簸箕李引黃灌區(qū)水沙運(yùn)行分析及對策

房本巖，賈增暉

（濱州市引黃灌溉服務(wù)中心，山東 濱州 256600）

經(jīng)過多年發(fā)展，引黃供水事業(yè)取得巨大成就，面積已達(dá)733.4 萬hm2，為沿黃地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供了可靠的水資源保障，徹底改變了灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)落后面貌，極大提高了灌區(qū)人民生產(chǎn)生活水平[1]。黃河是多沙河流，引黃必引沙，灌區(qū)在引用黃河水的同時也引入了大量泥沙。泥沙問題一直是困擾灌區(qū)的一大難題，很多專家和工程技術(shù)人員致力于研究泥沙淤積和處理措施，取得了諸多成效[2]。引黃灌區(qū)一般采用渠首集中沉沙、沉沙池沉沙、遠(yuǎn)距離輸沙分散沉沙等處理方式[3]。

1 灌區(qū)現(xiàn)狀及泥沙影響

1.1 灌區(qū)基本情況

簸箕李引黃灌區(qū)是國家大型灌區(qū)，位于黃河下游的山東省濱州市，承擔(dān)濱州市惠民縣、陽信縣、無棣縣24個鎮(zhèn)（街道辦）工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供水任務(wù)，并兼顧108 萬城鄉(xiāng)居民飲水保障。灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積7.87萬hm2，年均引水4 億m3左右。灌區(qū)在處理引水泥沙方面沒有天然的沉沙條件，多年來一直采用渠首“以挖待沉”的集中處理模式，在引黃閘后設(shè)置1 條長22 km 的沉沙條渠。條渠渠首流量60 m3/s，設(shè)計(jì)水深2.2 m，底寬34 m，邊坡1∶2，渠底比降0～6 km為1/5 000、6～21 km為1/7 000、21～22 km為-1/6 000（倒坡），當(dāng)渠內(nèi)泥沙淤積到一定程度后進(jìn)行清淤，以維持灌區(qū)效益的正常發(fā)揮。

1.2 引黃泥沙對灌區(qū)的影響

引黃必引沙，灌區(qū)引水與引沙同步。簸箕李引黃灌區(qū)運(yùn)行至今已引進(jìn)泥沙1.44億t，多年平均引沙265萬t，其中淤積在條渠的約3 780萬t，占總引沙量的26%。自條渠清淤出來的泥沙堆放在渠道兩岸以來，泥沙越堆越多，逐年增加，形成寬窄不一、高低崎嶇的沙嶺，清淤難度不斷增加，費(fèi)用攀升。雖然經(jīng)過近幾年的水土治理，但有一多半的泥沙仍滯留在兩岸，使得當(dāng)?shù)丨h(huán)境容量迅速減小，給周圍農(nóng)民的生產(chǎn)生活帶來諸多負(fù)面影響。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，保水保肥性差，不利作物生長，產(chǎn)量降低。同時，引起當(dāng)?shù)嘏潘拥烙俜e，降低防洪排澇功能。

2 引水引沙的季節(jié)變化規(guī)律

2.1 引水量、引沙量的季節(jié)變化性

灌區(qū)引水量、引沙量隨季節(jié)不同，變化較大。簸箕李灌區(qū)全年引水量分配大致為：春季引水灌溉期（春灌）、夏季和秋季引水灌溉期（夏秋灌）、冬季引水灌溉期（冬灌）分別占總引水量的67%、18%和15%。而引沙量卻不同步，根據(jù)多年觀測資料，春灌、夏秋灌和冬灌引沙量分別占全年總引沙量的43%、41%和17%。顯然，條渠輸沙率夏秋灌最大，冬灌次之，春灌最小。夏秋灌引水量雖然只占18%，而引沙量卻高達(dá)41%，在夏、秋季節(jié)引水給灌區(qū)帶來的泥沙影響較為突出。在這兩季引水應(yīng)綜合考慮權(quán)衡利弊，以免造成渠道出現(xiàn)過分淤積，妨礙下一階段引水。

2.2 泥沙淤積的季節(jié)變化性

泥沙在條渠上的淤積，隨季節(jié)不同而變化，與引沙量近似同步，但并不完全吻合。泥沙在簸箕李灌區(qū)條渠的淤積比例為：春灌、夏秋灌和冬灌分別占總淤積量的45%、36%和19%。條渠的淤積比可用φ（φ=沉沙量所占比例/引沙量所占比例）表示，φ春、φ夏秋和φ冬值分別為1.047、0.878 和1.118。在條渠上淤積的泥沙并不完全按固定比例淤積，φ冬＞φ春＞φ夏秋，即單位泥沙量流經(jīng)條渠時，泥沙淤積量冬灌最多，春灌次之，夏秋灌最少。造成這一現(xiàn)象與黃河來水來沙情況有關(guān)，在冬、春兩季灌區(qū)引水時含沙量偏小，泥沙顆粒較粗，且黃河水情較差，引水流量偏小。渾水進(jìn)入渠道后，水流較為平穩(wěn)，基本可以看作是層流運(yùn)動。水沙在向下游輸送時，粗泥沙首先沉積下來。同時，泥沙顆粒之間存在相互碰撞，在碰撞過程中，一部分細(xì)泥沙顆粒會凝聚在一起，形成團(tuán)粒，而團(tuán)粒的沉速遠(yuǎn)大于分散顆粒，也會沉積。在夏季和秋季時黃河來水來沙量處于峰期，在此階段引水，含沙量較高，泥沙粒徑級配不均勻，細(xì)泥沙較多，水流黏滯性相對較大，運(yùn)動黏滯系數(shù)大，會阻止泥沙顆粒的下沉[4]。在這一時段引水時，為避免渠道出現(xiàn)過分淤積，往往會采取較大流量引水方式，流速快、挾沙力強(qiáng)，這一階段泥沙淤積速度相對較慢。

3 泥沙淤積的特性分析

3.1 條渠進(jìn)口與出口含沙量間的函數(shù)關(guān)系

根據(jù)簸箕李灌區(qū)多年的實(shí)測資料，點(diǎn)繪出條渠進(jìn)口含沙量S進(jìn)、出口含沙量S出關(guān)系如圖1所示。從圖1 可以看出，點(diǎn)群絕大部分都在450線以下，即渾水經(jīng)過條渠后含沙量變小。

圖1 條渠進(jìn)口、出口含沙量關(guān)系

由點(diǎn)群的密集和走向趨勢看，S進(jìn)與S出之間關(guān)系基本符合以下規(guī)律：

式中：K為條渠進(jìn)口含沙量季節(jié)系數(shù)，春灌時取0.98，夏秋灌時取1，冬灌時取0.95；M、N分別為條渠進(jìn)口含沙量大小系數(shù)，當(dāng)條渠進(jìn)口含沙量S進(jìn)≤8 kg/m3時M取0.76、N取0.25，當(dāng)S進(jìn)＞8kg/m3時M取0.98、N取-2.75。

K值之所以變化，是因?yàn)樽阅甓惹逵僦芷谑贾林芷谀l渠的攔沙作用有所減弱。M、N值在條渠進(jìn)口含沙量8 kg/m3時發(fā)生變化，主要原因在于：①含沙量變大。在泥沙顆粒下沉過程中，顆粒之間相互碰撞、相互干擾，因而其下沉速度受到影響。實(shí)驗(yàn)證明，渾水中的顆粒沉速小于清水中的顆粒沉速，且顆粒越密集沉速越小，即含沙量越高顆粒下沉越慢。隨著含沙量升高，渾水的黏滯性增強(qiáng)，流層間的切應(yīng)力、內(nèi)摩擦力變大[5]。當(dāng)切應(yīng)力、內(nèi)摩擦力增大到一定程度即含沙量大于8 kg/m3時，泥沙下沉受到足夠影響，泥沙沉積量相對減小。②粒徑級配。灌區(qū)高含沙量水流主要集中在夏秋兩季，在這兩季測得的泥沙粒徑級配不均勻，顆粒偏細(xì)，泥沙主要是粉沙和黏土粒[6]，其中值粒徑在0.009 mm 左右，而在冬、春兩季測得的中值粒徑在0.025 mm 左右，因此泥沙粒徑小，下沉相對較慢。

3.2 條渠的泥沙攔阻作用

通過多年對簸箕李灌區(qū)的條渠引水含沙量變化觀測發(fā)現(xiàn)，條渠上游含沙量高于下游，且整個條渠含沙量由上而下呈遞減趨勢，即條渠起到了攔截泥沙作用。但這種攔截作用全年并不是固定不變的，隨著清淤后運(yùn)行周期的初始（11 月下旬）到運(yùn)行末期（第二年的10 月中旬）其作用逐漸減小。因?yàn)闂l渠進(jìn)、出口的渠底高程是固定的，水面比降變化不大，隨著條渠淤積，過水?dāng)嗝嬷饾u減小，條渠挾沙力相對增強(qiáng)，沉沙能力有所減弱。同時，在條渠兩側(cè)堆積了大量泥沙，當(dāng)刮風(fēng)下雨時，使得兩側(cè)泥沙第二次搬運(yùn)到條渠中，形成重復(fù)性淤積，也阻礙了條渠的攔沙作用。灌區(qū)清淤施工期為10 月20 日至11 月20 日，清淤結(jié)束后，于11月21日開始冬灌引水。條渠上泥沙在清淤后一個運(yùn)行周期內(nèi)，不同時間段沿程淤積分布如圖2所示。由圖2可知，淤積在條渠的泥沙量較多，淤積深度隨引水量的增加而增加，成正相關(guān)關(guān)系；4 月11 日前淤積速度較快、淤積量相對較多，以后淤積速度逐漸變慢；前6 km 淤積深度明顯小于下游淤積深度，這是由于渠底比降不同引起的，前6 km渠底比降相對下游較大，流速較快，較多泥沙被輸移到下游。

圖2 不同時間段條渠淤積深度

3.3 條渠的溯源淤積

簸箕李灌區(qū)條渠內(nèi)泥沙淤積存在一定的溯源性。因?yàn)槌辽硹l渠存在三段不同比降，雖不能增大條渠的縱向渠底比降，但能夠改變條渠水面線和泥沙的沿程淤積分布。通過分析水深可知，水面線是壅水水面線，上段水面比降最大，接近1/5 000，水深最??；中間段水面比降次之，接近1/6 000～1/7 000，水深較??；尾部水面比降最小，接近或小于1/10 000，水深最大。上游過水?dāng)嗝孑^小，輸沙能力相對較強(qiáng)，只有較粗的泥沙沉積下來，相對沉積數(shù)量較少；下游段水相對較深，過水?dāng)嗝孀兇螅瑨渡衬芰ψ冃?，較多泥沙淤積在條渠末端。隨著尾部淤積量增加，尾段倒坡變緩，向上影響中游段的挾沙能力，繼而條渠會發(fā)生溯源性淤積。隨著溯源淤積的不斷上延，水位發(fā)生一定抬升，又影響到上游段的挾沙能力，使得整個渠道都發(fā)生淤積。由圖2 可知，12 月15 日和第二年4 月11 日勘測的條渠渠底淤積情況明顯呈現(xiàn)溯源性。泥沙淤積溯源性多發(fā)生在清淤后運(yùn)行周期的初期，隨著條渠內(nèi)泥沙淤積量的增多，渠底比降發(fā)生變化，這種現(xiàn)象逐漸消失。

3.4 渠底沖刷現(xiàn)象

沉沙條渠的引水含沙量并非始終是S進(jìn)＞S出，有時偶爾會出現(xiàn)S進(jìn)＜S出，即渠底受到水流的沖刷。這種現(xiàn)象發(fā)生在條渠引水流量大、含沙量相對較小、泥沙顆粒偏細(xì)的情況下。因水流運(yùn)動黏滯性差，流速相對較大，渠底泥沙在水流的拖曳力和上舉力作用下，開始起動。這種起動多發(fā)生在粗沙顆粒，這是因?yàn)橛俜e在渠底的泥沙顆粒之間存在一定黏結(jié)性，粒徑越小，泥沙之間黏結(jié)越緊固，泥沙顆粒起動需要流速也就越大，而對于粗泥沙顆粒，這種黏結(jié)緊固程度相對較小，需要的起動流速也較小。研究成果顯示，對于引黃灌區(qū)干級渠道，粒徑0.015 mm 的細(xì)泥沙顆粒在水深為2 m 時起動流速大約為0.9～1.1 m/s，而粒徑0.05 mm 的較粗泥沙在水深2 m 時起動流速約為0.7 m/s[7]。因而，渠底較粗的泥沙在水流沖刷下，會被曳起成為懸移質(zhì)向下游輸送，發(fā)生渠底沖刷。這種現(xiàn)象主要發(fā)生在條渠的上游。

4 渠道泥沙淤積原因

4.1 引入渠道的泥沙偏多、偏粗

引黃灌區(qū)的取水方式多為無壩取水，閘前沒有相應(yīng)的攔沙設(shè)施，灌區(qū)引水引沙受黃河影響較大，引沙偏多。修建引黃閘時，雖然按照水力學(xué)理論設(shè)計(jì)，引水口布置于彎道的頂點(diǎn)偏下，其引水時利用彎道的環(huán)流作用，在凹岸處引取河道表層含沙量相對較小的水[8]。但簸箕李灌區(qū)引黃閘修建于1976 年，在黃河小浪底水庫工程建成以來，經(jīng)過調(diào)水調(diào)沙，閘前黃河主河槽產(chǎn)生了一定演變[9]，主流發(fā)生偏移，逐步下移靠近引黃閘，雖然黃河年度總體來沙量減少，但是灌區(qū)引沙并沒有減少。由圖1可知，點(diǎn)群皆在45°線以下，即S出＜S進(jìn)，水流通過條渠后泥沙含量變小，產(chǎn)生淤積，且隨著S進(jìn)增大點(diǎn)群偏離45°線愈遠(yuǎn)，即渠道內(nèi)泥沙淤積量隨著入渠含沙量的增大而增加，入渠含沙量較高是泥沙淤積過重的主要原因之一。分析簸箕李灌區(qū)條渠泥沙粒徑級配可知，僅占懸移質(zhì)23%的粗沙卻占了渠底床沙質(zhì)的81%，因而參與造床的主要泥沙為粗沙，引入渠道的泥沙偏粗是造成淤積的另一原因。其次，渠道兩側(cè)堆積的清淤泥沙在風(fēng)、雨侵蝕下進(jìn)入渠中，這些泥沙粒徑極大，絕大部分在0.05 mm 以上，且無黏性，入渠后很難成為懸沙向下游輸送[10]，皆沉積在渠底，出現(xiàn)重復(fù)淤積現(xiàn)象。

4.2 渠道設(shè)計(jì)參數(shù)取值不盡合理

渠道糙率對挾沙能力影響較大，一般挾沙能力與糙率系數(shù)的3 次方成反比，如果糙率減少5%，其挾沙能力將增加17%[11]。灌區(qū)渠道設(shè)計(jì)時土渠糙率大多采用0.02～0.03，襯砌渠道糙率采用0.015 以上，灌區(qū)渠道實(shí)際糙率值是土渠0.017～0.019、襯砌渠道0.012～0.014，這比實(shí)際糙率值大30%～40%，使得渠道寬深比較大，水流在寬渠道狀態(tài)下通過，發(fā)生淤積[12]。邊坡系數(shù)與渠底縱比降對渠道挾沙能力影響也較大，灌區(qū)渠道的邊坡系數(shù)大多采用2.0，但通過輸沙最優(yōu)斷面分析，最佳的邊坡系數(shù)取值應(yīng)為1.0～1.5。受地形影響，渠底縱比降大多為1/6 000～1/9 000，縱比降值偏小，與來沙量不相適應(yīng)，固邊坡系數(shù)取值偏大，縱比降取值偏小，也對渠道的輸沙產(chǎn)生影響[13]。

4.3 引水流量偏小

受黃河來水和灌區(qū)需水情況的限制，引水流量大多低于渠道設(shè)計(jì)輸水流量。簸箕李灌區(qū)干渠2011—2016年平均引水流量，詳見表1。

表1 簸箕李灌區(qū)2011—2016年干渠平均引水流量 m3/s

從表1 中看出，實(shí)際引水流量與設(shè)計(jì)值相差較大，有時甚至在設(shè)計(jì)輸水能力的60%以下長時間引水，這樣客觀增大了寬深比，在小流量、大底寬的情況下運(yùn)行。條渠泥沙在2012—2018 年淤積情況統(tǒng)計(jì)詳見表2，平均流量2012—2018年逐步增大，而淤積比卻逐步減少，說明淤積的泥沙量受流量影響，成反比關(guān)系，淤積量隨著流量的增大而減少。還可看出，淤積量隨著引沙量的增大而增大，但也非完全與引沙量成直線正比關(guān)系，淤積量受引水時段和引水含沙量的變化影響。由以上分析可知，引水流量較小與來沙量不相適應(yīng)，是造成渠內(nèi)泥沙淤積較嚴(yán)重的又一重要原因。

表2 條渠泥沙不同年份淤積量統(tǒng)計(jì)

4.4 水流速度較慢

受地形和沿途村莊建筑物等影響，有的渠道不順直，彎曲段較多，導(dǎo)致主水流不位于渠中心流動，左右擺動，渠壁對水流產(chǎn)生較大阻礙作用，水頭損失大，流速相對較慢，影響了渠道挾沙能力。同時，在水流頂沖作用下，渠壁易出現(xiàn)塌坡，也防礙了輸沙。灌區(qū)為了管理方便，在輸水渠道上修建了節(jié)制閘、橋梁、渡槽以及其他一些橫穿管道等，這些影響了水流暢通，減小了過水?dāng)嗝妫胺匠霈F(xiàn)壅水現(xiàn)象，流速變慢，因此發(fā)生泥沙溯源淤積。

4.5 支渠分水的影響

灌區(qū)上游骨干渠道的支渠大多是涵閘式自流引水，支渠引水閘后常存在淤積現(xiàn)象，造成引水渠底高程大于干渠渠底高程，引水時閘門又處于全開狀態(tài)，造成支渠引水以中上層水流為主。有時在開閘引水前，引水口處已淤積了較多泥沙，閘前形成阻水坎，只有上層水可以流入。分析含沙量和泥沙粒徑級配可知，當(dāng)干渠含沙量為7.9 kg/m3、泥沙中值粒徑D50=0.026 mm 時，支渠含沙量為6.3 kg/m3、中值粒徑D50=0.018 mm，很明顯支渠引水含沙量低于干渠，且泥沙偏細(xì)，這樣支渠分水后，使得干渠流量減小，挾沙能力降低，而含沙量和粗泥沙含量沒有降低，這樣的支渠分水形式加重了渠道淤積。

5 減少泥沙淤積對策

5.1 減少入渠泥沙

為了引取表層含沙量相對較小的水，避免底沙引入，可在引黃閘前修建必要的攔沙設(shè)施，如防沙潛堰、橡膠壩、攔沙板等，對于位置、引水角度不適宜或閘底板過低的進(jìn)行改造。在引水時，應(yīng)對引水含沙量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，防止高含沙量水和粗沙引入，一般非汛期黃河來沙量較小但泥沙較粗，汛期來沙量較大但泥沙較細(xì)[14]。據(jù)多年觀測，簸箕李灌區(qū)以非汛期引水含沙量不超過8 kg/m3、汛期引水含沙量不超過15 kg/m3為宜，如果超出此值應(yīng)關(guān)閘停引。同時，應(yīng)對干渠兩側(cè)堆積的泥沙進(jìn)行固沙管理，防止隨風(fēng)、雨重復(fù)進(jìn)入干渠，可采取植樹造林和培植草皮等方法，減少泥沙起動遷移量。

5.2 合理修整渠道

為了提高渠道的挾沙能力，應(yīng)采用合理的糙率系數(shù)、邊坡系數(shù)，減小寬深比，把渠道做得相對窄深些，并盡可能增大縱比降，使其符合減淤要求。對于彎曲段較嚴(yán)重的渠道，應(yīng)加以改造修整順直，減少主水流左右擺動，對易被主水流頂沖發(fā)生塌坡渠段進(jìn)行護(hù)砌硬化加固，有條件的最好對輸水干渠進(jìn)行全斷面護(hù)砌，保證水流暢順，加快行水速度[15]。同時，應(yīng)少建或不建壅水建筑物，對非建不可的應(yīng)修得高寬一些，不影響過水?dāng)嗝?，不發(fā)生阻水現(xiàn)象，避免溯源淤積的產(chǎn)生。

5.3 改造支渠

為了減少干渠泥沙含量、增大支渠分水含沙量，應(yīng)對不合理的支渠口門進(jìn)行必要的改造，使其閘底板低于干渠渠底，并控制閘門開啟高度，以不大于0.6 倍水深為宜，引取下層含沙量較大、泥沙粒徑較粗的水流，使其引沙比大于引水比，避免干渠出現(xiàn)不利輸沙的水沙組合，產(chǎn)生淤積，把大量泥沙輸送到支渠以下或田間。

5.4 加強(qiáng)水沙運(yùn)行調(diào)度，采取大流量引水

灌區(qū)引水主要取決于農(nóng)作物干旱程度和黃河來水量，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂?、作物種類等，制定合理引水計(jì)劃，統(tǒng)一管理，集中灌溉，采取大流量引水，急引急停，保證渠內(nèi)引水量不小于干渠設(shè)計(jì)流量的60%。當(dāng)灌區(qū)用水緊張、黃河來水量小時，可采用上、中、下游分期供水、輪流灌溉的方法，防止支渠閘開關(guān)不一，渠內(nèi)小水長流。盡可能做到輪灌段的支渠引水量等于干渠總引水量，不使“余”水流到下游，造成下游淤積。建立長效機(jī)制，節(jié)約用水，加強(qiáng)節(jié)水灌溉，提高灌溉水利用系數(shù)，減少引用水量，從而減少引沙量，促進(jìn)灌區(qū)高質(zhì)量發(fā)展。

為了減少泥沙危害，針對灌溉實(shí)際現(xiàn)狀，簸箕李灌區(qū)2015 年提出改“以挖待沉”的集中處理方式為分散處理方式。通過加強(qiáng)水沙運(yùn)行調(diào)度，提高水流挾沙能力，把大量泥沙輸送到下游的渠系田間，灌區(qū)下游無棣縣瀕臨渤海，低洼地、鹽堿地較多，輸送去的泥沙可以填平洼地，改良土壤。經(jīng)過近幾年的運(yùn)行調(diào)度，效果良好，灌區(qū)上游干渠泥沙淤積相對減少，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離輸沙到灌區(qū)下游及斗渠田間，達(dá)到了分散處理目的。

6 結(jié)語

引黃必引沙，隨著引黃灌區(qū)累計(jì)引水量增多，引進(jìn)的泥沙已對灌區(qū)構(gòu)成了一定程度的負(fù)面影響。為減少沙害，加強(qiáng)了灌區(qū)水沙監(jiān)測，分析研究灌區(qū)水沙輸移規(guī)律。灌區(qū)引水引沙受黃河來水來沙情況影響較大，影響條渠內(nèi)水沙運(yùn)行的因素也較多：①引水沉沙隨季節(jié)不同變化較大，簸箕李灌區(qū)條渠的輸沙率為夏秋灌最大、春灌最??；②條渠上淤積的泥沙并不完全按固定比例來淤積，單位泥沙量流經(jīng)條渠時泥沙淤積比為冬灌最大、夏秋灌最少；③引入條渠內(nèi)的泥沙量自上而下呈逐步遞減趨勢，即條渠起到了攔沙作用，并存在一定函數(shù)關(guān)系；④在引水周期的起始，泥沙淤積多表現(xiàn)為溯源性淤積，隨著淤積量增多，溯源性逐步消失，時常會出現(xiàn)渠底沖刷現(xiàn)象。經(jīng)分析，簸箕李引黃灌區(qū)泥沙淤積主要是由于入渠泥沙偏多偏粗、渠道設(shè)計(jì)參數(shù)取值不合理、流量流速偏小、支渠引水不合理造成的。根據(jù)分析研究成果，提出了合理解決對策措施，減少入渠泥沙，合理修整渠道，改造支渠口，加強(qiáng)水沙運(yùn)行調(diào)度，采取大流量引水等，經(jīng)過近幾年運(yùn)行調(diào)度，取得了滿意效果。