濱州市小開(kāi)河引黃灌區(qū)引水能力降低原因及對(duì)策探討

丁殿濱，龐啟航，邱 晨

（濱州市引黃灌溉管理服務(wù)中心，山東 濱州 256600）

1 引言

自2002 年開(kāi)始，黃河調(diào)水調(diào)沙已進(jìn)行20 次，有28.8 億t 黃河泥沙排入大海。特別是黃委2020 年防御大洪水實(shí)戰(zhàn)演練，自6月24日開(kāi)始，至7月10日結(jié)束，歷時(shí)17 d，黃河最大下泄流量5 500 m3∕s，下游主河槽最小過(guò)水能力提高到5 000 m3∕s以上，極大拓展了黃河下游防洪空間，提高了黃河防汛安全水平。但是，隨著黃河調(diào)水調(diào)沙的不斷進(jìn)行，黃河下游河床不斷刷深，截止目前，主河槽最大刷深已達(dá)2 m 以上[1]，給沿黃灌區(qū)引水帶來(lái)極大困難，引水困難已成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。本文以山東省濱州市小開(kāi)河引黃灌區(qū)為例，詳細(xì)分析黃河調(diào)水調(diào)沙后小開(kāi)河引黃閘前黃河主河槽刷深導(dǎo)致灌區(qū)引水能力降低現(xiàn)狀，并根據(jù)灌區(qū)近年來(lái)含沙量和泥沙粒徑實(shí)測(cè)資料，運(yùn)用挾沙能力公式計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)，根據(jù)4種方案比較，提出了有針對(duì)性的建議。

2 小開(kāi)河引黃灌區(qū)引水能力現(xiàn)狀

2.1 小開(kāi)河引黃灌區(qū)基本情況

濱州市小開(kāi)河引黃灌區(qū)位于山東省北部、黃河下游左岸，縱貫濱州市中部，是國(guó)家大（2）型引黃灌區(qū)。引黃閘位于黃河大壩樁號(hào)253+690 處，設(shè)計(jì)流量60 m3∕s，設(shè)計(jì)底板高程12.63 m，設(shè)計(jì)引水位14.83 m。灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積7.3 hm2，灌渠全長(zhǎng)94.2 km，分為輸沙渠51.3 km、沉沙池4.2 km、輸水渠38.7 km，于1998 年建成通水，至2010 年輸沙渠基本維持沖淤平衡。但近幾年來(lái)，隨著黃河進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙，黃河主河槽下切，造成灌區(qū)引水能力持續(xù)降低；同時(shí)，黃河來(lái)水來(lái)沙條件發(fā)生變化，極易造成灌區(qū)淤積，致使灌區(qū)供水保證率大幅下降，嚴(yán)重影響灌區(qū)正常效益的發(fā)揮。

2.2 小開(kāi)河引黃灌區(qū)引水達(dá)不到設(shè)計(jì)流量

2.2.1 受黃河水小限制，達(dá)不到設(shè)計(jì)流量

從近5 a 引水情況看，每年用水高峰在2—4 月春灌期間，由小開(kāi)河灌區(qū)2016—2020年1—4月引水情況統(tǒng)計(jì)表1 可以看出，在1、2 月期間，由于黃河來(lái)水較少，小開(kāi)河引黃閘前水位遠(yuǎn)不能達(dá)到設(shè)計(jì)水位，此期間即使黃河部門(mén)不對(duì)引水指標(biāo)控制，引水流量也很少。如，2016 年1、2 月最大引水流量?jī)H為8.41 m3∕s，為設(shè)計(jì)引水流量14%，根本無(wú)法滿足灌區(qū)用水需求。

表1 小開(kāi)河灌區(qū)2016—2020年1—4月引水情況統(tǒng)計(jì)

2.2.2 受引水指標(biāo)限制，達(dá)不到設(shè)計(jì)流量的原因

近5 a，到了3、4 月，由于黃河管理部門(mén)采取調(diào)控措施，控制引水指標(biāo)，閘前水位在逐漸接近設(shè)計(jì)水位的情況下，灌區(qū)困于引水指標(biāo)受限，依然無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)流量運(yùn)行。如，2018 年黃河來(lái)水較好，小浪底水庫(kù)按800 m3∕s下泄，灌區(qū)平均引水流量19.52 m3∕s，僅為設(shè)計(jì)引水流量的32.5%。

由此，灌區(qū)在每年的春灌期間陷入“前期引不出，后期不讓引”的困境。

2.3 干渠淤積嚴(yán)重

小開(kāi)河引黃灌區(qū)渠首附近地勢(shì)較高，為一狹長(zhǎng)地帶，東西平均寬僅3.5 km，且村莊密集，無(wú)沉沙條件。為此，輸沙干渠設(shè)計(jì)采用大比降、遠(yuǎn)距離輸沙模式，沉沙池設(shè)在距渠首51.3 km 的灌區(qū)中下游，干渠具有防沖刷、防淤積等功能。從1998年通水至2010年灌區(qū)運(yùn)行看，干渠基本沖淤平衡，從2011 年開(kāi)始干渠出現(xiàn)淤積，特別是上游8.5 km淤積特別嚴(yán)重，每年至少1 次清淤。2015 年進(jìn)行了3 次清淤，分別在6、7、11 月。2020 年進(jìn)行了4 次清淤。2018、2020 年清淤量均超過(guò)30 萬(wàn)m3，嚴(yán)重影響了灌區(qū)引水能力，詳見(jiàn)表2。

表2 小開(kāi)河灌區(qū)2015—2020年干渠清淤統(tǒng)計(jì)

3 引水能力降低的主要原因

從2002 年7 月開(kāi)始黃河進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙，至今已經(jīng)20 次，調(diào)水調(diào)沙使黃河下游主河槽全線沖刷，河道過(guò)流能力明顯提高，保證了黃河安瀾。但是，調(diào)水調(diào)沙使得黃河主河槽下切，同等流量下，水位下降，灌區(qū)引水能力下降，黃河小流量（小于200 m3∕s）的情況下，灌區(qū)面臨無(wú)水可引的境況；下游河道床沙粗化明顯，D50（泥沙中值粒徑）已較過(guò)去增大1 倍以上[2]，挾沙能力明顯降低，干渠極易淤積。

3.1 根據(jù)齊馮和蘭家大斷面推測(cè)小開(kāi)河閘前河槽下切情況

齊馮大斷面位于小開(kāi)河引黃閘上游4 km 處，2008、2018年主河槽平均河底高程比2002年分別降低0.83、1.7 m，主河槽下深泓點(diǎn)分別降低0.92、1.84 m。蘭家大斷面位于小開(kāi)河引黃閘下游2 km 處，2008、2018 年主河槽平均河底高程比2002 年分別降低1.03、2.06 m，主河槽下深泓點(diǎn)分別降低0.77、0.82 m，利用內(nèi)插法推算小開(kāi)河引黃閘前黃河2008、2018 年主河槽平均河底高程比2002年分別降低0.96、1.94 m，主河槽下深泓點(diǎn)分別降低0.82、1.16 m[3]。

由于小開(kāi)河引黃閘前沒(méi)有大河流量和水位觀測(cè)資料，選取距離最近的濼口、利津兩水文站的數(shù)據(jù)作為參考，內(nèi)插得到小開(kāi)河引黃閘前流量和水位。相較2000年，2017年引黃涵閘設(shè)計(jì)引黃流量對(duì)應(yīng)的濼口水位下降了1.86 m，利津水位下降了1.57 m，小開(kāi)河引黃閘前水位下降了1.67 m。

3.2 引水含沙量分析

根據(jù)2016—2020年小開(kāi)河灌區(qū)渠首含沙量變化圖1可以看出，小開(kāi)河引黃閘渠首含沙量呈逐年增大趨勢(shì)，除每年6、7月，大部分時(shí)間維持在10 kg∕m3以下。含沙量最小出現(xiàn)在2016年3月3日，為0.211 kg∕m3，此時(shí)濼口流量188 m3∕s、利津流量111 m3∕s、小開(kāi)河閘前黃河推算流量139.4 m3∕s、小開(kāi)河引黃閘實(shí)際引水量5.83 m3∕s。含沙量最大出現(xiàn)在2020年9月7日，為38.04 kg∕m3，此時(shí)濼口流量3 720 m3∕s、利津流量3 610 m3∕s、小開(kāi)河閘前黃河推算流量3 650.5 m3∕s、小開(kāi)河引黃閘實(shí)際引水量35.15 m3∕s。含沙量大小隨黃河流量變化而變化，一般情況下，含沙量隨黃河流量增大而增大，在每年6、7 月（調(diào)水調(diào)沙期間）更加明顯。也有研究表明，小開(kāi)河引黃閘后渠首含沙量與黃河主流含沙量的比值（也稱引沙比）在100%～300% 的頻率最高，占69.2%，由此看出近年來(lái)小開(kāi)河引黃閘引水含沙量過(guò)高[4]。

圖1 2016—2020年小開(kāi)河灌區(qū)渠首含沙量變化

3.3 泥沙顆粒分析

小浪底水庫(kù)投入運(yùn)行之后，黃河下游河道長(zhǎng)期處于沖刷狀態(tài)，水流中所挾帶的泥沙粒徑呈明顯的變粗趨勢(shì)。黃河泥沙公報(bào)統(tǒng)計(jì)資料顯示，花園口以下高村、艾山、利津多年懸沙平均中值粒徑D50分別為0.019、0.021、0.019 mm；2009 年則大幅度變粗為0.038、0.035、0.034 mm[5]。小開(kāi)河灌區(qū)2008 年設(shè)立泥沙實(shí)驗(yàn)室，2013 年購(gòu)置馬爾文激光粒度分析儀，每次引水都對(duì)含沙量和泥沙粒徑進(jìn)行分析，根據(jù)2015—2020 年灌區(qū)6 a 測(cè)點(diǎn)平均泥沙中值粒徑D50統(tǒng)計(jì)表3 可看出，渠首泥沙中值粒徑D50 遠(yuǎn)大于黃河河道內(nèi)泥沙粒徑D50，原因是小開(kāi)河引黃閘河勢(shì)變化主要受上游32號(hào)壩頭的影響，32號(hào)壩頭伸進(jìn)主河道45 m，當(dāng)黃河水經(jīng)過(guò)32號(hào)壩頭到達(dá)小開(kāi)河閘前時(shí)極易產(chǎn)生豎軸環(huán)流，縱向主流與環(huán)流的水體發(fā)生置換，挾沙能力降低，閘前粗顆粒淤積，引水時(shí)粗沙隨水流進(jìn)入渠道，造成灌區(qū)渠道內(nèi)泥沙粒徑遠(yuǎn)大于黃河河道內(nèi)泥沙粒徑。

表3 2015—2020年泥沙顆粒平均中值粒徑（D50）統(tǒng)計(jì) μm

3.4 挾沙能力計(jì)算

為進(jìn)一步證明灌區(qū)渠首淤積存在的事實(shí)，采用“山東省水科所《引黃襯砌渠道遠(yuǎn)距離輸沙及清淤技術(shù)研究》報(bào)告”上所推薦的“襯砌引黃渠道遠(yuǎn)距離挾沙能力公式”進(jìn)行挾沙能力演算。

式中：ω為泥沙顆粒平均沉速（m∕s）；n為襯砌渠道糙率，對(duì)全斷面襯砌渠道取0.014；R為水力半徑（m）；J為渠底比降，灌區(qū)渠首取1∕5 500。

泥沙沉速ω 由泥沙粒徑與沉降速度關(guān)系表（原理為崗恰洛夫公式）通過(guò)內(nèi)插法可得。

將2020 年2—9 月每次引水采樣測(cè)得的泥沙粒徑D50 代入上述公式計(jì)算得到挾沙能力，與相對(duì)應(yīng)水樣的實(shí)測(cè)含沙量進(jìn)行比較，結(jié)果詳見(jiàn)表4。從計(jì)算所得含沙量與挾沙能力之比可知，從3 月底開(kāi)始比值大于1，說(shuō)明引水開(kāi)始大量落淤，渠道淤積不斷增加，7 月由于黃河調(diào)水調(diào)沙，比值最大為942%，說(shuō)明渠道淤積速度快且特別嚴(yán)重。

表4 小開(kāi)河灌區(qū)渠首泥沙D50含沙量與挾沙能力對(duì)比

4 對(duì)策

為緩解灌區(qū)引水能力下降及渠道淤積嚴(yán)重的問(wèn)題，提出以下4種方案進(jìn)行分析比較。

4.1 引黃閘拆除重建+閘后渠系配套改建方案

此方案對(duì)原小開(kāi)河引黃閘拆除改建，改建基本上是按原位置、原規(guī)模、原走向布置，閘底板高程結(jié)合設(shè)計(jì)引水位、現(xiàn)狀引水閘底板高程等因素綜合確定。根據(jù)《黃河下游引黃涵閘改建工程可行性研究報(bào)告》分析，在綜合考慮前3 a平均水位下，小開(kāi)河引黃閘若保證60 m3∕s 引水流量，則設(shè)計(jì)閘底板高程取11.1 m，較原閘閘底板高程12.63 m 降低1.53 m，為保證閘后渠道過(guò)流能力，閘后輸沙渠、沉沙池、輸水渠、骨干建筑物等底高程須進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以適應(yīng)閘底板高程的降低。此方案下供水能力由原來(lái)的32.2% 左右提高至100%，小開(kāi)河引黃閘引水能力可以恢復(fù)到原閘設(shè)計(jì)引水能力。此方案最大缺點(diǎn)為灌區(qū)引黃閘后渠系及配套建筑物均已建成，再改變渠底高程，無(wú)異于重新建設(shè)，施工難度大、投資大。

4.2 引黃閘拆除重建+新建閘后固定泵站方案

此方案引黃閘重建底高程與前一方案相同，閘后泵站是在新建引黃閘海漫段后建設(shè)一座固定泵站，泵站采用閘泵結(jié)合的結(jié)構(gòu)方式。在高水位時(shí)，通過(guò)自流孔引流，自流孔設(shè)計(jì)引水流量與引黃閘相同，為60 m3∕s，低水位時(shí)開(kāi)啟水泵提水到下游渠道。閘后泵站設(shè)計(jì)流量采用40 m3∕s，供水能力由原來(lái)的32.2% 提高到66.7%。此方案在引黃閘后建設(shè)固定泵站，需重新占用大量基本農(nóng)田，遷占難度較大。

4.3 引黃閘前建設(shè)移動(dòng)泵站方案

移動(dòng)泵站作為固定泵站的重要補(bǔ)充，在防洪排澇、應(yīng)急調(diào)水、圍堰抽水等方面發(fā)揮了重要作用，目前黃河下游已建移動(dòng)泵站的有人民勝利渠渠首移動(dòng)泵站和邢家渡引黃閘閘前移動(dòng)式應(yīng)急泵站等。小開(kāi)河引黃閘前移動(dòng)泵站型式設(shè)計(jì)采用浮船式泵站，由于閘前引水流道最長(zhǎng)只有100 m，只能布置2 艘浮船，參考其他灌區(qū)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，每艘浮船安裝2臺(tái)潛水軸流泵，單泵設(shè)計(jì)流量6 m3∕s，泵站總設(shè)計(jì)流量24 m3∕s。此方案引水能力只能提升到原設(shè)計(jì)引水能力的40%，提升效果較差。

4.4 引黃閘前建設(shè)固定泵站方案

閘前泵站工程是緩解黃河下游因河床下切導(dǎo)致引黃閘引水困難的有效途徑。目前，黃河下游已建閘前泵站的有濟(jì)南黃河河務(wù)局的北店子閘、胡家岸閘以及河口黃河河務(wù)局的宮家閘、王莊閘等。小開(kāi)河引黃閘前初步設(shè)計(jì)方案為，泵站及自流閘采取垂直水流方向布置，由連接段、自流閘、泵室、出水池、箱式變電站等部分組成。自流閘位于中間，泵室分列兩側(cè)。自流閘設(shè)計(jì)流量60 m3∕s，泵站設(shè)計(jì)流量40 m3∕s，選用6臺(tái)1400QZB-100 型潛水軸流泵。站前泵站工程建成后，泵站設(shè)計(jì)流量40 m3∕s，引水能力由原來(lái)的32.2%提高到67%，供水保證率大幅提高[6]。

分析比較上述4 種方案，認(rèn)為引黃閘前建設(shè)固定泵站方案是解決灌區(qū)引水能力下降的根本措施。由于小開(kāi)河灌區(qū)配套工程已完成，無(wú)法降低渠系高程，因此只能采取建設(shè)泵站的方法，提高運(yùn)行水位。建設(shè)閘前泵站，引用黃河表層水，可以降低引沙量、減少渠系淤積，在黃河水量較小時(shí)也能及時(shí)滿足生活和工業(yè)用水、提高供水保證率，還可以形成人造“洪峰”沖刷渠首段淤積泥沙、減少清淤工程量。