黃河中下游沿線新增輸送泥沙通道構想

蘇東喜，孫欽蘭，端木靈子，鄭微微

（1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南鄭州450003；2.河南省水資源環境工程技術研究中心，河南鄭州450003）

人民治黃以來，一直在探索治理黃河泥沙的方法，并取得了巨大成就。20世紀70年代，山東黃河齊河修防段試驗成功挖泥船，用泥漿泵和管道輸沙淤背固堤[1]。到了90年代，生產中采用管道輸沙距離達數十千米，放淤可使泥沙含量達到700 kg/m3[1]。2006年黃河水利科學研究院開展了“小浪底水庫庫區管道排沙技術及裝備研究”，2007年又開展了“小浪底水庫泥沙起動輸移方案研究”，利用壓力管道輸送小浪底水庫高含沙水流至下游，形成黃河下游“一河一管網”格局，以解決泥沙在黃河下游河道的淤積問題[2]。2013年，河南黃河河務局承擔水利部公益性行業科研項目“高含沙水流遠距離管道輸送技術試驗研究”，對水面抽沙平臺及輸沙管線的固定和移動技術、輸沙管道平面布置、水下抽沙施工工藝等進行了研究[3]。黃河下游河道淤積主要是高含沙洪水造成的，韓其為等[4]分析了黃河下游含沙量大于300 kg/m3的高含沙洪水的特點，得到了洪水輸沙能力公式。

1 下游河道輸送泥沙方式及存在問題

按修筑堤防對水流泥沙的影響，黃河下游可分為自然漫流期和固定河道下泄期。自然漫流期，黃河以多條汊道在華北平原上四散分流，淤地造陸，流道以落淤、抬升、漫溢、遷徙的規律循序演變，陸地泥沙滯留量大于入海泥沙量[5]。固定河道下泄期，下游由多股分汊河道演變成為單股河道[5]，水流基本在約束的防洪堤間運行，泥沙隨引水少量向兩岸分流，小部分沿河床落淤，大部分隨水流輸入大海。修建三門峽水庫前，陜縣水文站30 a徑流泥沙資料顯示，黃河多年平均天然徑流量580億m3，年平均輸送泥沙量16億t，其中入海泥沙量12億t，沿河落淤泥沙近4億t[6]。

修筑堤防保護了沿河的工農業生產安全，也產生了新的矛盾，主要有4個方面：一是沿單股河道輸沙，形成了下游的地上懸河，堤防約束難，存在洪災風險；二是河流自然功能被改變，泥沙不能回到平原淤土改造地形，回歸自然難；三是河道內泥沙呈線狀沉積，收集利用難；四是長期看，黃河水能總體小于搬運泥沙入海所需要的動能，維持河道沖淤平衡的水沙關系難。

2 分沙輸沙思路與管道輸送優勢

2.1 分沙輸沙的意義

20世紀90年代以來，黃河中下游水沙量明顯減少。有研究資料表明，和20世紀50年代相比，利津站年徑流量和泥沙量90年代分別減少31.2%和31.3%，21世紀初分別減少21.9% 和11.2%[7]。水沙變化與流域降雨時空分布、沿線工業化及城鎮化發展用水增加、區域工程逐步發揮作用等因素有關，但從長期看，客觀的氣候條件和黃土高原的黃土性質決定了黃河多沙的特性很難改變，中游工程措施攔滯和調節泥沙數量是有限的。分沙輸沙可以借助豐富的電力資源，提高黃河水力搬運泥沙的能力，減少輸沙水量。分沙可以減小下游河道水流含沙量，改變水沙關系，對保持現有河道位置長期不變有利，對改變現狀河道存在問題有利。

2.2 分沙輸沙思路

黃河中游尾段是泥沙的自然聚集區，有形成高濃度含沙水流的天然條件，在該處利用已建樞紐工程的攔蓄作用，滯留泥沙，分設提沙站點，將泥沙分離出河。各提取點抽提組合，形成高含沙水流，沿兩側河岸輸沙管道，依靠水沙重力和分級加壓動力向下游沿線用沙點及大海輸送。

集中輸沙工程措施有多種，可選擇渠道式、無壓箱涵式、管道式、混合式等，從保持水頭、實施難易、挾沙穩定性和占壓土地等方面綜合分析，管道式加壓輸送優勢明顯。

2.3 管道輸沙優勢分析

與單一河道輸沙方式相比，管道集中輸沙有以下優勢：①能利用電力補充水流輸移泥沙過程中水動能的不足；②挖沙、輸送和利用泥沙相結合，可根據面上需要，及時變動挖沙位置，及時在輸送干管上開、關分沙口；③一定量的泥沙，采用管道集中輸送所需水量小于河道輸沙所需水量。

3 管道輸沙方案描述

3.1 輸沙系統布置

黃河下游管道輸沙系統包括泥沙采集區、輸沙管道系統、分沙利用區、入海區四大部分。泥沙采集區起點為黃河小北干流段，終點至西霞院水利樞紐，采集點分布在小北干流河段、三門峽水庫庫區、小浪底水庫庫區和西霞院水庫庫區。輸沙主管道從小北干流至入海口，沿黃河兩岸布置。泥沙利用分水口布置在沁河口以下至入海口段，根據面上泥沙需求，確定分沙口數量和規模，大致有放淤改土口和泥沙加工利用口兩類，可隨時調整。入海口位置可靈活移動，沿海岸線變化。布置示意見圖1。

圖1 集中泥沙輸送系統示意

3.2 輸沙規模

以遠期規劃入黃沙量8億t[6]控制，管道動力系統年輸沙量應與下游水沙平衡狀態下輸水入海挾沙量、兩岸引水引沙量、調水調沙量協調分擔。

入海沙量，統計1987—2004年利津站實測入海泥沙量，18 a總計62.1億t，年均3.45億t[7]。

灌溉用水主要集中在春秋兩季，中游水庫控制下泄水流含沙量小，2003—2013年下游年均灌溉引水量72.44億m3，以寧蒙河段年均含沙量7.86 kg/m3[8]估算，下游年平均引沙量為0.58億t。

2002—2016年，黃河進行19次調水調沙，輸沙10億t，平均年輸沙量為0.53億t。

那么，剩余給管道動力輸送的泥沙量為年均3.44億t（見表1）。考慮動力系統清除中游已有河道、水庫及渭河等一級支流淤積，近期規劃輸沙量以富余量控制，年均管道輸沙規模約為4億t。

表1 入黃沙量分配規劃 億t

4 管道輸沙方案關鍵參數分析

4.1 系統參數

（1）含沙量。綜合分析挾沙流速、長距離沿程水頭損失、耐久性、運行安全等多方面因素，水流含沙量不宜過大。結合相關試驗和工程經驗，挾沙流速為2 m/s左右，對應管道水流含沙量300 kg/m3，運行整體效果較好。輸沙系統每年運行300 d，年均流量51 m3/s，則年輸沙用水量為13.33億m3。與河道輸沙相比，集中輸沙用水量小，有一定的置換水資源潛力。

（2）泥沙粒徑。分沙口集中在中游下部，以三門峽庫區斷面為代表，分析抽取泥沙的中值粒徑d50。根據三門峽庫區1960—2003年大斷面淤積物粒徑分析結果（見表2）[9]，其中泥沙粒徑大于0.05 mm的含量接近50%，故選其作為中值粒徑。

表2 三門峽庫區大斷面1960—2003年淤積物粒徑

（3）挾沙流速。流速是關鍵的設計參數，在滿足輸沙要求前提下，結合泥沙粒徑、擬選管徑，與經驗值對比，盡量選小值。從不同途徑分析選取如下：①對于清水，長距離供水，《城鎮供水長距離輸水管（渠）道工程技術規程》（CECS193—2005）要求：壓力輸水管道的設計流速不宜大于3 m/s，經濟流速一般為0.8～1.4 m/s。②小浪底高含沙水流遠距離管道輸送技術試驗研究表明，中值粒徑為0.040 9～0.061 2 mm、含沙量為950 kg/m3（體積濃度 Cv=35.85%）時，流速為1.50～2.08 m/s，管道排沙效果最佳[3]。③王英杰開展的管道輸送泥沙試驗研究表明，選用泥沙密度2.74 g/cm3，粒徑為0.01～0.2 mm，中值粒徑為0.061 3 mm，滿足挾沙且水頭損失較小，含沙體積濃度Cv=15%（400 kg/m3）時，流速為 2 m/s（見圖 2）[10]。 ④按二相流淤限流速挾沙經驗公式[11]計算，將結果點繪成VL—ρ關系圖（見圖3）。Durand定義淤限流速VL相當于泥沙全部懸移二相流與有推移質運動之間的邊界流速，基本與最小水頭損失時的流速相等[12]：

式中：VL為淤限流速，m/s；d為泥沙中值粒徑，mm；D為管徑，cm；ρm為渾水密度，g/cm3；μm為運動黏滯系數，cm2/s；s為渾水與清水的密度比；g為重力加速度。

綜合以上分析，重點考慮輸沙和減小沿程水頭損失，選定管道流速為2 m/s。

4.2 管道及加壓泵站參數

綜合考慮黃河中游泥沙特點和經濟性，來設計遠距離輸沙管道及動力系統。經初步計算分析，左、右岸各布置7根輸沙管，每根管道平均輸水流量為3.67 m3/s。

圖2 不同含沙量的流速與水頭損失

圖3 淤限流速與含沙量的關系

（1）管材及管徑。目前，國內外常用的管材有鋼管、鑄鐵管、預應力鋼筒混凝土PCCP管、夾沙玻璃鋼管等。以耐磨和強度為主要控制因素，選用PCCP管。管徑計算采用管道恒定流公式：

式中：Q為流量，m3/s；A為管道過流面積，m2；v為流速，m/s；D 為管道直徑，m。

經計算，單根PCCP管道直徑為1.5 m。

（2）沿程水頭損失。以單根入海輸沙管為例，計算起點選黃河下游起點桃花峪，輸水管長采用河線長度786 km。管內水流為紊流的阻力平方區，由計算雷諾數Re=2 307 692和相對黏滯度Δ/d=0.000 5（Δ為混凝土管道壁面當量粗糙度，mm），查Moody圖[13]得沿程水頭損失系數λ值。

式中：hf為沿程水頭損失，m；λ為沿程水頭損失系數；l為單根輸沙管長，m；D為管道直徑，m；g為重力加速度，g=9.8 m/s2。

計算結果見表3。

表3 單管沿程水頭損失計算結果

（3）加壓泵站數量。輸沙沿線布置泵站加壓，以加壓泵單級揚程300 m估算，入海線路需設12級泵站，以便保證輸沙流速。

4.3 運行成本分析

僅考慮工程運行的輸沙成本，主要體現在水泵加壓維持流速耗費電能方面。耗電量計算公式如下。

式中：E為年耗電費用，萬元；k為電價，元/（kW·h）；h為水頭損失，m；ρ為含沙水密度，kg/m3；T為年提水總時間，h；η為裝置效率。

按平均輸沙至下游河道中間位置控制，水頭損失1 764.5 m，單管輸水流量3.67 m3/s，全年所需電量為62 124萬kw·h，輸送0.14億m3泥沙的費用為3.11億元，輸送1 m3泥沙耗電成本約為22.86元，見表4。

表4 輸沙耗電成本計算結果

4.4 需進一步研究的問題

管道集中輸送黃河泥沙，方便轉移運輸和應用，有利泥沙資源的市場化，更好地實現治黃社會效益和經濟效益的互補。輸沙工程沿線占壓土地呈線狀，對環境產生嚴重影響的可能性不大。因工程采沙區長度超過300 km，采沙點分散，用沙點也存在較多的變化，在采沙、用沙、對河勢影響及建筑物安全方面存在一些復雜問題，需要統籌研究，如中游采集泥沙的精細控制、與其他泥沙治理措施間的協調、泥沙市場開發運行、工程建設管理等。

5 結 語

黃河下游河道單一的河流輸送泥沙方式已很難平衡自然與社會發展持久需求的關系，增加新的輸沙方式客觀上是必要的，技術上也積累了很多相關經驗。水能、電能并用，中游分離泥沙，下游管道集中輸運，作為泥沙綜合治理的具體措施，從局部試驗到生產應用，將對解決黃河的泥沙難題有重要貢獻，也有利于實現泥沙資源的價值回歸。

致謝：端木禮明、周麗艷對本文給予指導，在此表示感謝。