董江偉 李 江

(1.新疆巴州且末縣水利綜合服務(wù)中心，新疆 且末 841900；2.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000；3.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

為了滿足不同地域的灌溉、發(fā)電以及城鄉(xiāng)飲水等需求，我國(guó)修建了許多取水水源工程，尤其是引水樞紐[1]。引水樞紐(取水樞紐或渠首工程)，作為灌區(qū)引水的源頭和保障灌區(qū)引水安全的最前置條件[2-3]，一直發(fā)揮著重要作用，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供基本的水資源支撐。新疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)生活方式主要以農(nóng)牧業(yè)為主，其灌區(qū)水資源是影響經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的主要限制因素，而科學(xué)合理的引水樞紐布局是充分利用優(yōu)良水資源、提高水資源利用率、體現(xiàn)“節(jié)水優(yōu)先”的重要舉措，可解決工程性缺水問題，提高水資源調(diào)控能力，以水資源可持續(xù)利用支撐流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。

新疆地處我國(guó)西北部，是我國(guó)面積最大的行政區(qū)，區(qū)域內(nèi)的水資源量卻不足全國(guó)的4%，可利用水資源極度匱乏，同時(shí)還存在嚴(yán)重的水資源時(shí)空分布不均問題[4-5]，尤其是新疆南疆地區(qū)，農(nóng)業(yè)用水占當(dāng)?shù)赜盟偭康?96%[6]，用水結(jié)構(gòu)嚴(yán)重失衡，實(shí)際用水量超出水資源承載能力，供需矛盾突出，改善及優(yōu)化調(diào)整水資源配置格局刻不容緩[7-8]。合理選擇取水水源位置是確保取水可靠的前提[9-11]，如何通過對(duì)取水口的規(guī)模、數(shù)量與位置進(jìn)行優(yōu)化布置，來提高水資源利用率，保障農(nóng)業(yè)灌溉供水安全，已經(jīng)成為農(nóng)田灌溉發(fā)展規(guī)劃中亟待解決的重要問題。

車爾臣河流域位于新疆東南緣的巴音郭楞蒙古自治州且末縣和若羌縣境內(nèi)，地理位置介于東經(jīng)84°55′～88°20′、北緯36°10′～39°45′之間，總面積4.74萬(wàn)km2，流域南起昆侖山和阿爾金山山脈，北部深入塔克拉瑪干大沙漠與尉犁縣遙遙相望，西臨喀拉米蘭河流域，東至江尕薩依河流域，東北部在若羌縣境內(nèi)與塔里木河流域相連，歸宿于臺(tái)特馬湖。車爾臣河流域主要河流為車爾臣河，河流全長(zhǎng)813km，多年平均年徑流量9.22億m3，是一條典型的以冰雪消融補(bǔ)給為主的河流，年徑流量的87%來自冰川和永久性積雪，河流水量年際變化相對(duì)平穩(wěn)，年內(nèi)分布不均勻，全年近半數(shù)徑流量產(chǎn)自于夏季。新疆車爾臣河流域?qū)儆诘湫偷呐瘻貛O端大陸性干旱荒漠氣候區(qū)。蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱，呈現(xiàn)荒漠綠洲、灌溉農(nóng)業(yè)的特點(diǎn)，水資源時(shí)空分布不均、使用效率效益較低、供需矛盾突出，是制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的首要問題和關(guān)鍵因素。

河道取水口處來水高含沙及其給灌區(qū)帶來的問題仍無(wú)法改變，亟待尋求新的可靠的取水口位置，提出最佳引水水源布局方案，為多泥沙河流引水水源布置提供技術(shù)支撐。

1 引水水源工程現(xiàn)狀

車爾臣河流經(jīng)昆侖山北麓，是塔里木河下游綠洲的生命線之一，它與塔里木河一道共同維系著塔克拉瑪干沙漠東部的綠色長(zhǎng)廊，也是且末縣的母親河。車爾臣河是一條高含沙河流，因地處塔克拉瑪干大沙漠東南部，由于流沙的堵塞，車爾臣河在歷史上曾三次被迫改道，使聞名西域的且末古城兩度被風(fēng)沙吞噬，目前河?xùn)|的沙漠仍以每年5～10m的速度自東向西推進(jìn)，大量的砂礫帶入河道，加之河道兩岸沿線沖刷，進(jìn)一步加大了河道的砂礫含量。

目前，車爾臣河上建有大石門水庫(kù)。車爾臣河灌區(qū)通過6個(gè)取水口引入車爾臣河水，其中有壩取水口3個(gè)，分別為第一分水樞紐、革命大渠龍口及第二分水樞紐；無(wú)壩取水口3個(gè)，分別為阿熱勒取水口、河?xùn)|治沙取水口及塔提讓取水口；按取水口所處車爾臣河的位置分右岸取水口2個(gè)，左岸取水口 4個(gè)。首尾2個(gè)取水口(第一分水樞紐和塔提讓分水口)相距約110km。由于直接從河道取水，引水澆灌的同時(shí)，大量的泥沙帶入渠道，帶入耕地，灌區(qū)工程損毀和耕地沙化非常嚴(yán)重(見圖1)。

圖1 現(xiàn)狀取水口位置示意圖

圖2 取水方案一工程布局

2 引水水源工程存在問題

新疆車爾臣河引水水源工程目前存在取水口多而散、供水保證率低、引水含沙量大、引水樞紐建筑物老化等問題，同時(shí)大石門水庫(kù)成為車爾臣河灌區(qū)的主水源工程，由于車爾臣河灌區(qū)工程缺乏系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，灌區(qū)工程供水保證率低，現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施并不能充分利用大石門水庫(kù)工程建后帶來的益處。

2.1 引水水源工程老化，供水保障體系薄弱

自20世紀(jì)60年代起，且末縣先后在車爾臣河河道上建有引水渠首(引水口)6座，目前僅第一分水樞紐于2017年進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，其余5座引水渠首(引水口)已運(yùn)行了10～55年，均未進(jìn)行過除險(xiǎn)加固。2022年革命大渠龍口、第二分水樞紐經(jīng)鑒定均為四類病險(xiǎn)閘，其他引水渠首(引水口)也為三、四類病險(xiǎn)閘。受建設(shè)時(shí)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及技術(shù)條件的限制，革命大渠龍口、第二分水樞紐防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，經(jīng)過多年運(yùn)行并多次遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水，樞紐泄洪閘和沖沙閘部分底板及閘后護(hù)坦被沖毀，閘墩混凝土發(fā)生大面積磨損、剝落，個(gè)別閘墩出現(xiàn)貫通性裂縫，上下游護(hù)岸部分區(qū)段被洪水沖毀，泄洪閘、沖沙閘及引水閘鋼閘門銹蝕、止水老化，閘門漏水現(xiàn)象嚴(yán)重，啟閉設(shè)備老化失修，電氣線路嚴(yán)重老化，導(dǎo)致樞紐閘門啟閉不到位、工作環(huán)境惡劣，樞紐上游河道左岸淤積嚴(yán)重，已嚴(yán)重影響樞紐的正常運(yùn)行和泄洪。

2.2 河水泥沙含量大，排沙設(shè)施不能滿足使用要求

車爾臣河流域大部分地區(qū)植被較差，水土流失嚴(yán)重，河水泥沙含量較高，經(jīng)大石門水庫(kù)調(diào)蓄后第一分水樞紐斷面多年平均含沙量 6.8kg/m3，其中6—8月平均含沙量11.5kg/m3，最大值平均 8.5kg/m3。目前在車爾臣河第一樞紐左岸建有廂式沉沙池 1座，第二樞紐下游東風(fēng)干渠建有沉沙池1座，但有限的排沙設(shè)施遠(yuǎn)不能滿足使用要求，導(dǎo)致輸水渠道淤積、泥沙進(jìn)入下游灌區(qū)田間等現(xiàn)象非常普遍，隨著不斷清挖渠道和泥沙進(jìn)入田間，逐漸形成“地高水低”，渠道面臨廢棄，影響了工程效益的正常發(fā)揮。

2.3 管理技術(shù)力量薄弱，管護(hù)資金籌措困難

管理體系不健全，人員、經(jīng)費(fèi)尚未得到落實(shí)，存在管理人員專業(yè)技術(shù)水平參差不齊、培訓(xùn)不到位等諸多問題。例如第一分水樞紐水管站現(xiàn)狀管理人員為4人，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，本樞紐管理定員級(jí)別為4級(jí)，需管理人員8人，故車爾臣河第一分水樞紐需新增管理人員4名。

3 引水水源工程布置

3.1 引水水源工程布局原則

圍繞灌區(qū)功能定位，考慮灌區(qū)的工程學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、生態(tài)學(xué)、景觀文化等灌區(qū)屬性，科學(xué)布局工程設(shè)施體系，完善工程體系，提升灌區(qū)現(xiàn)代化水平，并充分體現(xiàn)布局“技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理”的原則。本著節(jié)水、節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材的原則，針對(duì)車爾臣河流域地形情況，為充分發(fā)揮可供給水資源的調(diào)配和灌溉功能，對(duì)現(xiàn)有取水水源工程布局進(jìn)行全面復(fù)核，因地制宜合理布設(shè)工程，提出取水水源工程改造的總體布局。構(gòu)建以大石門水庫(kù)為龍頭、現(xiàn)代化工程保障體系為龍骨、車爾臣河水資源為血脈、有機(jī)綠洲現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)和水文化展示為載體、水智慧和水生態(tài)為亮點(diǎn)的山林田湖草沙生命共同體布局模式。

3.2 引水水源工程布置方案

經(jīng)初步分析，大石門水庫(kù)建成后，車爾臣河不同斷面河水泥沙含量從上游至下游逐漸增加，其中大石門水庫(kù)電站尾水渠處年平均含沙量為1.75kg/m3，現(xiàn)狀6個(gè)取水口斷面大河年均含沙量平均為12.1kg/m3，其中第一分水樞紐處大河年均含沙量為6.8kg/m3，年內(nèi)高含沙期在汛期6—8月，其他時(shí)段含沙量變化不大(見表1)。

表1 車爾臣河水不同分析斷面的含沙量情況 單位：kg/m3

由于車爾臣河上下游不同斷面水源含沙量區(qū)別較為明顯，擬定了3個(gè)取水工程改造布局調(diào)整方案進(jìn)行比選：一是沿用現(xiàn)狀取水口，并在每個(gè)取水口后設(shè)置一定規(guī)模的渠首沉沙池；二是改造整合現(xiàn)狀所有取水口，統(tǒng)一從最上游的第一分水樞紐取水；三是改造整合所有取水口，在上游在建大石門水庫(kù)的壩后電站尾水渠設(shè)置新的取水口。

3.2.1 取水方案一

本方案為現(xiàn)狀取水口改造方案，水源仍為車爾臣河大河來水。工程改造思路是通過對(duì)現(xiàn)狀6個(gè)取水口的更新改造提升和取水口后渠首沉沙池的設(shè)置，滿足灌區(qū)用水含沙量要求；通過二次沉沙工程的設(shè)置實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)生活供水對(duì)水源含沙量的要求。本方案建設(shè)內(nèi)容為取水口改造工程6處，其中重建5處，除險(xiǎn)加固1處(車爾臣河第一分水樞紐)，建設(shè)渠首沉沙池6座(總?cè)莘e7.78萬(wàn)m3)，建設(shè)生活供水二次沉沙池容積5.40萬(wàn)m3。本方案估算工程改造建設(shè)總投資約4.43億元，其中沉沙池工程總投資約1.96億元，工程建成后年運(yùn)行費(fèi)為0.21億元，考慮沉沙池泥沙含量及沖沙清淤周期，按40年計(jì)入沉沙池等更新改造投資，則本方案的總費(fèi)用現(xiàn)值11.8億元(見圖 2)。

3.2.2 取水方案二

本方案為現(xiàn)狀取水口整合改造利用方案，即通過整合連通灌區(qū)現(xiàn)狀取水干渠，改造后灌區(qū)集中從第一分水樞紐處取用車爾臣河干流水。建設(shè)內(nèi)容為：取水口改造工程1處、沉沙池1座(容積6.02萬(wàn)m3)、灌區(qū)內(nèi)連通渠3.72km、生活供水二次沉沙池容積5.40萬(wàn)m3。本方案估算工程改造建設(shè)總投資約3.02億元，其中沉沙池工程投資約1.70億元，工程建后年運(yùn)行費(fèi)為0.11億元，考慮沉沙池泥沙含量及沖沙清淤周期，按40年計(jì)入沉沙池等更新改造投資，則本方案的總費(fèi)用現(xiàn)值為8.3億元(見圖3)。

圖3 取水方案二工程布局

3.2.3 取水方案三

本方案為新建取水口方案，即取水口整合至大石門水庫(kù)壩后電站尾水渠，引用大石門水庫(kù)水。大石門水庫(kù)壩后電站尾水渠正常水位2183.10m，尾水平臺(tái)高程2185.60m，寬10m，發(fā)電引用流量為82m3/s，本工程設(shè)計(jì)取水流量25m3/s，規(guī)模上滿足要求，且不擠占生態(tài)用水，可實(shí)現(xiàn)整合取水口至大石門水庫(kù)壩后電站尾水渠取水。鑒于地形限制，取水需通過在大石門水庫(kù)電站尾水渠下游山體中開挖隧洞將水引出后接明渠(管道)。因水庫(kù)電站尾水渠高程較高，有尾水平臺(tái)場(chǎng)地可以利用，岸塔式進(jìn)水口施工不需全年圍堰擋水，利用進(jìn)口作為隧洞開挖的工作面，施工交通便利，利于縮短施工工期、降低施工難度，具備較好的施工條件。同時(shí)考慮到大石門水庫(kù)在汛期6—8月相機(jī)泄洪排沙，對(duì)本工程取水水質(zhì)的潛在影響，在第一分水樞紐西岸大渠渠首適宜位置設(shè)備用沉沙池(見圖4)。本方案建設(shè)內(nèi)容為新建取水口1處、輸水渠32km、灌區(qū)內(nèi)連通渠3.72km、備用渠首沉沙池1座(容積3.76萬(wàn)m3)。本方案估算工程改造建設(shè)總投資約10.46億元，其中沉沙池工程總投資約0.56億元，工程建后年運(yùn)行費(fèi)為0.22億元，考慮沉沙池泥沙含量及沖沙清淤周期，按40年計(jì)入沉沙池等更新改造投資，則本方案的總費(fèi)用現(xiàn)值為12.7億元(見表2)。

表2 取水口工程改造布局方案特性對(duì)比

圖4 取水方案三工程布局

3.3 方案比選分析

取水工程布局改造方案一，具有建設(shè)投資較低，與大石門水庫(kù)原設(shè)計(jì)供水方式一致的優(yōu)點(diǎn)；但由于現(xiàn)狀取水口含沙量較高、沉沙池清淤周期短、使用年限短，運(yùn)行期沉沙池更新改造費(fèi)高，致使工程分析計(jì)算期內(nèi)總費(fèi)用現(xiàn)值不低；并且因有3個(gè)無(wú)壩取水口，對(duì)于下游主流擺蕩的車爾臣河來水，常年來看，存在取不上水的潛在可能，致使取水口取水保證率較低；該方案對(duì)后期運(yùn)維管理水平要求較高，管理不到位可直接造成高含沙入灌區(qū)；此外由于大河兩岸淘刷及沙漠侵蝕較為嚴(yán)重，也會(huì)造成攔河取水建筑物更新改造費(fèi)用較高。

取水工程布局改造方案二，具備工程投資較小的優(yōu)點(diǎn)，雖然相對(duì)于方案一可在一定程度上減小灌區(qū)高含沙水引入的風(fēng)險(xiǎn)，但方案一存在的問題，方案二仍無(wú)法完全改觀。

取水工程布局改造方案三，具有供水保證率高、水質(zhì)清澈、能兼顧移民村生活供水、可作為且末縣城第二水源工程、后期現(xiàn)代化統(tǒng)一管理方便等優(yōu)點(diǎn)。因需建設(shè)32km 輸水管道，工程建設(shè)投資在三個(gè)方案中最高；但由于易損工程的更新改造費(fèi)用大大減少，全計(jì)算分析期的總費(fèi)用現(xiàn)值與方案一接近。

綜合考慮各比選方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案三可從根本上解決灌區(qū)現(xiàn)狀引水必引沙而造成的耕地沙化、農(nóng)民減產(chǎn)減收、水利工程損毀、生態(tài)環(huán)境惡化等突出問題，因此，引水水源工程改造布局方案選擇方案三，即新建取水口從大石門水庫(kù)尾水取水，并優(yōu)化灌區(qū)灌排渠系工程布局的方案(見表3)。

表3 引水水源工程改造布局方案對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

新疆車爾臣河引水水源工程的實(shí)施，對(duì)改善新疆車爾臣河流域水資源時(shí)間、空間分布不均和應(yīng)對(duì)且末縣和農(nóng)二師37團(tuán)發(fā)生旱情具有重要意義。本文分析了新疆車爾臣河引水水源工程布局的可能性方案，經(jīng)綜合比較后，確定了新建取水口從大石門水庫(kù)尾水取水的布置方案，以充分發(fā)揮大石門水庫(kù)工程的灌溉效益，提高車爾臣河水資源利用效率。本文研究結(jié)果可供類似地區(qū)取水水源工程的方案比選參考和借鑒。