引黃濟(jì)青渠首引水工程運(yùn)行管理探討

王均喬 鮑 芳

(山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心濱州分中心，山東 濱州 256600)

引黃濟(jì)青工程是山東省大型跨流域、遠(yuǎn)距離調(diào)水工程，從博興縣打漁張引黃閘引取黃河水,經(jīng)輸沙渠與沉沙條渠連接，使黃河水經(jīng)過沉淀后以清水的形式進(jìn)入輸水河送至青島市。膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程于2013年實(shí)現(xiàn)全線主體貫通并具備通水條件以后，適逢煙臺(tái)、威海兩市遭遇極端連續(xù)干旱，水資源供需矛盾十分突出。為保障煙臺(tái)、威海兩市基本用水需求，從2014年起引黃調(diào)水工程還承擔(dān)了向煙臺(tái)、威海供水的任務(wù)。引黃濟(jì)青工程自1989年11月建成通水，至今已安全運(yùn)行30年，截至2019年底，共引黃河水59.62億m3,為膠東地區(qū)及工程沿線經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供了可靠的水源保證，取得了巨大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。但工程經(jīng)過30年的運(yùn)行，已嚴(yán)重老化，引水能否滿足需要，是面臨的一個(gè)重大課題，需要對(duì)渠首引水工程運(yùn)行模式進(jìn)行認(rèn)真總結(jié)研究，并提出相應(yīng)的對(duì)策。

1 渠首引水工程設(shè)計(jì)

1.1 輸沙渠設(shè)計(jì)

引黃濟(jì)青進(jìn)水閘后設(shè)計(jì)分為高、低輸沙渠。為了使輸沙渠多沙時(shí)的淤積能夠在少沙時(shí)沖去，基本維持渠道縱橫斷面沖淤平衡狀態(tài)，必須設(shè)計(jì)一個(gè)合適的輸沙渠縱坡，用下列四個(gè)方程連解求得：

a.水流動(dòng)力方程：

v= 1/nR2/3J1/2

(1)

b.水流連續(xù)方程：

Q=Av

(2)

c.水流挾沙能力公式：

ρ=4.6v2/Rω2/3

(3)

d.斷面形態(tài)關(guān)系式：

B=3.15Q0.6

(4)

式(3)、式(4)兩式根據(jù)打漁張、人民勝利渠等引黃灌區(qū)實(shí)測資料綜合求得，連解以上四式可得：

J=0.239n2ω0.73ρ1.1/Q0.1

(5)

式中J——沖淤平衡比降；

n——不同含沙量渾水糙率；

ω——考慮絮凝泥沙平均沉速,cm/s；

ρ——含沙量,kg/m3；

Q——流量,m3/s。

利用上述公式對(duì)12個(gè)引水月份沖淤平衡比降進(jìn)行計(jì)算，推算的沖淤平衡比降一般在1/4500～1/7500，個(gè)別的在1/10000左右，據(jù)此選定輸沙渠正常沉沙運(yùn)用設(shè)計(jì)比降為1/6000。

1.2 沉沙池設(shè)計(jì)

引黃濟(jì)青工程沉沙池采用條渠形沉沙池。條渠出口含沙量設(shè)計(jì)采用超飽和理論計(jì)算，經(jīng)用打漁張、陳垓等灌區(qū)實(shí)測資料驗(yàn)證，具有精度高、參數(shù)選用簡單等優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算與實(shí)測出口含沙量誤差為±4.7%。設(shè)計(jì)總沉沙面積36km2，設(shè)9個(gè)條渠分期使用，每條使用4～5年，總共可用40年。第一期修建2號(hào)條渠，為避免遷村困難，且有利于今后新村建設(shè)，2號(hào)條渠進(jìn)口段進(jìn)行調(diào)整，改由第一條渠進(jìn)水。第一期工程修建第二、第三兩隔堤，長度分別為5930m與6530m,平均寬550m，沉沙面積3.2km2。[1]

2 渠首引水工程運(yùn)行方案的演變過程

2.1 原設(shè)計(jì)工程運(yùn)行方式

渠首引水工程設(shè)計(jì)方案包括輸沙渠和沉沙池兩部分。其中輸沙渠分為高、低輸沙渠，高、低輸沙渠平行，三堤兩渠。在工程使用初期利用低輸沙渠，黃河水自流進(jìn)入沉沙池，隨著沉沙池不斷淤高，自流引水能力逐步喪失，改用泵站揚(yáng)水，通過泵站和高輸沙渠把黃河水送于沉沙池。沉沙條渠淤滿后蓋淤還耕，置換下一個(gè)沉沙條渠，依次循環(huán)。

2.2 以挖待沉方案的提出

引黃濟(jì)青工程1989年11月通水，至1993年6月，經(jīng)過4個(gè)引水年度的運(yùn)行，2號(hào)沉沙條渠沉積泥沙530萬m3，上游段(張寨橋以上段)平均高程達(dá)11.0m(黃海高程)以上(平均淤高近3.0m)，中游段(張寨橋—?jiǎng)⑼鯓蛑g)高程在11.0～10.0m之間，引沙量已超額完成自流沉沙任務(wù)，同時(shí)自流引水年數(shù)也已超出設(shè)計(jì)值，自流沉沙功能幾乎喪失[2]。原設(shè)計(jì)修建打漁張揚(yáng)水泵站，由于資金不足等原因，泵站一直處于停建狀態(tài)，揚(yáng)水沉沙功能不能實(shí)現(xiàn)。為保證工程的正常運(yùn)行，必須采取工程措施才能進(jìn)一步挖掘沉沙池的沉沙潛力，提高沉沙池的使用年限。隨著時(shí)間的推移，各種條件都在變化，人們的認(rèn)識(shí)也不斷擴(kuò)展變化，在泥沙處理方式上產(chǎn)生了一種新的觀點(diǎn)——以挖待沉方案，即將沉沙池內(nèi)的泥沙清出，騰出庫容沉積泥沙。1992年下半年和1993年初，山東省引黃濟(jì)青工程管理局、濱州分局組織技術(shù)人員到省內(nèi)其他大型引黃灌區(qū)進(jìn)行考察學(xué)習(xí)，并對(duì)各種清淤方式進(jìn)行社會(huì)調(diào)查，通過反復(fù)論證，決定采用多種清淤方式組合來探索以挖待沉方案的可行性。

2.3 以挖待沉方案的實(shí)施

2.3.1 沉沙池內(nèi)貼式清淤

以挖待沉方案確定以后，對(duì)于采用何種清淤方式、機(jī)具，清淤場、棄淤場如何布置，作過多種方案比較。清淤部位首先是淤積嚴(yán)重、影響引水沉沙的上、中游段。經(jīng)過對(duì)多家挖泥船和挖塘機(jī)施工隊(duì)伍考察，反復(fù)論證比較，鑒于當(dāng)時(shí)棄淤場地?zé)o法解決，不得已只能在沉沙池內(nèi)沿隔堤兩側(cè)各寬100m范圍內(nèi)貼棄淤，在運(yùn)距近、揚(yáng)程低的情況下，采用挖塘機(jī)施工比較經(jīng)濟(jì)。

1993年5月，省局、濱州分局有關(guān)技術(shù)人員組成清淤工作組，負(fù)責(zé)制定清淤方案、選擇施工隊(duì)伍、進(jìn)行施工管理。經(jīng)現(xiàn)場勘測、規(guī)劃，編制了《引黃濟(jì)青工程沉沙池挖塘機(jī)清淤方案設(shè)計(jì)》，對(duì)施工任務(wù)、施工布置、施工隊(duì)伍的確定、施工管理等諸方面都進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)劃。根據(jù)挖塘機(jī)清淤方案設(shè)計(jì)，1993年6月開始實(shí)施沉沙池內(nèi)貼式清淤。通過議標(biāo)的形式選定了兩家施工隊(duì)伍。共組織71臺(tái)挖塘機(jī)，上工人數(shù)600余人。1993年完成內(nèi)貼清淤128.7萬m3,保證了1993年度的引水任務(wù)順利完成。實(shí)踐證明以挖待沉方案是成功的，是延長沉沙條渠自流沉沙年限的有效辦法。在總結(jié)1993年施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，1994—1997年繼續(xù)采用挖塘機(jī)清淤，1993—1997年共完成內(nèi)貼清淤320萬m3，確保了引黃濟(jì)青工程歷年調(diào)水任務(wù)的順利完成。

2.3.2 沉沙池挖泥船外清方案實(shí)施

內(nèi)貼式清淤開發(fā)了2號(hào)沉沙池的沉沙能力，確保了引黃濟(jì)青工程的正常運(yùn)行。但這一方式減小了沉沙面積71.85萬m2,占沉沙池上、中游沉沙面積的1/3，不宜再繼續(xù)擴(kuò)大棄淤場地，否則沉沙能力就會(huì)降低。為了確保引黃濟(jì)青工程的正常運(yùn)行，在總結(jié)自身經(jīng)驗(yàn)及借鑒其他引黃灌區(qū)成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，1996年又提出了“化整為零、臨時(shí)占用、合理補(bǔ)償、適時(shí)還耕”的新思路，即租用沉沙池附近一定面積的低洼鹽堿地作為棄淤場，每年給予一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，三四年左右清淤完成后立即還耕，既改造了土地，又解決了排淤問題。根據(jù)這一思路進(jìn)行了大量調(diào)查研究、現(xiàn)場勘察、分析計(jì)算工作之后，編寫了《引黃濟(jì)青工程沉沙池清淤規(guī)劃》，對(duì)今后10年的泥沙處理提出了規(guī)劃意見。清淤規(guī)劃選擇了7塊條形棄淤場，這些場地在隔堤外側(cè)，平行隔堤布置，垂直隔堤方向200m左右，面積為150萬m2,基本可滿足10年使用。

根據(jù)清淤規(guī)劃，對(duì)沉沙池挖泥船外清方案進(jìn)行細(xì)化，并做出第一期(前3年)清淤方案設(shè)計(jì)。1996年5月，經(jīng)與當(dāng)?shù)卣畢f(xié)商，達(dá)成臨時(shí)租地協(xié)議，租用土地435畝，分3塊棄淤場，租期3年，清淤完成后立即還耕。通過投標(biāo)選定3家施工隊(duì)伍施工，每隊(duì)分別組織兩條80m3/h的挖泥船。經(jīng)過3年的艱苦拼搏，1998年底完成清淤235萬m3，3塊棄淤場達(dá)到還耕要求，蓋淤后及時(shí)還耕。實(shí)踐證明，沉沙池挖泥船外清方案既滿足了清淤的需要，又改造了土地，達(dá)到了雙贏的目的。

2.3.3 以挖待沉方案的效果

從1999年至今，每年進(jìn)行沉沙條渠清淤。由于受棄淤場、經(jīng)費(fèi)、施工條件、環(huán)境制約等因素影響，每年清淤數(shù)量較小。截至2019年底，沉沙條渠內(nèi)貼清淤598萬m3，外清585萬m3，合計(jì)1183萬m3。保證了引黃濟(jì)青工程歷年調(diào)水任務(wù)的順利完成。

2.4 啟用移動(dòng)泵船搶引水

2.4.1 移動(dòng)泵船建設(shè)的必要性

自2002年起，黃河進(jìn)行多次調(diào)水沖沙，打漁張引黃閘前黃河河底沖刷較為嚴(yán)重，河底降低1m左右，引黃濟(jì)青工程實(shí)測分流比平均為0.14，只達(dá)到原設(shè)計(jì)的56%，并呈遞減趨勢。尤其是2010—2011年度輸水實(shí)測分流比小于0.1，僅達(dá)到原設(shè)計(jì)的24%，黃河有水卻引不進(jìn)來。為了提高渠首引水工程的輸水能力，滿足引黃濟(jì)青工程設(shè)計(jì)引水量的要求，確保膠東地區(qū)城市的供水安全，2014年山東省膠東調(diào)水局(原山東省引黃濟(jì)青工程管理局)多次組織有關(guān)工程技術(shù)人員到渠首工程所在地實(shí)地勘察，先后提出了多種解決方案，多方聽取專家意見，最后決定建設(shè)浮體移動(dòng)泵船工程，擴(kuò)大引調(diào)水能力。

2.4.2 移動(dòng)泵船施工與安裝

根據(jù)工程現(xiàn)場情況，將泵船布置在原設(shè)計(jì)的打漁張泵站進(jìn)水池內(nèi)(該泵站因多種原因停建)，按照確保引水流量25m3/s的要求，結(jié)合泵船組合方式，安裝了12臺(tái)流量1.6m3/s、揚(yáng)程3m的水泵；12臺(tái)流量1.0m3/s、揚(yáng)程5m的水泵，以滿足引水需要。這兩種泵均采用鋼制井筒式安裝，分兩種組合，組合一是將兩個(gè)流量1.0m3/s的泵安在一個(gè)浮體上，組合二是將一個(gè)流量1.6m3/s的泵安裝在一個(gè)浮體上。泵船出水側(cè)低渠原為混凝土預(yù)制板全斷面護(hù)砌，考慮到不能抵抗泵船出水的沖擊，決定對(duì)泵船出水段低渠進(jìn)行必要防護(hù)。經(jīng)多方案比較決定采用5mm厚鋼板對(duì)渠道全斷面進(jìn)行防護(hù)，泵船出水側(cè)渠坡鋼板用18號(hào)槽鋼連接、加固，渠底用18號(hào)槽鋼連接、加固后再壓上預(yù)制樓板壓重。對(duì)原35kV臨時(shí)變電站增容改造，拆除原臨變站800kVA變壓器，安裝4000kVA變壓器并對(duì)相應(yīng)的保護(hù)、測量設(shè)備進(jìn)行改造。泵船用電是從改造的臨時(shí)變電站架設(shè)10kV高壓線路至泵船附近的4臺(tái)630kVA的箱式變壓器上，再接線至泵船變電箱內(nèi)。

2.4.3 泵船運(yùn)行發(fā)揮的效益

移動(dòng)泵船工程2014年8月8日開工建設(shè)，2014年10月10日竣工并一次性試車成功，泵船正式投入運(yùn)行。截至2019年底，移動(dòng)泵船引水總量21.89億m3，有效地保障了膠東地區(qū)城市用水和部分農(nóng)業(yè)灌溉用水。

3 引黃濟(jì)青改擴(kuò)建渠首引水工程建設(shè)

引黃濟(jì)青改擴(kuò)建工程旨在解決引黃濟(jì)青工程設(shè)施老化、輸水效率降低、輸水能力不足等問題，2012年經(jīng)山東省發(fā)改委批復(fù)可行性研究報(bào)告，2014年批復(fù)初步設(shè)計(jì)。根據(jù)改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)，渠首引水工程建設(shè)內(nèi)容為：重建渠首進(jìn)水閘，新建打漁張泵站，并對(duì)高輸沙渠進(jìn)行全斷面襯砌[3]。

由于黃河進(jìn)行多次調(diào)水沖沙，打漁張引黃閘前黃河河底沖刷較為嚴(yán)重，河底降低1m多。原進(jìn)水閘閘底板高程9.0m，必須重建進(jìn)水閘、降低閘底板高程，才能滿足引水要求。設(shè)計(jì)確定進(jìn)水閘閘底板高程8.25m，設(shè)計(jì)流量41m3/s，校核流量45m3/s。新建打漁張泵站在停建泵站原址處，重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)流量36m3/s，校核流量39.6m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程3.02m。共安裝5臺(tái)軸流泵，其中1臺(tái)備用，水泵按全調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，配套5臺(tái)900kW同步電機(jī)，總裝機(jī)容量4500kW。高輸沙渠已完成土方填筑及橋梁等工程內(nèi)容，尚未實(shí)施渠道混凝土板襯砌，此次改擴(kuò)建采用全斷面防滲混凝土板護(hù)砌，以減少滲漏，確保輸水安全。至2019年底，渠首引黃濟(jì)青改擴(kuò)建工程打漁張泵站、進(jìn)水閘和高輸沙渠襯砌已基本完成，但由于泵站機(jī)組自動(dòng)化調(diào)試工作尚未完成，泵站揚(yáng)水還沒有運(yùn)行。

4 面臨的困境

4.1 渠首引水工程現(xiàn)狀

低輸沙渠斷面淤積嚴(yán)重，尤其是2014年10月移動(dòng)泵船啟用后揚(yáng)水至低輸沙渠，抬高了水位，受沉沙池進(jìn)口淤積的頂托，渠底淤積嚴(yán)重，低輸沙渠比降由原設(shè)計(jì)的1/6000基本變?yōu)槠狡?；?jīng)測量，渠道過水?dāng)嗝鎳?yán)重不足，僅為設(shè)計(jì)過水?dāng)嗝娴?0%。

引黃濟(jì)青工程從1989年運(yùn)行至2019年底，共引水59.62億m3，引進(jìn)泥沙1336萬m3。泥沙淤積主要分布在沉沙池上、中游，約占總沉積量77.3%。從1993年開始進(jìn)行沉沙池清淤，截至2019年底，沉沙池內(nèi)貼清淤598萬m3，外清585萬m3。由于挖塘機(jī)內(nèi)貼清淤泥沙堆放在隔堤兩側(cè)，泥沙仍然存放在沉沙池內(nèi)，經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)沉沙池內(nèi)約存有泥沙751萬m3。挖塘機(jī)內(nèi)貼清淤方式減少了沉沙面積94.52萬m2，占沉沙池上、中游沉沙面積的45%。在設(shè)計(jì)水位時(shí)，中、上游過水面積僅為設(shè)計(jì)過水?dāng)嗝娴?0%，運(yùn)行主要靠中間溜溝過水，現(xiàn)在沉沙面積主要在下游，淤積高程也達(dá)到10.0m。必須采取工程措施，否則沉沙面積繼續(xù)減小，沉沙能力降低，會(huì)將泥沙帶到輸水渠道，影響下游河道的過水能力。

4.2 渠首引水量加大

現(xiàn)在青島市的設(shè)計(jì)供水能力由原來的30萬m3/d達(dá)到71萬m3/d，最大達(dá)到130萬m3/d[4]，另外還要承擔(dān)向煙臺(tái)、威海的供水任務(wù)，再加上博興縣工農(nóng)業(yè)用水，這就需要在渠首年引水量超過7億m3。

5 渠首引水運(yùn)行模式探討

針對(duì)需水量加大、渠首沉沙工程嚴(yán)重老化這對(duì)矛盾，需要對(duì)渠首引水運(yùn)行模式進(jìn)行認(rèn)真探討。

5.1 延長調(diào)水時(shí)間

引黃濟(jì)青設(shè)計(jì)引水時(shí)間為冬季11月下旬至翌年3月中旬?？鄢鶅銎谟绊?，保證率95%情況下有效引水天數(shù)為70天。為充分挖掘工程調(diào)水潛力，針對(duì)需水量遠(yuǎn)大于工程設(shè)計(jì)規(guī)模的實(shí)際情況，可以采取延長調(diào)水時(shí)間的辦法加大調(diào)水量，工程調(diào)水時(shí)間從最初設(shè)計(jì)的不足三個(gè)月，逐漸延長至全年運(yùn)行。

5.2 新沉沙池建設(shè)

應(yīng)盡快進(jìn)行新沉沙池建設(shè)，新建一條沉沙池，加上泵站揚(yáng)水沉沙，可以解決比較長久的泥沙沉積問題。在新、舊沉沙池運(yùn)用上科學(xué)調(diào)度，充分利用舊沉沙池下游的沉沙功能。在新沉沙池內(nèi)配置幾只挖泥船，將沉積的泥沙輸送到舊沉沙池內(nèi)，淤改后及時(shí)還耕。這樣可以比較長久地解決引黃濟(jì)青工程的泥沙處理問題。

5.3 加大清淤力度

雖然打漁張泵站已建成，可以實(shí)現(xiàn)揚(yáng)水沉沙功能，但也只能再用3～5年，現(xiàn)用的2號(hào)沉沙條渠已運(yùn)行30年，淤積嚴(yán)重，再新建一條沉沙條渠暫時(shí)不可能實(shí)現(xiàn)，針對(duì)以上情況，近期必須采取各種措施才能保證工程的正常運(yùn)行。

5.3.1 加大沉沙池清淤力度

針對(duì)渠首引水工程的現(xiàn)狀，目前措施必須是加大清淤力度，把沉沙池的泥沙徹底清除，恢復(fù)到建設(shè)初期的狀態(tài)。由于調(diào)水工程需要全年運(yùn)行，挖塘機(jī)清淤無法實(shí)現(xiàn)，必須采用挖泥船外排清淤?？梢栽诔辽硹l渠上游、中游、下游分別安排一只挖泥船，利用3～5年時(shí)間清完沉沙條渠內(nèi)751萬m3的泥沙。之后，根據(jù)引水沉積泥沙量安排挖泥船進(jìn)行清淤，做到來多少清多少，使沉沙工程盡可能增大引水能力，這樣可以比較長久地解決膠東調(diào)水工程的泥沙處理問題。

5.3.2 低輸沙渠改造

由于新建進(jìn)水閘閘底板降低，根據(jù)降低后的設(shè)計(jì)水位將低輸沙渠重新進(jìn)行開挖，將渠道挖的夠深夠?qū)?，形成大比降引水，只要黃河有水就能引進(jìn)來，待沉沙條渠清到初始狀態(tài)時(shí)可以采用自流引水。

6 結(jié) 語

通過以上分析，引黃濟(jì)青工程在修建打漁張揚(yáng)水泵站的基礎(chǔ)上，必須加大力度，將沉沙條渠現(xiàn)有沉積的泥沙清出去，這樣可以利用泵站搶引水，只要黃河有水就可以引進(jìn)來，從而很好地解決黃河河底降低引起的引水能力不足和沉沙系統(tǒng)老化問題，并長效解決調(diào)水引水困難的問題。