加大流量對簸箕李引黃灌區(qū)泥沙輸移影響分析

房本巖 魏守民

(濱州市引黃灌溉服務(wù)中心，山東 濱州 256600)

1 泥沙對灌區(qū)的影響

簸箕李引黃灌區(qū)位于黃河下游左岸,山東省濱州市境內(nèi),承擔(dān)著濱州市惠民、陽信、無棣3縣24個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和111.9萬城鄉(xiāng)居民的供水任務(wù),工程規(guī)模為大(1)型,設(shè)計灌溉面積7.87萬hm2,年引水3億～4億m3。灌區(qū)沒有天然沉沙條件,在泥沙處理方面一直采用“以挖待沉”的集中處理方式,在引黃閘后設(shè)置了一條長22km的沉沙條渠。條渠設(shè)計流量為75m3/s;設(shè)計水深2.2 m;底寬34m;邊坡1∶2;渠底縱比降1/8000。當(dāng)渠內(nèi)泥沙淤積到一定程度后進(jìn)行清挖,從而維持灌區(qū)效益的正常發(fā)揮。

引黃必引沙,灌區(qū)引水的同時,也引入了大量泥沙,運行至今已引進(jìn)泥沙1.64億t,年均引沙421.75萬t,最大年引沙量發(fā)生在1989年,多達(dá)1039.6萬t,沉積在條渠內(nèi)的泥沙累計4796萬t,占總引沙量的29.24%。自條渠內(nèi)清挖出的泥沙堆積在渠道兩岸,越堆越多,形成寬90～150m、高5～9m的沙嶺,使清淤難度不斷增加,費用逐年升高,雖然經(jīng)過近幾年的水土保持治理,但是仍有一半的泥沙滯留在兩岸。堆積的泥沙對周圍農(nóng)民的生產(chǎn)生活帶來諸多不利影響,泥沙在風(fēng)和降雨徑流的帶動下進(jìn)入周圍農(nóng)田,造成土壤沙化。沙化土地保水、保肥性差,不利作物生長,造成種植結(jié)構(gòu)單一。

2 增流減淤方案的提出

2.1 引水流量與條渠泥沙淤積的關(guān)系

灌區(qū)引水流量主要是由黃河來水量和灌區(qū)農(nóng)作物需水情況決定,引水流量變化幅度較大。不同流量條件下條渠進(jìn)口、出口含沙量變化情況見圖1。圖中數(shù)據(jù)是2008—2014年春灌時期測得。

圖1 不同流量條件下條渠進(jìn)、出口含沙量關(guān)系

從圖1可看出,條渠出口含沙量隨著進(jìn)口含沙量的變化而變化,進(jìn)口含沙量增大,出口含沙量亦增大,符合“多來多排”的規(guī)律。從點群分布上可以看出,流量較大時測得的點分布在流量較小時測得的點之上,存在進(jìn)口含沙量基本不變時,出口含沙量隨著流量增大而增大的趨勢。

2.2 增流減淤

為了減少泥沙危害,針對灌區(qū)實際情況,2015年提出改“以挖待沉”的集中處理方式為分散處理。通過加強(qiáng)水沙運行調(diào)度,加大水流挾沙能力,把大量泥沙輸送到灌區(qū)下游和支渠田間。灌區(qū)下游的無棣縣,瀕臨渤海,低洼地、鹽堿地較多,輸送過去的泥沙可以填平洼地,改良土壤。因此,根據(jù)多年的水沙觀測和灌區(qū)現(xiàn)狀,決定實施加大引水流量,減少條渠泥沙淤積措施,即“增流減淤”。

2.3 渠道整治

為實現(xiàn)增流減淤,對灌區(qū)的輸水干渠進(jìn)行了治理。結(jié)合灌區(qū)工程建設(shè),對渠道低矮薄弱堤壩進(jìn)行加高加固、渠道邊坡砌護(hù)硬化,以適應(yīng)大流量引水。經(jīng)過治理,渠道輸水能力顯著增強(qiáng)。

3 加大流量對泥沙輸移影響分析

3.1 條渠進(jìn)口、出口含沙量的變化

2015年以前,條渠進(jìn)口含沙量絕大多數(shù)情況下大于出口含沙量,一部分泥沙在渠內(nèi)淤積下來,條渠起到了攔截泥沙的作用,部分含沙量測定數(shù)據(jù)見表1。表中淤積率由(S進(jìn)-S出)/S進(jìn)算得,S為含沙量。

表1 2012—2018年條渠春灌進(jìn)口、出口含沙量測定

續(xù)表

2015年以后灌區(qū)引水流量明顯大于2015年以前,出口含沙量有時低于進(jìn)口含沙量,有時高于進(jìn)口含沙量,淤積率時正時負(fù)。當(dāng)淤積率為負(fù)值時,渠底發(fā)生沖刷,使一部分淤積物(床沙)在水流的拖拽力和上舉力作用下,被拽起成為懸移質(zhì)向下游輸送。由表1可看出淤積率不穩(wěn)定,變化較大。這是因為受黃河來水來沙的影響,當(dāng)黃河來水量小、泥沙粒徑偏大時,灌區(qū)引水淤積率則大;黃河來水量多、泥沙粒徑偏細(xì)時,則淤積率偏小。點繪出2012—2018年平均淤積率圖,見圖2。明顯看出2015年以后年均淤積率小于2015年以前,即加大引水流量后平均淤積率相對減小,起到了減淤的目的。

圖2 2012—2018年年均淤積率

3.2 泥沙粒徑的變化

在不同引水期,灌區(qū)引水泥沙粒徑變化較大。一般在春、冬季引水時泥沙粒徑較粗,在夏、秋兩季引水時泥沙粒徑較細(xì)。不同粒徑級配泥沙經(jīng)過條渠后,泥沙顆粒沉積速度也不一樣。2015年前不同月份條渠泥沙平均中值粒徑如下:2—6月進(jìn)口泥沙中值粒徑D50=0.0272mm,出口泥沙中值粒徑D50=0.0235mm;7—9月進(jìn)口D50=0.0067mm,出口D50=0.0062mm;11—12月進(jìn)口D50=0.0133mm,出口D50=0.0117mm。從進(jìn)口與出口中值粒徑D50值的變化程度可以看出,2—6月泥沙顆粒沉積速度最快,7—9月相對沉積較慢。這是因為受黃河來水來沙的影響,灌區(qū)引黃泥沙在2—6月比較粗,水流難以攜帶全部較粗的泥沙,致使一部分粗沙淤積下來;而7—9月黃河水量較大,泥沙粒徑偏細(xì),在這個時期引水,灌區(qū)平均引水流量大于其他月份,且泥沙粒徑較其他月份小,因而泥沙淤積得較慢,粗泥沙顆粒沉積也較慢。在2015年以后測得的引水泥沙粒徑變化規(guī)律與2015年以前極為相似?，F(xiàn)列出典型年2013年和2016年條渠泥沙中值粒徑變化對比圖,見圖3。由圖3可看出,2013年泥沙平均粒徑大于2016年,且冬、春季大于夏季。

圖3 條渠典型年不同月份進(jìn)、出口泥沙中值粒徑變化

2012—2018年條渠淤積物(床沙)不同粒徑泥沙所占的比例見表2。由表2可看出,2016年以后床沙中粗沙所占比例明顯增大,細(xì)泥沙在條渠內(nèi)淤積相對較少。

表2 2012—2018年條渠不同泥沙粒徑平均淤積比例

3.3 泥沙淤積量的變化

2012—2018年淤積在條渠內(nèi)的泥沙量統(tǒng)計見表3。其中2017年度引沙量較多的原因是灌區(qū)全年干旱較重,夏季降雨偏少,為緩解旱情,灌區(qū)夏季引水量相對較多,且夏季引水時間長達(dá)54天,最大引水含沙量139.6kg/m3,2017年全年平均引水含沙量17.09kg/m3,比灌區(qū)平均引水含沙量7.8kg/m3高出許多。由表3可看出,年均引水流量增加后,淤積比相對減小,淤積在條渠內(nèi)的泥沙數(shù)量相對減少,雖然2017年引沙量高達(dá)1039.6萬m3,但淤積比并不高,只有11.4%。自實施增流減淤后,灌區(qū)已由以前的一年一次清淤變?yōu)閮赡暌淮吻逵?2016年和2018年沒有清淤),為灌區(qū)節(jié)省了清淤費用,帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

表3 2012—2018年條渠泥沙不同年份淤積量統(tǒng)計

3.4 泥沙淤積的沿程變化

灌區(qū)每年10月對22km長的條渠泥沙淤積情況進(jìn)行勘測,現(xiàn)選擇較為典型的2013年和2018年作為研究對象(每年灌區(qū)的清淤時間安排在11月,勘測工作在清淤實施后的10月進(jìn)行),勘測的淤積情況見圖4。由圖4可看出,2018年淤積深度小于2013年,且在4km以前基本不淤,6km以下淤積比較均勻,深度在40～50cm之間。2013年淤積情況為:6km前淤積呈遞增趨勢,在6km以下淤積較深也較均勻,深度在100cm左右。2013年和2018年總體淤積變化趨勢相似,皆在6km處發(fā)生變化,在6km前呈逐步增長趨勢,6km后淤積較多也較均勻,在16km前后略有增加,但變化不大?？梢?加大引水流量后,只改變了條渠泥沙淤積量、淤積深度,對泥沙沿程分布規(guī)律和趨勢影響不大。

圖4 1995年與2000年條渠淤積深度對比

4 結(jié) 語

針對簸箕李引黃灌區(qū)“以挖待沉”泥沙集中處理方式帶來的危害,提出了增流減淤的水沙調(diào)度方案,經(jīng)過運行實踐,效果較好。條渠出口含沙量明顯增大,淤積率相對減小;淤積物中粗沙含量增加,泥沙顆粒沉積速度略有減弱,全年變化基本規(guī)律為:冬、春季大于夏、秋季;條渠內(nèi)泥沙淤積量明顯減少,淤積比減小;上游4km基本不淤積,6km以下淤積較均勻,深度在40～50cm,淤積深度相對變淺。條渠大部分較細(xì)泥沙以懸浮的形式輸送到下游和支渠田間,達(dá)到了分散處理的目的,并由以前的一年一次清淤變?yōu)閮赡暌淮吻逵?取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。