劉煥芳，宗全利，金 瑾，劉貞姬

(1.石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2.青島農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，山東 青島 266109)

1 問題的提出

位于我國西北內(nèi)陸地區(qū)的新疆維吾爾自治區(qū)及新疆生產(chǎn)建設兵團(以下簡稱兵團)，地處亞歐大陸腹地，遠離海洋，深居內(nèi)陸，四周有高山阻隔，海洋氣流不易到達，形成明顯的溫帶大陸性氣候。新疆夏季氣溫高，高山冰雪融水豐富，所以新疆河流多為坡陡流急的山溪性河流[1-2]。新疆降水稀少，氣候干燥，南疆地區(qū)尤為干燥，因此形成了典型灌溉農(nóng)業(yè)的特點。北疆受北冰洋濕潤氣流的影響，降水量較南疆高。北疆平原區(qū)年降水量在150 mm～200 mm，山區(qū)一般在300 mm以上。南疆平原區(qū)年降水量不足100 mm，東南部多在50 mm以下，最低僅10 mm左右，干燥度在8以上，最高超過40，是全疆最干旱的地方。北疆冬雪占年降水量的30%左右，南疆占10%～15%，所以北疆一般有較穩(wěn)定的積雪，農(nóng)作物一般3月—4月份不缺水。

新疆“三山夾二盆”的特殊地形，山脈與盆地相間排列，盆地被高山環(huán)抱，東北部是階梯狀的阿爾泰山，南部為高山俊俏的昆侖山，中部橫亙著高達雄偉的天山。天山把新疆分為南北兩部分，天山以南是南疆，天山以北是北疆，天山東段的哈密、吐魯番地區(qū)又稱為東疆。三大山脈的積雪、冰川孕育匯集為500多條河流，分布于天山南北的盆地，其中較大的有塔里木河(中國最大的內(nèi)陸河)、伊犁河、額爾齊斯河(流入北冰洋)、瑪納斯河、烏倫古河、開都河等20多條。新疆由于高山氣溫低，雪線以上降水以永久積雪和冰川形式存在，形成天然固體水庫，對河川徑流起著調(diào)蓄和補給作用。山區(qū)是徑流的形成區(qū)，平原和盆地則是徑流的轉(zhuǎn)化散失區(qū)。大部分中小河流出山口以后，流經(jīng)山前戈壁礫石帶，徑流下滲損失大，在沙漠邊緣處消失，只有少數(shù)水量大的河流能流到沙漠盆地內(nèi)部積聚成湖。

基于以上具有西北旱寒區(qū)多變氣候類型和復雜地表特征的新疆獨特的氣候和地理特點，新疆河流因具有坡陡流急、流程短小，泥沙含量高等特點，且新疆典型的灌溉農(nóng)業(yè)多數(shù)都在河流上引水灌溉，洪水期上游洪水攜帶大量泥沙，在引水工程上大量淤積，致使渠首和干渠泥沙淤積嚴重；此外，灌溉首部懸移質(zhì)泥沙處理效果較差，大量泥沙進入田間造成土地沙化。因此，新疆多沙河流泥沙處理問題，尤其是渠首和渠道泥沙的防控問題是主要難題。為此，本文主要目的是結(jié)合新疆渠首和渠道泥沙防控的成功經(jīng)驗和失敗典型案例，總結(jié)現(xiàn)有渠首和渠道泥沙防控技術的研究現(xiàn)狀，以期為新疆及國內(nèi)同類河流的渠首和渠道泥沙處理提供理論依據(jù)和技術支撐。

2 新疆河流及泥沙特點

2.1 新疆主要河流

新疆境內(nèi)有570條大小河流，其中北疆387條，南疆172條，東疆11條。另有山泉272條。全疆河流中，有33條跨國界河流，其中流出國境的河流有12條，從國外流入的河流有15條，界河有6條。其中新疆生產(chǎn)建設兵團在新疆570條大小河流和272條山泉中，參與開發(fā)、利用、保護和管理有127條，占22.3%；127條中兵團為主的有67條[3]。具體如圖1所示。

圖1 新疆及兵團河流數(shù)量分布

新疆河流水資源量大于10億m3的大河流主要有(1)額爾齊斯河，發(fā)源于新疆阿爾泰山東段齊格臺達板，全長4 248 km；(2)烏倫古河發(fā)源于阿爾泰山東部；(3)伊犁河全長1 236.5 km，其中中國境內(nèi)442 km；(4)瑪納斯河發(fā)源于天山中斷北坡，全長420 km；(5)塔里木河為中國第一大內(nèi)陸河，包括了9條水系共144條河流及塔里木河干流，由于流域內(nèi)人類活動頻繁，導致現(xiàn)今與地表水聯(lián)系的水系只有4條，及阿克蘇河、和田河、葉爾羌河和孔雀河。

2.2 新疆河流泥沙特點

由于新疆河流多發(fā)源于高山區(qū)，受流域內(nèi)植被覆蓋和地質(zhì)條件等下墊面以及氣候干旱程度、暴雨和洪水頻次大小影響等，各河流含沙量差異較大[4]。山區(qū)是泥沙侵蝕的源地，高山區(qū)徑流量小并為冰雪融水，產(chǎn)沙量相對較小，中山區(qū)和低山區(qū)為降水匯流帶，致使產(chǎn)沙量不斷增加，在出山口達到最大，隨后即逐漸減小。南疆河流含沙量普遍較大，多年平均含沙量基本超過2.0 kg/m3；北疆河流含沙量普遍較小，但天山北坡河流泥沙含量較高，如北坡中段的巴音溝河多年平均含沙量為5.67 kg/m3、瑪納斯河2.2 kg/m3、奎屯河0.97 kg/m3、金溝河2.13 kg/m3等，都遠高于北疆河流平均含沙量0.69 kg/m3，如表1所示[3,5]?？傮w來水，新疆大部分河流多為坡陡流急、流程短小的山溪河流，冰川、永久積雪和季節(jié)性融水是主要水源，所以大部分河流泥沙含量較高。

表1 新疆部分河流泥沙特征表[3,5]

新疆河流含沙量在地區(qū)上分布具有明顯的緯度地帶性，全疆含沙量自北向南逐漸增大，在緯度上具有非地帶性規(guī)律；在沿程分布上河流含沙量自上而下逐漸增大，只有在下游泉水溢出帶和盆地邊緣，含沙量才有減少的趨勢。南疆地區(qū)的帕米爾山、昆侖山及天山南坡是新疆懸移質(zhì)泥沙的主要供沙源地，輸沙量占新疆主要河流年輸沙量的86.3%；阿爾泰山、準格爾西部山區(qū)及伊犁河流域和天山北坡諸河年輸沙量之和僅占新疆主要河流年輸沙量的13.7%，可見南北疆河流輸沙量的差異之大。同時，新疆河流輸沙量的年內(nèi)分布極不均勻，夏天大量冰雪融化和局部暴雨洪水攜帶大量泥沙入河，夏季輸沙量高度集中，連續(xù)最大的四個月輸沙量主要集中在2月—9月，最大四個月輸沙量占到年輸沙量的99.3%，多年平均為76.2%～99.3%。

2.3 多沙河流泥沙危害及防控要求

山溪性多沙河流，泥沙危害相對更為嚴重。如作為引水比較高的天山北坡泥沙含量最大的河流之一，金溝河泥沙的危害在新疆乃至全國都十分罕見[6]；泥沙主要造成了渠首段河床上、下游和引渠渠底的淤積抬高，災害主要體現(xiàn)在推移質(zhì)泥沙淤積、推移質(zhì)泥沙對渠道磨損。此外，位于兵團第八師石河子市的第二大河流巴音溝河，多年來泥沙問題也一直是困擾渠首正常運行且久治不愈的頑疾[7]。該河流1957 年建成時為“印度式”渠首，運行后排沙不利，上、下游淤積嚴重；1958 年改造成“費爾干式”，后又經(jīng)多次改造，排沙效果仍不理想；1971年在渠首前修建臨時性攔沙庫，1981年改造為永久性攔沙庫，2005年對攔沙庫進行應急改造，增大庫容，泥沙入渠情況有所好轉(zhuǎn)但至今仍未得到徹底根治[8-9]。

多沙河流的渠首泥沙防控、引水渠道淤積等泥沙問題是引水灌溉中的主要難題[10]。對此，金溝河在1996年—2007年提出了“費爾干式渠首-排沙渦管-排砂漏斗”組成的引水防沙排沙技術集成體系，在一般年份正常引配水可以取得良好的泥沙處理效果，但在汛期來沙量較大情況下，仍然存在彎道斷面較寬、攜沙能力弱等布置不合理、建筑物混凝土磨損嚴重、泥沙處理不暢等問題，亟需研究。因此，多沙河流泥沙處理需要不同方式的聯(lián)合運用。

3 渠系泥沙防控研究現(xiàn)狀及展望

3.1 渠首泥沙防控主要措施及效果

3.1.1 無壩渠首防沙措施

目前新疆地區(qū)渠首引水方式主要包括無壩引水和有壩引水兩種。無壩引水一般針對含沙量較小河流的引水工程，均采用在岸邊開挖明渠或隧(涵)洞進行引水，雖然不能控制進流量和進沙量，但工程簡單，可以避免引水量過大的問題，因而在一定程度上減弱甚至避免了渠道淤積，在塔里木河中上游、伊犁河以及額爾齊斯河等均有很多的工程實例，是工程中應用最普遍的一種取水方式[11]。但是在多泥沙河流處修建引水工程時，工程中為減少進入到渠道的泥沙，一般需在渠首處設置引渠，利用進水閘前斷面較大的引渠將泥沙沉積，并采取后期水力沖淤或機械挖除的方法進行清淤[12]。同時，為了提高渠道引水工程的引水比，多數(shù)學者結(jié)合大量實踐經(jīng)驗認為，在取水口前修建不攔斷河流的導流坎或?qū)Я鲏芜M行水位的壅高，通過設置并按正面取水、側(cè)面排沙的原則布置進水閘及沖沙閘，可以起到很好的沖沙排沙效果。

無壩渠首主要通過確定引水口位置、引水角度、引水閘底高程、分流比、引水防沙設施等措施來減少泥沙淤積，以確保引水工程的正常運用。渠首位置應選擇在河床多年穩(wěn)定主流靠岸地段，盡量選擇在彎道凹岸環(huán)流最強地段，取水口應盡量避開泥沙補給區(qū)；進水閘喇叭口上、下游與岸邊連接應平滑順直，不要突出挑流，進水閘也不要建在窩凹內(nèi)；無壩引水口涵閘的引水角即涵閘中心線與河流主流交角應盡量減小，引水角越小、水流越平順，進渠泥沙越少，引水角一般取30°～45°最好；在枯、洪水位變化較大的多沙河流上，可采取高水位引水沉沙、低水位直接引水的高低引水渠結(jié)構(gòu)形式來達到防沙的目的[13]。王勤香[14]對引水口位置選擇進行了研究，得出采用杜立涅夫提出的引水口距彎道起點距離公式來確定彎道無壩引水口位置有利于防沙；王海麗等[15]提出在實際工程中最好是通過現(xiàn)場觀測選擇彎道凹岸中水深最大、流速最大、彎道橫比降最大的斷面設置引水口，應盡量避開河勢不穩(wěn)、對引水不利的河段。

無壩渠首引水口底板高程根據(jù)設計流量及床沙顆粒粗細而定，對于沙質(zhì)河床底板高程應比河床平均高程高1.5 m～2.0 m；對于砂卵石河床底板高程應比河床平均高程高1.0 m～1.5 m。卞俊威等[16]提出應選擇河道常見的中低水位的引水角作為引水口的設計引水角，該角度一般在30°～45°為宜，能較好地符合正面引水側(cè)面排沙的原則；皇甫澤華等[17]為適應河道游蕩多變和河底逐年抬高的特點，提出設置活動的防沙工程——不倒式攔沙淺堰，攔沙堰可根據(jù)水位漲落的變化調(diào)節(jié)其高度以保證任何情況都能引取表層水流；卞玉山等[18]針對黃河下游山東引黃灌區(qū)清淤難、渠首沙化等難題，提出適合黃河特點的新型渠首橡膠壩引水防沙工程；張建民等[19]提出懸板分層式引水樞紐，挾沙水流經(jīng)上游整治段到達水平懸板前緣時被水平懸板分割成上下兩層上層清水被引入進水閘下層含沙量較大的渾水經(jīng)板下廊道輸送至泄洪沖沙閘后的下游河道從而達到“引清排渾”的引水防沙效果，較好地解決了引水和防沙的矛盾。

此外，攔河閘式渠首應用也越來越廣泛。新疆巴音溝河渠首由攔河閘(庫)、東閘及引水閘組成，渠首引水排沙主要存在彎道設計流量偏大、泥沙入渠等問題。駱震[20]提出采用調(diào)沙庫和攔河閘組合的復合式渠首布置，有一定的調(diào)沙庫容同時束窄河床，閘前布置成喇叭口使在閘前形成一定范圍的沖沙區(qū)域；馬紅剛[21-22]提出河道來水較大的時候完全開庫并定期長時間排沙，帶走前期蓄積在攔沙庫和人工彎道的泥沙；大河來水較小引水較多時，可利用人工彎道和干渠的斷面來蓄沙，最后再機械清除人工彎道和干渠斷面內(nèi)的泥沙等運行措施；李艷麗等[23]對三義寨引黃閘閘前泥沙淤積提出：在黃河灘區(qū)建設引黃沉沙供清工程，將泥沙分級、分層進行沉淀以及引渠口設立魚嘴或攔沙堰阻沙分沙等措施。

大凌河綜合治理工程采用疊梁閘分層取水方案以減少引入水流含沙量，通過減小摻混區(qū)紊動擴散面積，取消大喇叭口，縮小口門寬度，使主副流交換泥沙入渠量降低，達到減少閘前段回流區(qū)減淤目的[24]。關于攔河閘式渠首長時間運行閘下存在淤積情況，歐陽麗等[25]提出調(diào)度措施、干流河道擴排與堤防建設、加大平原排澇規(guī)模、人工清淤等措施。王普慶等[26]對比了阿拉爾攔河閘3種清淤方案，經(jīng)過適應性計算分析，綜合清淤位置、淤區(qū)選擇、河道水流情況、設備造價、清淤量、排距等參數(shù)情況，推薦泵吸式作為清淤機具設備。戚印鑫等[27]對塔爾郎渠首進行水工模型試驗研究，對引水閘進口底板及平面結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整，將引水閘上游左側(cè)的導流墻進行了改造;并將引水閘底板高程抬高了1.5 m，并在引水閘底板前緣增設1.0 m高的擋沙坎后，渠首工程引水防沙滿足設計要求。為了減少泄洪排沙閘及泄洪槽的淤積，提升引水質(zhì)量，提出了各種工況下的閘前壅水運行調(diào)度方案。

3.1.2 有壩渠首防沙措施

有壩取水一般應用于渠首流量能保證引水量要求且河道水位低于設計引水位的河流，其次當引水水位能滿足要求時，為保證較大的引水比、減少入渠泥沙、縮短干渠長度、雍高上游水位改善航運條件、形成上下游水頭差以利發(fā)電或沖沙等，也可采用有壩取水[28]。有壩取水樞紐通常由壅水壩(或攔河壩)、進水閘、沖沙閘等壅水、取水以及防沙設施組成。攔河壩上游由于水位抬高，流速減小，挾沙能力降低，泥沙將不斷淤積而使河床逐漸增高。當壩下游淤平后，大量泥沙進入到下游而發(fā)生淤積，影響沖沙閘或攔河壩的沖沙和泄洪能力。進行設計時，需預先估計到此變化，為防止較大顆粒的泥沙入渠，需采取相應的工程措施。

有壩渠首主要為人工彎道式、閘壩式、底攔柵式等，早期低壩引水樞紐多為印度式，該式進水閘與河流垂直相交，沖沙閘與水流一致，形成“側(cè)向引水，正向排沙”，使水沙運動不利于取水排沙，致使進水閘大量進沙，淤積嚴重，近些年，眾多學者提出許多整治措施，對渠首泥沙防治問題也取得了一些效果。

新疆瑪納斯河渠首采用彎道式渠首，劉旭東將縱向比降的設計結(jié)合彎道設計流量、輸沙率、斷面形態(tài)關系和水流運動，統(tǒng)一作了考慮，提出了上游人工彎道和沖沙閘下游排沙道比降計算方法，再用彎道水流的橫向比降和縱向比降之比，作為環(huán)流強度的判數(shù)，使之大于1，彎道排沙運用條件較好；郝瑞[29-30]探索出了適合于瑪納斯河渠首推移質(zhì)泥沙的控制方法，即利用閘前彎道水面比降與流速、流速與輸沙率、分水比與分沙比的關系制定相應控制程序，并對渠首推移質(zhì)運動的各項參數(shù)的相關關系進行了研究，并率定了部分公式。此外，為了更好的加強橫向環(huán)流作用，瑪納斯河渠首在進水閘前修建了曲線形擋沙坎，阻擋砂石進入進水閘內(nèi)，并可以提高橫向環(huán)流效果，通過沖沙閘把泥沙充分排掉[31]。

新疆金溝河渠首采用在渠首閘前用鉛絲籠壩對彎道凸岸進行束窄整治，抬高進水閘閘底板高程，在總干渠上增加渦管排沙，在渦管后300 m處又修建了排沙漏斗，疏通排沙廊道對泥沙實施輸移遠送啟動非常泄洪閘實現(xiàn)泥沙的分級處理等措施，解決了困擾金溝河近20年的泥沙問題，取得了非常好的效果[32-34]；孫顯忠等[35]對金溝河樞紐泥沙問題，提出在渠首上游修建攔砂壩等控制性工程，以及采用渦管、排沙漏斗等節(jié)水排沙設施多級排沙、多級回收的運行方式；孫麗[36]提出縮窄引水彎道，改造上游河段，健全防沙體系，實現(xiàn)分級治理，增強排沙效率等措施；金溝河渠首在進水閘和沖砂閘前設導水墻兼導沙坎，以將泥沙導至遠離進水閘口，便于沖砂閘沖沙[37]；錢新妮[38]提出小水存沙，中小水邊沖邊引，大水集中沖沙措施。新疆的恰哈河渠首采用出現(xiàn)頻率高的造床流量及人工彎道和沖沙槽式相結(jié)合的形式，利用上游曲線整治段的橫向環(huán)流作用使來水中的沙石移向凸岸，再利用直線性沖沙槽束水沖沙，從而達到引清排沙的效果[39]；新疆蓋孜河塔什米里克彎道式引水樞紐，改建后的樞紐仍然存在閘前淤積、彎道磨損和淤積等問題，徐樂通過模型試驗提出“間歇沖沙”的閘門優(yōu)化運行調(diào)度方式等措施[40]。三屯河西干渠首改造時，采取彎道進口、彎道末端設置沖沙閘和擋沙坎的兩級防沙排沙布置。在原人工彎道上游泄洪閘的基礎上增加了2孔沖沙閘，并在彎道進口設置了1.5 m高的曲線形擋沙坎形成臨時蓄沙庫，通過上游沖沙閘利用常遇洪水沖走近70%的泥沙，保證了進口“門前清”，進一步降低泥沙引入彎道[41]。

伊犁喀什河渠首利用該處天然河彎的有利地形將右支改建利用作引水道，上游河彎末端左岸有基巖岸坡并延伸至河槽，可將主流由凸岸挑至河心，且下接一直線過渡段，可使主流逐漸轉(zhuǎn)向凸岸，同時，在引水彎道首端左側(cè)有約 35 m長的巖墻，其突出部分又再一次將水流適當挑向該引水彎道凹岸，更進一步加強了環(huán)流，經(jīng)過多年實測進水閘不進推移質(zhì)，引水防沙效果良好，是創(chuàng)新的第三代彎道渠首[42]。

近年來，底攔柵式渠首應用在諸多地區(qū)，也取到了很好的效果。底攔柵式渠首所引水量通過金屬欄柵防止粒徑大于柵隙的泥沙進入廊道，但小于柵隙的泥沙仍會進入廊道和渠道，對此寧建忠提出在干渠上設沉沙池，以及渦管螺旋流排沙和漏斗式沉池三種工程措施[43]；阿爾恰特渠首采用了丁字形布置的改進型底欄柵渠首，有效增加了引水量，欄柵上鋪設廢舊輪胎起到緩沖作用，有效地解決了陡縱坡小河流引水沖沙的問題[44]。西黑溝渠首采用底欄柵與彎道結(jié)合方案，進入彎道的泥沙通過彎道水流將河流中的水和泥沙分離，最后少量的泥沙通過底欄柵廊道引入渠道，能更有效解決山溪性河流嚴重淤積取水建筑物的問題，以及泥沙大量進入引水渠和渠首建筑物泥沙淤堵問題，具有非常好的引水排沙效果[45]。甘肅酒泉地區(qū)渠首同樣采用底欄柵式與彎道式結(jié)合的布置型式，人工彎道保證正面引水，側(cè)面排沙，經(jīng)多年使用證明，其具有排沙效率高，進柵水流中含沙量較小優(yōu)點[46]。三工河采用底欄柵樞紐方式經(jīng)過1年的運行解決了泥沙淤積、引水困難等一系列問題，與以往的渠首設計形式相比得了好的效果[47]。

3.2 渠道泥沙防控主要措施及效果

新疆地區(qū)引水河流絕大多數(shù)為多泥沙河流，僅在渠首處設置防沙和排沙措施并不能徹底解決泥沙淤積問題，因此需要在渠道采取防沙和排沙措施。目前新疆地區(qū)主要采用的方式有沉沙池、渦管排沙、排沙漏斗、灌溉首部的微灌用沉沙池等。眾多學者結(jié)合對渠道泥沙遷移、淤積以及挾沙力進行分析和計算，同時根據(jù)實際工程中排除泥沙粒徑的要求通過增加沉沙池的長度和溢流堰的長度的方式對其進行改造，大大增加了其運行效果[48-52]。

吳爭兵[53]對引黃灌區(qū)渠道，減少過水斷面面積，加大渠道水流速度、優(yōu)化渠道斷面結(jié)構(gòu)，增強渠道挾沙能力、適地設置提水泵站，加大渠道水面比降、適地修建排沙閘，分散處理泥沙等措施。田原[54]提出對取水口進行順直護坡處理，并將取水口的高程降低0.5 m～0.8 m，這種方式可有效減少取水口的泥沙沉降量，從而減少隨引水水流進入明渠的泥沙量，可以適當控制明渠的坡度，進行沖淤平衡，減少明渠的淤積量。

渦管排沙式沉沙池結(jié)合懸移質(zhì)泥沙在沉沙池中分選沉降的特性，利用沉沙池中的渦管結(jié)構(gòu)將泥沙雜質(zhì)分組排除，同時可以實現(xiàn)在排沙過程中連續(xù)供水的目的[55]。結(jié)合原型觀測資料及工程應用表明，渦管排沙式沉沙池的運行效果是良好的，可以達到排沙的設計要求[56]。由于渦管排沙式沉沙池建筑構(gòu)造及施工都不復雜，投資少， 省水， 能連續(xù)供水， 運行管理也方便可靠。張開泉、劉煥芳等[57-64]針對渦管排沙技術的理論和在引水渠道上的應用進行了大量的研究，總結(jié)出了渠道上應用渦管排沙技術的成功經(jīng)驗；何訓江[65]和俞健[66]分別依據(jù)金溝河渦管排沙工程的布置形式及排沙要求，提出了排沙渦管技術指標的確定方法，計算并分析了排沙渦管的排沙效果；喬俊恩等[67]通過總結(jié)渦管排沙技術在山西云中河灌區(qū)干渠的應用情況，得到對于底沙運動較多，以粗沙為主淤積的渠道，采用渦管排沙效果會更顯著。

新疆河流推移質(zhì)泥沙含量大，加之渠首引水比很高(一般70%以上，高者達100%)，因此引水同時部分推移質(zhì)會進入引水渠，對該部分泥沙處理普遍采用的是修建曲線沉沙池，但存在排沙能力低、排沙耗水量大等問題[68-69]。為此，一款新型防沙裝置——排沙漏斗被提出，并在實踐種取得了很好的效果。排沙漏斗是一種利用立軸旋渦實現(xiàn)水沙分離的二級排沙設施，在排沙漏斗中，含沙水流被切向引入底部中心設有排沙底孔的漏斗室做旋流運動，在各種渦流和重力的作用下泥沙被輸送至排沙底孔而排出，經(jīng)過排沙后的水流則從漏斗室外圍溢出再進入引水渠道以資利用[70]。

新疆農(nóng)業(yè)大學周著等研究的的排沙漏斗技術在新疆、四川、湖南、陜西等省區(qū)的泥沙治理工程中進行了成功應用，模型試驗和原型觀測證明了排沙漏斗具有沖砂耗水量小、沖砂穩(wěn)定、設計簡單和易于管理的特點[71-73]；李琳等[74-76]通過量綱分析和數(shù)值分析方法，提出了排沙漏斗結(jié)構(gòu)尺寸確定方法及截沙率計算公式，對漏斗結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化研究；肖柏青等[77-78]對排沙漏斗的水流結(jié)構(gòu)、懸移質(zhì)泥沙運動進行了模擬分析。

微灌用新型沉沙池是為了直接利用地表水資源作為微灌系統(tǒng)灌溉水源而提出的一種新型的泥沙處理技術。它與現(xiàn)行的微灌系統(tǒng)水沙處理設備配套使用，專門用于微灌系統(tǒng)，主要對懸移質(zhì)泥沙進行處理[79-80]。新疆地區(qū)的應用實踐表明，在工程實際中設計直線、曲線或者其他形式的沉沙池時，往往通過對渠道泥沙遷移、淤積以及挾沙力進行分析和計算，結(jié)合灌溉首部沉沙池過水斷面突然擴大的特點，可以顯著降低流速，大大減小水流挾沙力，進而改變了原有的水流泥沙運動狀態(tài)，形成水深大、流速小、挾沙力小、進口含沙量相對較大、挾沙水流一般處于超飽和運行狀態(tài)的水流形式而將泥沙顆粒沉降在沉沙池的底部，起到了泥沙防控的作用[81-83]。對此，華根福等[84]通過對傳統(tǒng)沉沙池改進，設計出一種新型的微灌沉沙池；結(jié)合設計的新型微灌沉沙池進行了大量的理論分析、物理模型和數(shù)值模擬研究[85-88]；通過在新疆兵團222團及石河子市150團等節(jié)水灌溉首部進行應用和原型觀測得到：新型微灌沉沙池與傳統(tǒng)沉沙池相比，不僅能提高泥沙在池內(nèi)的沉淀效率，而且從經(jīng)濟角度出發(fā)，微灌沉沙池也占有優(yōu)勢。微灌沉沙池雖然增設了整流墻和溢流槽，但是微灌沉沙池與傳統(tǒng)沉沙池相比較，可以減小工程規(guī)模25%左右，建設費用大大降低。而且，微灌沉沙池對泥沙更好的沉降效果，能有效的降低后續(xù)配套過濾設施的消耗，從整體上降低整套過濾設施的造價[89-91]。此外，戚印鑫[92]對重力沉沙過濾池與條形沉沙池沉沙效果做了對比研究，重力沉沙過濾池比條形沉沙池的沉沙率提高 6%以上。

劉欣等[93]基于力學、機械與電學原理設計了一新型沉沙取水系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用簡易力學構(gòu)件便實現(xiàn)了機械傳動、水力取水的目的，降低了取水口選址對河道水沙條件的要求，避免了取水口修建對岸體原始結(jié)構(gòu)完整性與穩(wěn)定性的破壞；通過雙螺旋渠道中部渠壁的相互共用，減小了沉沙池的修建成本，且使其占地集中，便于布置；根據(jù)雙螺旋幾何特點、彎道水流運動特性和泥沙沉降規(guī)律，利用螺旋流消能沉沙，提高了沉沙效率。

此外，為解決頭屯河流域泥沙淤積問題，在頭屯河水庫上游修建水力篩網(wǎng)多重分沙裝置，該裝置的修建，減少了下游河道泥沙含量，對減少頭屯河水庫泥沙淤積，有效地將水流中的泥沙分離出來，排沙率高達90%以上，提高了水利設施的運行年限[94]。

4 結(jié)語與展望

實際工程經(jīng)驗表明，渠首和渠道引水泥沙的處理，很難用一種單一的方式能夠成功解決。針對新疆等西北地區(qū)的多沙河流泥沙處理需要多種泥沙處理方式的聯(lián)合運用。雖然修建水庫可以有效減少泥沙入渠，如已經(jīng)運行的新疆瑪納斯河流域肯斯瓦特水利樞紐工程等，但水庫運行后的淤積及排沙優(yōu)化、渠首防沙排沙、引水渠道淤積等泥沙問題仍是引水灌溉面臨的主要難題。對此，新疆金溝河、巴音溝河、古爾圖河等河流上應用的 “費爾干或印度式渠首-排沙渦管-排砂漏斗”組成的防沙排沙技術集成體系，在一般年份正常引配水可以取得良好泥沙處理效果，但在汛期來沙量較大情況下，仍然存在彎道斷面較寬、攜砂能力弱等布置不合理、建筑物混凝土磨損嚴重、泥沙處理不暢等問題。因此，多泥沙環(huán)境下渠系泥沙分選沉積關鍵技術仍需要攻關，引水渠首防沙排沙技術優(yōu)化設計方法還需要進一步研究。

以灌溉首部出水水質(zhì)達標為泥沙處理目標，基于泥沙分級處理的原則，根據(jù)河流泥沙運動流程，分別從上游、中游和下游等部位精確把握泥沙逐級分選沉積的關鍵技術。既能體現(xiàn)河流泥沙的分級處理技術和多種泥沙處理方式的聯(lián)合運用，也要反映出各級處理關鍵技術的聯(lián)合運行模式。