鐙口揚(yáng)水灌區(qū)骨干渠道淤沙處理對(duì)策

盧 斐，王虎剛

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)鐙口揚(yáng)水灌區(qū)管理局，014000,包頭；2.內(nèi)蒙古水土保持工作站，010000,呼和浩特）

鐙口揚(yáng)水灌區(qū)地處內(nèi)蒙古土默川平原，位于包頭市、呼和浩特市之間，涉及包頭市東河區(qū)、土默特右旗和呼和浩特市土默特左旗3個(gè)旗區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉任務(wù)，設(shè)計(jì)灌溉面積116萬畝(1畝=1/15 hm2,下同)，實(shí)際灌溉面積67萬畝。

一、灌區(qū)現(xiàn)狀與問題

鐙口揚(yáng)水灌區(qū)由鐙口揚(yáng)水站、總干渠灌區(qū)、民生渠灌區(qū)、躍進(jìn)渠灌區(qū)和哈素海灌區(qū)組成，揚(yáng)水站由臨河式東、西泵站兩部分組成，分別建于1975年和1969年，裝機(jī)總?cè)萘? 780 kW，設(shè)計(jì)總提水能力63m3/s，年均提水量2.5億m3左右。灌區(qū)骨干渠系工程由總干渠、民生渠、躍進(jìn)渠三大干渠組成。灌區(qū)種植作物主要有玉米、小麥、葵花及其他作物，種植比例為80%、15%、4.8%、0.2%，作物總產(chǎn)量為28 844萬kg，總產(chǎn)值為54 972.29萬元。灌區(qū)農(nóng)田年均灌溉三次，其中夏季二次、秋季一次。除農(nóng)業(yè)灌溉供水以外，鐙口揚(yáng)水灌區(qū)泵站同時(shí)負(fù)責(zé)向呼和浩特哈素海生態(tài)補(bǔ)水任務(wù)，每年補(bǔ)水量為2 500萬m3左右。灌區(qū)地貌形態(tài)為現(xiàn)代黃河沖積平原地貌，地形平坦。灌區(qū)西起包頭市東河區(qū)鐙口地區(qū)，東至呼和浩特市大黑河永順渠，長約100 km，北依京包鐵路，南與黃河接壤，寬約20 km，西高東低，呈不規(guī)則三角形狀，其正處于黃河南岸“十大孔兌”中下游。

根據(jù)《黃河內(nèi)蒙古鐙口揚(yáng)水灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造規(guī)劃》，灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉取水總量為2.9億m3/a，其中哈素海灌區(qū)和生態(tài)補(bǔ)水0.7億m3/a，鐙口一級(jí)揚(yáng)水灌區(qū)2.2億m3/a，按照最新統(tǒng)計(jì)，黃河內(nèi)蒙古鐙口揚(yáng)水灌區(qū)近幾年實(shí)際引黃水量平均為2.387億m3/a。灌區(qū)現(xiàn)狀渠系水利用系數(shù)為0.55，灌區(qū)現(xiàn)狀畝灌溉定額495m3?，F(xiàn)狀用水已采取支斗口計(jì)量按方收費(fèi)，一級(jí)揚(yáng)水灌區(qū)平均成本價(jià)0.0812元/m3（核減了財(cái)政補(bǔ)助收入），現(xiàn)行水價(jià)按照2019年自治區(qū)發(fā)改委核準(zhǔn)價(jià)格0.0812元/m3收取。二級(jí)揚(yáng)水灌溉水源是通過鐙口揚(yáng)水站提水后，經(jīng)鐙口灌區(qū)總干渠、民生渠進(jìn)入哈素海，再由哈素海提水灌溉，長期以來水價(jià)與供水成本背離，現(xiàn)狀成本水價(jià)0.197元/m3，農(nóng)業(yè)灌溉執(zhí)行水價(jià)0.111/m3元。

灌區(qū)存在的主要問題包括：一是灌區(qū)渠道淤積嚴(yán)重。灌區(qū)由于多年的運(yùn)行加之揚(yáng)水站進(jìn)水口較低，大量粗顆粒泥沙經(jīng)揚(yáng)水泵站進(jìn)入渠道，加之干渠長期高水位、小流量運(yùn)行，渠道比降降低，渠道流速減小，加速泥沙沉積，造成灌區(qū)渠道泥沙淤積嚴(yán)重,干渠平均淤積高度0.4～0.7 m。二是灌區(qū)灌溉水利用效率低。灌區(qū)渠道的淤積使得渠道水流流量變小、流速降低，渠道的滲漏、蒸發(fā)水量增加，干渠水利用系數(shù)僅為0.73，灌溉水利用系數(shù)僅為0.401。三是渠道清淤使水管單位管理費(fèi)用增加。由于灌區(qū)內(nèi)渠道淤積嚴(yán)重，每年干渠的清淤量約為30萬m3，清淤費(fèi)用高達(dá)135萬元，而灌區(qū)水管單位水費(fèi)多年平均收益為946萬元，清淤費(fèi)用占水費(fèi)收入的14.27%，每年的清淤費(fèi)用給水管單位帶來沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。四是灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造投資不足。近年來為降低灌區(qū)管理和維護(hù)成本，提高灌區(qū)灌溉水利用效率，保障地區(qū)的水資源可持續(xù)利用與發(fā)展，國家和地方加大投資力度，對(duì)灌區(qū)骨干水利工程進(jìn)行續(xù)建配套和節(jié)水改造，但灌區(qū)支渠及以下渠系續(xù)建配套與節(jié)水改造投入不足，支渠及以下渠系淤積嚴(yán)重，輸水能力下降，從而導(dǎo)致干渠只能高水位小流量運(yùn)行，加重了干渠淤積。

二、成因分析

1.入渠泥沙來源及特征分析

根據(jù)灌區(qū)渠首泵站取水口前黃河泥沙淤積狀況及影響因素分析，得到如下結(jié)論：一是近幾年灌溉期間，泵站提水運(yùn)行天數(shù)85～115天，引水量2.05億～3.06億m3，帶入干渠的泥沙總量為43.68萬t～53.97萬 t，帶入干渠的泥沙粒徑 2～50 μm的占 70%左右，粒徑＞50 μm的粗沙約占20%左右，粒徑＜2 μm約占10%。二是從時(shí)間分布上來看，夏灌二水來沙量最大，主要原因是夏灌期與黃河夏汛時(shí)間重合，黃河來水來沙量增大；同時(shí)夏灌二水的引水量也大于其他灌水期。三是從每年泵站提水量來看，提水量與帶入干渠的泥沙量沒有直接關(guān)系；如2011年共計(jì)從黃河提水量2.05億m3，取水泥沙總量約為45.38萬t，而2015年從黃河提水量3.06億m3，與2011年相比提水總量高了49%，而帶入干渠泥沙總量為43.68萬t，低于2011年泥沙總量。四是根據(jù)泵站出水口含沙量和流量變化過程分析，入渠的推移質(zhì)泥沙含量隨著流量的增大而提高，泵站流量越大，對(duì)淤積泥沙的抽吸能力越強(qiáng)，停水時(shí)取水口淤積厚度越小，進(jìn)入渠道的推移質(zhì)泥沙越多。五是泵站所處的位置和抽水時(shí)間影響干渠泥沙淤積總量。由于泵站位于黃河主要沙源“十大孔兌”的下游，8～10月汛期高含沙洪水使得黃河的含沙量明顯增多，造成秋灌引水時(shí)含沙量較高；同3～4月份黃河開河期槽蓄水量下泄，流量增大，河岸凍土融化，強(qiáng)度降低，造成河岸坍塌，黃河含沙量增大，從而導(dǎo)致春灌引水含沙量高。

2.干渠淤積情況及泥沙特性分析

一是在時(shí)間上，各灌水期淤積量與引水量、黃河來沙量等因素有關(guān)，但春灌期由于泵站對(duì)進(jìn)水口前淤積粗顆粒泥沙的抽吸作用，是同等流量下淤積最為嚴(yán)重的灌水期，也是導(dǎo)致干渠淤積的主要原因。二是在空間上，總干渠淤積嚴(yán)重的渠段主要為土合氣橋—五當(dāng)溝斷面和泵站出水口—東富橋渠段。根據(jù)含沙量沿程變化與流量關(guān)系，得到不同來水、來沙條件下總干渠沖淤平衡臨界水力條件如下：當(dāng)來沙量＜1.0 kg/m3，要求總干渠保持兩臺(tái)泵流量即Q＞12m3/s時(shí)不發(fā)生淤積；含沙量1～1.5㎏/m3時(shí)渠道流量應(yīng)該保持在3臺(tái)泵以上不發(fā)生淤積；含沙量在1.5～2.5㎏/m3時(shí)保證4臺(tái)泵流量為總干渠不發(fā)生淤積；含沙量在2.5～4.0 kg/m3時(shí)保證5臺(tái)泵運(yùn)行流量總干渠不發(fā)生淤積，經(jīng)分析總干渠不發(fā)生淤積的條件為流量為4臺(tái)泵運(yùn)行流量24 m3/s。三是從細(xì)顆粒泥沙顆粒級(jí)配來看，80%以上的泥沙為不參與造床作用的沖瀉質(zhì)，因此細(xì)顆粒泥沙不是造成渠道淤積的主要原因。

從粗顆粒泥沙級(jí)配來看，70%以上泥沙為粒徑小于0.05 mm砂粒，且該部分泥沙沿程逐漸降低，表明在渠道內(nèi)發(fā)生淤積，因此粗顆粒泥沙是導(dǎo)致干渠淤積主要原因，提高該部分泥沙的輸移率或降低該部分泥沙的入渠量是解決干渠淤積的關(guān)鍵。春灌和秋灌含沙量高且垂向分布變化大，這兩個(gè)時(shí)期泥沙粒徑分布不均勻，是導(dǎo)致干渠泥沙淤積的主要時(shí)期。

3.干渠泥沙輸移特性及沖淤平衡分析

通過對(duì)干渠挾沙能力計(jì)算，影響各斷面挾沙力的因素以及沖淤計(jì)算，對(duì)干渠泥沙輸移特性及沖淤平衡分析如下：

（1）采用張紅武水流挾沙力公式計(jì)算近三年斷面的水流挾沙能力。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，渠道各斷面的水流挾沙能力與總干渠流量有一定的相關(guān)性，總體趨勢(shì)表現(xiàn)為在同一斷面下，流量越大，水流挾沙能力越強(qiáng)。但由于水流挾沙力還受其他因素的影響，因而斷面的水流挾沙能力與流量的變化趨勢(shì)并不表現(xiàn)為絕對(duì)的單向性。同時(shí)通過比較不同斷面的挾沙能力、含沙量與流量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)渠道基本表現(xiàn)出一種類似“汛沖枯淤”的總體規(guī)律。即引水量較大時(shí)，渠道總體表現(xiàn)為沖刷狀態(tài)，引水量流量較小時(shí)，渠道總體表現(xiàn)為淤積狀態(tài)。

（2）影響水流挾沙力的因素眾多，對(duì)渠縱比降、流量和粒徑對(duì)干渠水流挾沙能力的影響進(jìn)行了分別分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)總干渠的實(shí)際流量接近設(shè)計(jì)流量、渠道縱比降為1/7 000、泥沙粒徑小于0.07 mm時(shí)，用比值挾沙力計(jì)算出的挾沙力值與實(shí)際的總干渠的挾沙力值最為接近。

（3）根據(jù)計(jì)算得到近三年總干渠沖淤情況，由計(jì)算結(jié)果可以看出，每年份總干渠都發(fā)生了不同程度的淤積。同時(shí)過對(duì)輸沙效率指標(biāo)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流量介于23～33 m3/s時(shí)，三個(gè)年份總干渠淤積強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致，即渠道從淤積狀態(tài)逐漸趨向沖刷狀態(tài)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，三個(gè)年份由淤積轉(zhuǎn)向沖刷的臨界引水流量有較大差別，差別的存在與渠道的床沙組成、水流含沙量以及水流特征等因素有關(guān)。當(dāng)流量介于15～23 m3/s時(shí)，各個(gè)年份的渠道均出現(xiàn)強(qiáng)度很大淤積。

三、對(duì)策建議

針對(duì)鐙口揚(yáng)水灌區(qū)干渠淤積原因，為保障干渠正常運(yùn)行，恢復(fù)灌區(qū)功能，建議從工程和管理兩個(gè)方面解決干渠淤積問題。

1.工程措施

干渠泥沙防治的工程措施主要有泵站進(jìn)水口前的防沙工程和干渠上的輸沙措施。由于進(jìn)入干渠的泥沙大部分來自于泵站進(jìn)水口前黃河河道泥沙的淤積，因此根據(jù)其他灌區(qū)泥沙防治經(jīng)驗(yàn)， 為防止淤積在進(jìn)水口前的泥沙由于水泵的抽吸作用進(jìn)入干渠，可在泵站進(jìn)水口前設(shè)置疊梁閘門，從而保障進(jìn)入總干渠的水流為表層的低含沙水流。建議將疊梁閘門的頂部設(shè)置在距自由水面1.6 m以下，既可以極大地減少泥沙進(jìn)入到泵站，又可以獲得較好的水流流態(tài)，防止水泵空化、氣蝕。另外，又可以通過沖沙、拉沙措施攪動(dòng)泵站前的水流，從而使淤積在河床的床沙從推移質(zhì)變成懸移質(zhì)，通過黃河水流帶到下游，達(dá)到降低泵站進(jìn)水口前淤積高程目的。干渠的防御措施主要為提高水流挾沙能力，而水流挾沙能力與干渠水流流速有關(guān)。因此，在保證引水流量不變的情況下，要改變干渠渠道坡降、斷面及糙率提高干渠水流流速。

2.管理措施

科學(xué)調(diào)水配水，合理調(diào)度流量；避開黃河沙峰引水；節(jié)水減淤。嚴(yán)格管理制度，禁止抬高干渠下游水位，杜絕小流量高水位運(yùn)行，減少人為的渠道淤積；將干渠內(nèi)淤積的泥沙排進(jìn)沉沙池后，利用淤積泥沙制磚或其他建筑材料。