濱州市小開河引黃灌區(qū)引水能力降低原因及對策探討

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日開始，至7月10日結(jié)束，歷時17 d，黃河最大下泄流量5 500 m3∕s，下游主河槽最小過水能力提高到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河引黃灌區(qū)為例，詳細(xì)分析黃河調(diào)水調(diào)沙后小開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)近年來含沙量和泥沙粒徑實(shí)測資料，運(yùn)用挾沙能力公式計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證。同時，根據(jù)4種方案比較，提出了有針對性的建議。

2 小開河引黃灌區(qū)引水能力現(xiàn)狀

2.1 小開河引黃灌區(qū)基本情況

濱州市小開河引黃灌區(qū)位于山東省北部、黃河下游左岸，縱貫濱州市中部，是國家大（2）型引黃灌區(qū)。引黃閘位于黃河大壩樁號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，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，黃河來水來沙條件發(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，由于黃河來水較少，小開河引黃閘前水位遠(yuǎn)不能達(dá)到設(shè)計(jì)水位，此期間即使黃河部門不對引水指標(biāo)控制，引水流量也很少。如，2016 年1、2 月最大引水流量僅為8.41 m3∕s，為設(shè)計(jì)引水流量14%，根本無法滿足灌區(qū)用水需求。

表1 小開河灌區(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，依然無法達(dá)到設(shè)計(jì)流量運(yùn)行。如，2018 年黃河來水較好，小浪底水庫按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

小開河引黃灌區(qū)渠首附近地勢較高，為一狹長地帶，東西平均寬僅3.5 km，且村莊密集，無沉沙條件。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30 萬m3，嚴(yán)重影響了灌區(qū)引水能力，詳見表2。

表2 小開河灌區(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小開河閘前河槽下切情況

齊馮大斷面位于小開河引黃閘上游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]。

由于小開河引黃閘前沒有大河流量和水位觀測資料，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年小開河灌區(qū)渠首含沙量變化圖1可以看出，小開河引黃閘渠首含沙量呈逐年增大趨勢，除每年6、7月，大部分時間維持在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，此時濼口流量188 m3∕s、利津流量111 m3∕s、小開河閘前黃河推算流量139.4 m3∕s、小開河引黃閘實(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，此時濼口流量3 720 m3∕s、利津流量3 610 m3∕s、小開河閘前黃河推算流量3 650.5 m3∕s、小開河引黃閘實(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%，由此看出近年來小開河引黃閘引水含沙量過高[4]。

圖1 2016—2020年小開河灌區(qū)渠首含沙量變化

3.3 泥沙顆粒分析

小浪底水庫投入運(yùn)行之后，黃河下游河道長期處于沖刷狀態(tài)，水流中所挾帶的泥沙粒徑呈明顯的變粗趨勢。黃河泥沙公報統(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]。小開河灌區(qū)2008 年設(shè)立泥沙實(shí)驗(yàn)室，2013 年購置馬爾文激光粒度分析儀，每次引水都對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，原因是小開河引黃閘河勢變化主要受上游32號壩頭的影響，32號壩頭伸進(jìn)主河道45 m，當(dāng)黃河水經(jīng)過32號壩頭到達(dá)小開河閘前時極易產(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）通過內(nèi)插法可得。

將2020 年2—9 月每次引水采樣測得的泥沙粒徑D50 代入上述公式計(jì)算得到挾沙能力，與相對應(yīng)水樣的實(shí)測含沙量進(jìn)行比較，結(jié)果詳見表4。從計(jì)算所得含沙量與挾沙能力之比可知，從3 月底開始比值大于1，說明引水開始大量落淤，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%，說明渠道淤積速度快且特別嚴(yán)重。

表4 小開河灌區(qū)渠首泥沙D50含沙量與挾沙能力對比

4 對策

為緩解灌區(qū)引水能力下降及渠道淤積嚴(yán)重的問題，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

此方案對原小開河引黃閘拆除改建，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告》分析，在綜合考慮前3 a平均水位下，小開河引黃閘若保證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的32.2% 左右提高至100%，小開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，通過自流孔引流，自流孔設(shè)計(jì)引水流量與引黃閘相同，為60 m3∕s，低水位時開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)移動泵站方案

移動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泵站的有人民勝利渠渠首移動泵站和邢家渡引黃閘閘前移動式應(yīng)急泵站等。小開河引黃閘前移動泵站型式設(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。由于小開河灌區(qū)配套工程已完成，無法降低渠系高程，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，在黃河水量較小時也能及時滿足生活和工業(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。