流，由南向北流入准噶尔盆地古尔班通古特沙漠，最终消失在沙漠。河流长度190km，流域面积2885km2。在头屯河中游地带，位于山坡上的松散堆积物稳定性差，当大量雨水渗入松散堆积物中时，处于极限平衡状态的崩塌体、坍塌体和滑坡体便逐渐饱和，容重增加，自重加大，崩滑体与滑床之间的摩擦系数减小，抗震强度降低，从而平衡状态被破坏，并在重力作用下产生向下的运动，形成崩塌和滑坡。而位于主河两侧的岸坡，坡度陡峭，沿临空面一侧河水冲蚀、淘挖，在重力作用下或暴雨激发下产生坡体的崩滑运动，大量的崩滑物进入沟内，成为河道产沙的物质来源。头屯河多年平均径流量2.41亿m3[5]，多年平均含沙量1.1kg/m3，历年最大含沙量186kg/m3(1987年6月7日)。

含沙量较高是困扰头屯河水资源利用多年的老问题。头屯河制材厂站至哈地坡站之间的地段为主要产沙区。制材厂站多年平均输沙量为33.4万t，历年最大年输沙量为1996年的183万t，最小年输沙量为1985年的5.36万t；哈地坡站多年平均输沙量为87.8万t，是制材厂站的2.6倍。头屯河泥沙主要以悬移质泥沙为主，泥沙粒径较小，不易下沉，大部分悬移质泥沙到达头屯河水库库区并沉降，形成水库淤积(见表1)[3]。截至1998年，水库有效库容淤积量已超过75%，水库功能急剧降低[5]，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，曾致八钢一天损失500万元。如果泥沙淤积继续按此速度发展，剩余库容将会在短时间内消失。

为解决头屯河流域泥沙淤积问题，1999年在头屯河水库上游修建水力筛网多重分沙装置。该装置的修建，减少了下游河道泥沙含量，对减少头屯河水库泥沙淤积、降低八钢供水泥沙含量发挥了重要的作用。本文对“水力筛网多重分沙装置”应用及效益进行分析研究。

1 水力筛网多重分沙技术简介

河道(渠道)水力筛网多重分沙技术指在河道(渠道)一侧通过安装“水力筛网多重分沙装置”[7]，将河道(渠道)的泥沙自动分选出来，直接应用于生产中(如建筑、装修)，不必二次筛分。

分沙装置修建在头屯河水库上游4.56km龙口处，布置在水库拦鱼坎左侧，设一孔冲沙闸(见图1)。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

1.1 分沙装置原理

该分沙技术利用水流落差及水流自身的流动性分沙原理进行连续分沙。利用地势将挟沙水流引入水力筛网多重分沙装置，利用不同流速下河水挟沙能力的特性，配合不同孔径的筛网，逐级分选出不同粒径的砂石(见图2～图3)。

图2 水力筛网多重分沙装置平面布置及剖面

图3 水力筛网多重分沙装置分级筛选工艺流程

挟沙水流通过各级筛网分选出不同粒径的泥沙，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。特别是洪水期，多余的水从退水闸通过退水渠被排出后直接进入原河道中。

引水明渠的水先经过沙粒沉沙斗装置，挟沙水流从粗细沙筛网上经过，大于沙粒筛网的泥沙随着水流直接进入后面小石子沉沙斗装置中，小于沙粒筛网的泥沙(一般为小于8mm粒径的泥沙)从沙粒筛网中进入沙粒分沙廊道，泥沙顺着沙粒分沙廊道进入沙粒沉沙斗装置中。沙粒沉沙斗装置和小石子沉沙斗装置不同，由两个沉沙斗组成，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，较粗颗粒泥沙运动后，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，达到零耗水。

大于沙粒筛网的挟沙水流顺着分沙渠继续下行，经过小石子沉沙斗装置。小于小石子筛网的泥沙从小石子筛网中穿过，小石子分沙廊道中无水正常大气压与上层小石子筛网上的水流产生压力差，由此产生吸力，加之泥沙自身的重力等多重水力，小于小石子筛网的泥沙被吸入小石子沉沙斗装置筛网下的分沙廊道，进入小石子沉沙斗装置的泥沙基本不含水，从小石子分沙廊道过滤出来的水直接进入排水廊道，最终被排入原河道或原渠道中。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，排沙原理和小石子沉沙斗装置相同。在大石子沉沙斗装置中，通过大石子分沙廊道过滤的水直接进入排水廊道排入原河道，达到90%以上的排沙率。本分沙装置基本不消耗水，水流均回入原河道。

1.2 装置组成部分及功能简介

因产沙的复杂性，水力筛网多重分沙装置在设计时，根据工程需要设计不同的沉沙斗分离不同的砂砾石。水力筛网多重分沙装置各组成部分的功能如下：

a.引水明渠：在河道一侧设置引水明渠，主要是将需要水沙分离的挟沙水流引入水力筛网多重分沙装置中。引水明渠前根据工程需要设置格栅(主要是过滤杂物)。格栅后连接一段暗渠(暗渠上部有一立式斜挡板)，暗渠后连接引水明渠(见图4)。

图4 引水明渠

b.沉沙斗装置：每个型号的筛网、分沙廊道、排水廊道自动组成一套独立的沉沙斗装置(见图5)。可根据工程需要搭配、组合使用。本工程有4个沉沙斗装置，粗沙沉沙斗和细沙沉沙斗可分离粗沙、细沙；小石子沉沙斗可分离小石子；大石子沉沙斗可分离大石子。

图5 沉沙斗装置

c.筛网：根据工程实际需要，在每个沉沙斗装置安装不同孔径的筛网，筛选符合工程需要及要求的沙石进入不同的分沙廊道。

d.分沙廊道：从筛网分选的沙石进入分沙廊道，通过分沙廊道进入不同的沉沙斗中。

e.排水廊道：水流挟带泥沙从不同的筛网进入不同的分沙廊道，多余的水会从分沙廊道中通过特殊设置自动进入排水廊道中。

f.排水渠：经过分沙后的所有排水廊道的清水，最终通过排水渠排入原河道中。

1.3 装置运行方式

挟沙水流通过引水渠进入分排沙段，分排沙段将水中泥沙分选至沉沙斗装置，排沙后的水流通过退水渠回归原河道。分排沙段设有粗砂、细砂、砾石不同的筛分段及对应的沉沙斗；当沉沙斗沙石料装满后，车辆直接开至沉沙斗下方，打开阀门后可直接装运。

2 分沙装置排沙、分沙效果

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。该分沙装置在头屯河上运行20年，其主要排沙、分沙运行效果见图6～图10。

图6 分沙装置引水口位置

图7 分沙渠的挟沙水流

图8 粗沙沉沙斗出沙效果1

图9 粗沙沉沙斗出沙效果2

图10 粗沙沉沙斗出沙效果3

从图6、图7可以看出，分沙装置依河而建，利用地势将挟沙水流引入水力筛网多重分沙装置。通过分沙装置选沙、排沙的双重功效，根据工程需要将水流中的砂砾石分选为粗砂、细砂、小石子和大石子四类，应用于生产中。该分沙装置的四个沉沙斗排出的砂砾石干净，粒径统一符合工程需要，可直接应用。

3 效益分析

3.1 清淤效益

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，多年平均分离砂砾石量约5万m3，其中粗细砂2万m3，砾石3万m3，多年平均清淤量6万～8万m3(见表2)，在一定程度上减少了水库排沙、冲沙的频率，有效减少了水利设施的机械磨损，延长了其使用寿命。且通过清淤，减缓了头屯河水库淤积和八钢供水管道的泥沙淤积问题，减少了供水厂设施的磨损。

表2 分离出细砂、砾石、淤泥质量计算成果

若按照5～6元/m3支付清淤费，每年可获得清淤费约30万～50万元。

3.2 经济效益

该装置每年能从研究段拦截砂砾石量约5万m3，其中粗细砂约2万m3，砾石约3万m3，其中洪水期6～8月产砂量最大，产砂、砾量可达70m3/h。所得砂、砾料等又可作为建筑材料，产生较大经济价值。将当地粗细砂按照60元/m3、砾石按照20元/m3计算，年获利可达180万元左右(见表3)。

表3 经 济 效 益

3.3 社会效益及生态效益

在水库上游、渠首、景观渠道上修建该装置，产生的社会效益及生态效益如下：

该技术应用于水库上游，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，具有减少水库排沙压力、延长水库寿命等诸多优点。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。

该技术应用于引水枢纽(渠首)，可分选上游的泥沙，减少泥沙入渠量，减轻渠道的泥沙淤积和磨损，提高水力设施运行年限，缓解土地沙化等问题，变害为利，造福农牧民。

该技术应用于景观河道上，可减少河水泥沙量，有效改善城市生态环境。

4 结 论

河道(渠道)水力筛网多重分沙装置结构合理，适用性强，运行效果好，在不破坏原始河道(河床)、渠道的前提下，有效地将水流中的泥沙分离出来，排沙率高达90%以上，基本不耗水；减少泥沙淤积，提高了水利设施的运行年限。该装置具有排沙和选沙双重功效，自动分离出符合工程需要的粗砂、细砂和砾石。除具有一般排沙设施水沙分离、引水排沙功能外，可将泥沙作为一种资源考虑，利用水力筛网同时达到排沙、选沙的效果，变废为宝。同时具有后期运行管理简单的特点。

头屯河水力筛网多重分沙装置不但创造了巨大的社会效益，且经济效益显著，一次投入成本，终身受益。该装置可以应用在水库上游、渠首上游、河道、干渠，具有一定的经济效益、社会效益和生态效益。