引黃濟青渠首引水工程運行管理探討

王均喬 鮑 芳

(山東省調水工程運行維護中心濱州分中心，山東 濱州 256600)

引黃濟青工程是山東省大型跨流域、遠距離調水工程，從博興縣打漁張引黃閘引取黃河水,經輸沙渠與沉沙條渠連接，使黃河水經過沉淀后以清水的形式進入輸水河送至青島市。膠東地區引黃調水工程于2013年實現全線主體貫通并具備通水條件以后，適逢煙臺、威海兩市遭遇極端連續干旱，水資源供需矛盾十分突出。為保障煙臺、威海兩市基本用水需求，從2014年起引黃調水工程還承擔了向煙臺、威海供水的任務。引黃濟青工程自1989年11月建成通水，至今已安全運行30年，截至2019年底，共引黃河水59.62億m3,為膠東地區及工程沿線經濟社會的可持續發展提供了可靠的水源保證，取得了巨大的社會效益、經濟效益和生態效益。但工程經過30年的運行，已嚴重老化，引水能否滿足需要，是面臨的一個重大課題，需要對渠首引水工程運行模式進行認真總結研究，并提出相應的對策。

1 渠首引水工程設計

1.1 輸沙渠設計

引黃濟青進水閘后設計分為高、低輸沙渠。為了使輸沙渠多沙時的淤積能夠在少沙時沖去，基本維持渠道縱橫斷面沖淤平衡狀態，必須設計一個合適的輸沙渠縱坡，用下列四個方程連解求得：

a.水流動力方程：

v= 1/nR2/3J1/2

(1)

b.水流連續方程：

Q=Av

(2)

c.水流挾沙能力公式：

ρ=4.6v2/Rω2/3

(3)

d.斷面形態關系式：

B=3.15Q0.6

(4)

式(3)、式(4)兩式根據打漁張、人民勝利渠等引黃灌區實測資料綜合求得，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12個引水月份沖淤平衡比降進行計算，推算的沖淤平衡比降一般在1/4500～1/7500，個別的在1/10000左右，據此選定輸沙渠正常沉沙運用設計比降為1/6000。

1.2 沉沙池設計

引黃濟青工程沉沙池采用條渠形沉沙池。條渠出口含沙量設計采用超飽和理論計算，經用打漁張、陳垓等灌區實測資料驗證，具有精度高、參數選用簡單等優點，計算與實測出口含沙量誤差為±4.7%。設計總沉沙面積36km2，設9個條渠分期使用，每條使用4～5年，總共可用40年。第一期修建2號條渠，為避免遷村困難，且有利于今后新村建設，2號條渠進口段進行調整，改由第一條渠進水。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 渠首引水工程運行方案的演變過程

2.1 原設計工程運行方式

渠首引水工程設計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，置換下一個沉沙條渠，依次循環。

2.2 以挖待沉方案的提出

引黃濟青工程1989年11月通水，至1993年6月，經過4個引水年度的運行，2號沉沙條渠沉積泥沙530萬m3，上游段(張寨橋以上段)平均高程達11.0m(黃海高程)以上(平均淤高近3.0m)，中游段(張寨橋—劉王橋之間)高程在11.0～10.0m之間，引沙量已超額完成自流沉沙任務，同時自流引水年數也已超出設計值，自流沉沙功能幾乎喪失[2]。原設計修建打漁張揚水泵站，由于資金不足等原因，泵站一直處于停建狀態，揚水沉沙功能不能實現。為保證工程的正常運行，必須采取工程措施才能進一步挖掘沉沙池的沉沙潛力，提高沉沙池的使用年限。隨著時間的推移，各種條件都在變化，人們的認識也不斷擴展變化，在泥沙處理方式上產生了一種新的觀點——以挖待沉方案，即將沉沙池內的泥沙清出，騰出庫容沉積泥沙。1992年下半年和1993年初，山東省引黃濟青工程管理局、濱州分局組織技術人員到省內其他大型引黃灌區進行考察學習，并對各種清淤方式進行社會調查，通過反復論證，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 以挖待沉方案的實施

2.3.1 沉沙池內貼式清淤

以挖待沉方案確定以后，對于采用何種清淤方式、機具，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重、影響引水沉沙的上、中游段。經過對多家挖泥船和挖塘機施工隊伍考察，反復論證比較，鑒于當時棄淤場地無法解決，不得已只能在沉沙池內沿隔堤兩側各寬100m范圍內貼棄淤，在運距近、揚程低的情況下，采用挖塘機施工比較經濟。

1993年5月，省局、濱州分局有關技術人員組成清淤工作組，負責制定清淤方案、選擇施工隊伍、進行施工管理。經現場勘測、規劃，編制了《引黃濟青工程沉沙池挖塘機清淤方案設計》，對施工任務、施工布置、施工隊伍的確定、施工管理等諸方面都進行了詳細規劃。根據挖塘機清淤方案設計，1993年6月開始實施沉沙池內貼式清淤。通過議標的形式選定了兩家施工隊伍。共組織71臺挖塘機，上工人數600余人。1993年完成內貼清淤128.7萬m3,保證了1993年度的引水任務順利完成。實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1993年施工經驗的基礎上，1994—1997年繼續采用挖塘機清淤，1993—1997年共完成內貼清淤320萬m3，確保了引黃濟青工程歷年調水任務的順利完成。

2.3.2 沉沙池挖泥船外清方案實施

內貼式清淤開發了2號沉沙池的沉沙能力，確保了引黃濟青工程的正常運行。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，不宜再繼續擴大棄淤場地，否則沉沙能力就會降低。為了確保引黃濟青工程的正常運行，在總結自身經驗及借鑒其他引黃灌區成功經驗的基礎上，1996年又提出了“化整為零、臨時占用、合理補償、適時還耕”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，每年給予一定的經濟補償，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。根據這一思路進行了大量調查研究、現場勘察、分析計算工作之后，編寫了《引黃濟青工程沉沙池清淤規劃》，對今后10年的泥沙處理提出了規劃意見。清淤規劃選擇了7塊條形棄淤場，這些場地在隔堤外側，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。

根據清淤規劃，對沉沙池挖泥船外清方案進行細化，并做出第一期(前3年)清淤方案設計。1996年5月，經與當地政府協商，達成臨時租地協議，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。通過投標選定3家施工隊伍施工，每隊分別組織兩條80m3/h的挖泥船。經過3年的艱苦拼搏，1998年底完成清淤235萬m3，3塊棄淤場達到還耕要求，蓋淤后及時還耕。實踐證明，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，每年進行沉沙條渠清淤。由于受棄淤場、經費、施工條件、環境制約等因素影響，每年清淤數量較小。截至2019年底，沉沙條渠內貼清淤598萬m3，外清585萬m3，合計1183萬m3。保證了引黃濟青工程歷年調水任務的順利完成。

2.4 啟用移動泵船搶引水

2.4.1 移動泵船建設的必要性

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

2.4.2 移動泵船施工與安裝

根據工程現場情況，將泵船布置在原設計的打漁張泵站進水池內(該泵站因多種原因停建)，按照確保引水流量25m3/s的要求，結合泵船組合方式，安裝了12臺流量1.6m3/s、揚程3m的水泵；12臺流量1.0m3/s、揚程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，組合一是將兩個流量1.0m3/s的泵安在一個浮體上，組合二是將一個流量1.6m3/s的泵安裝在一個浮體上。泵船出水側低渠原為混凝土預制板全斷面護砌，考慮到不能抵抗泵船出水的沖擊，決定對泵船出水段低渠進行必要防護。經多方案比較決定采用5mm厚鋼板對渠道全斷面進行防護，泵船出水側渠坡鋼板用18號槽鋼連接、加固，渠底用18號槽鋼連接、加固后再壓上預制樓板壓重。對原35kV臨時變電站增容改造，拆除原臨變站800kVA變壓器，安裝4000kVA變壓器并對相應的保護、測量設備進行改造。泵船用電是從改造的臨時變電站架設10kV高壓線路至泵船附近的4臺630kVA的箱式變壓器上，再接線至泵船變電箱內。

2.4.3 泵船運行發揮的效益

移動泵船工程2014年8月8日開工建設，2014年10月10日竣工并一次性試車成功，泵船正式投入運行。截至2019年底，移動泵船引水總量21.89億m3，有效地保障了膠東地區城市用水和部分農業灌溉用水。

3 引黃濟青改擴建渠首引水工程建設

引黃濟青改擴建工程旨在解決引黃濟青工程設施老化、輸水效率降低、輸水能力不足等問題，2012年經山東省發改委批復可行性研究報告，2014年批復初步設計。根據改擴建工程設計，渠首引水工程建設內容為：重建渠首進水閘，新建打漁張泵站，并對高輸沙渠進行全斷面襯砌[3]。

由于黃河進行多次調水沖沙，打漁張引黃閘前黃河河底沖刷較為嚴重，河底降低1m多。原進水閘閘底板高程9.0m，必須重建進水閘、降低閘底板高程，才能滿足引水要求。設計確定進水閘閘底板高程8.25m，設計流量41m3/s，校核流量45m3/s。新建打漁張泵站在停建泵站原址處，重新進行設計。設計流量36m3/s，校核流量39.6m3/s，設計凈揚程3.02m。共安裝5臺軸流泵，其中1臺備用，水泵按全調節設計，配套5臺900kW同步電機，總裝機容量4500kW。高輸沙渠已完成土方填筑及橋梁等工程內容，尚未實施渠道混凝土板襯砌，此次改擴建采用全斷面防滲混凝土板護砌，以減少滲漏，確保輸水安全。至2019年底，渠首引黃濟青改擴建工程打漁張泵站、進水閘和高輸沙渠襯砌已基本完成，但由于泵站機組自動化調試工作尚未完成，泵站揚水還沒有運行。

4 面臨的困境

4.1 渠首引水工程現狀

低輸沙渠斷面淤積嚴重，尤其是2014年10月移動泵船啟用后揚水至低輸沙渠，抬高了水位，受沉沙池進口淤積的頂托，渠底淤積嚴重，低輸沙渠比降由原設計的1/6000基本變為平坡；經測量，渠道過水斷面嚴重不足，僅為設計過水斷面的50%。

引黃濟青工程從1989年運行至2019年底，共引水59.62億m3，引進泥沙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年開始進行沉沙池清淤，截至2019年底，沉沙池內貼清淤598萬m3，外清585萬m3。由于挖塘機內貼清淤泥沙堆放在隔堤兩側，泥沙仍然存放在沉沙池內，經計算，現沉沙池內約存有泥沙751萬m3。挖塘機內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%。在設計水位時，中、上游過水面積僅為設計過水斷面的10%，運行主要靠中間溜溝過水，現在沉沙面積主要在下游，淤積高程也達到10.0m。必須采取工程措施，否則沉沙面積繼續減小，沉沙能力降低，會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

現在青島市的設計供水能力由原來的30萬m3/d達到71萬m3/d，最大達到130萬m3/d[4]，另外還要承擔向煙臺、威海的供水任務，再加上博興縣工農業用水，這就需要在渠首年引水量超過7億m3。

5 渠首引水運行模式探討

針對需水量加大、渠首沉沙工程嚴重老化這對矛盾，需要對渠首引水運行模式進行認真探討。

5.1 延長調水時間

引黃濟青設計引水時間為冬季11月下旬至翌年3月中旬。扣除冰凍期影響，保證率95%情況下有效引水天數為70天。為充分挖掘工程調水潛力，針對需水量遠大于工程設計規模的實際情況，可以采取延長調水時間的辦法加大調水量，工程調水時間從最初設計的不足三個月，逐漸延長至全年運行。

5.2 新沉沙池建設

應盡快進行新沉沙池建設，新建一條沉沙池，加上泵站揚水沉沙，可以解決比較長久的泥沙沉積問題。在新、舊沉沙池運用上科學調度，充分利用舊沉沙池下游的沉沙功能。在新沉沙池內配置幾只挖泥船，將沉積的泥沙輸送到舊沉沙池內，淤改后及時還耕。這樣可以比較長久地解決引黃濟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，可以實現揚水沉沙功能，但也只能再用3～5年，現用的2號沉沙條渠已運行30年，淤積嚴重，再新建一條沉沙條渠暫時不可能實現，針對以上情況，近期必須采取各種措施才能保證工程的正常運行。

5.3.1 加大沉沙池清淤力度

針對渠首引水工程的現狀，目前措施必須是加大清淤力度，把沉沙池的泥沙徹底清除，恢復到建設初期的狀態。由于調水工程需要全年運行，挖塘機清淤無法實現，必須采用挖泥船外排清淤。可以在沉沙條渠上游、中游、下游分別安排一只挖泥船，利用3～5年時間清完沉沙條渠內751萬m3的泥沙。之后，根據引水沉積泥沙量安排挖泥船進行清淤，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水工程的泥沙處理問題。

5.3.2 低輸沙渠改造

由于新建進水閘閘底板降低，根據降低后的設計水位將低輸沙渠重新進行開挖，將渠道挖的夠深夠寬，形成大比降引水，只要黃河有水就能引進來，待沉沙條渠清到初始狀態時可以采用自流引水。

6 結 語

通過以上分析，引黃濟青工程在修建打漁張揚水泵站的基礎上，必須加大力度，將沉沙條渠現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老化問題，并長效解決調水引水困難的問題。