引黃灌區集中與分散沉沙方式分析

梁祥金，張華巖，姚婭杰

(1.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016;2.黃河水利委員會 新聞宣傳出版中心，河南 鄭州 450003;3.科興建工集團有限公司，河南 鄭州 450018）

河南省是全國重要的糧食生產大省,對保障國家糧食安全發揮重要作用。當前,河南省內已建立大型引黃灌區38處,引黃灌區已成為河南省重要的糧食生產基地。黃河泥沙含量大,引黃必然引沙。根據規范[1］及工程經驗,引黃沉沙一般采取沉沙池集中沉沙的方式,但沉沙池占地面積大,隨著城市化進程的持續推進和環境保護的持續強化提升,沉沙池選址日益受限,征遷問題突出。沉沙池集中沉沙后泥沙清淤及泥沙利用難度大,環境問題日益突出,沉沙池運用情況不盡如人意。陳玉培等[2］對引黃入冀補淀工程中的2條條渠梭形集中式沉沙池方案進行比選,確定了沉沙池的位置、方案及規模。袁榆梁等[3］通過對引黃入冀補淀工程2018—2019年集中式沉沙池運行效果的分析,印證了集中式沉沙池使用效果較好,但對于分散沉沙未論及。馬愛忠等[4］指出位山灌區高水位、大流量、速灌速停輸水措施延長了沉沙池使用壽命,達到了遠距離輸沙、分散沉沙的目的,效益顯著。胡健等[5］針對位山灌區沉沙池輸沙通道改造及減淤效果開展試驗研究,減輕沉沙池的泥沙淤積,延長沉沙池的使用年限,達到了灌區泥沙遠距離輸送、分散沉沙的效果,因此引黃灌區采用分散沉沙方式有其實用價值和現實意義。筆者結合趙口引黃灌區二期工程的實際情況,經分析論證,得出集中沉沙和分散沉沙均是可行的。在保證運行管理到位的前提下,采用分散沉沙方式可有效化解征遷矛盾,節省建設資金,基本滿足灌區的運行需要。該項研究結果已應用于趙口引黃灌區二期工程規劃設計,目前趙口二期工程正在建設中,待竣工后將根據工程的運行情況,進一步研究分散沉沙效果。

1 工程概況

趙口引黃灌區始建于1970年,規劃設計灌溉面積39.13萬hm2,以趙口總干渠—運糧河—渦河為界,以西為一期工程,設計灌溉面積24.43萬hm2,以東為二期工程,設計灌溉面積14.7萬hm2。全灌區設計年引黃水量4.3億m3,一期工程1.9億m3,二期工程2.4億m3。

趙口引黃灌區原規劃7座沉沙池,其中Ⅰ號沉沙池采用自流沉沙及以挖待沉方案處理泥沙,其他沉沙池作為備用或堆沙區使用[6］。隨著城市建設與開發,原規劃沉沙池地塊已調整為他用,選擇適宜的沉沙池位置難度很大。

隨著黃河上中游區域水土流失的持續改善,自小浪底水庫調水調沙運用以來,中下游黃河泥沙含量逐年降低,黃河主槽下切嚴重,引黃口門的引黃能力逐年下降。趙口引黃灌區多年來以小流量引水為主,引黃泥沙一直分散沉積在各級輸水渠道上,運行管理中根據實際情況實時清淤。

2 總干渠現狀淤積及分析

2.1 總干渠現狀淤積情況調查

趙口引黃灌區目前采用沿渠分散沉沙,總干渠淤積情況如下:

(1)2014—2017年灌區共引黃河水5.241億m3,2017年總干渠渠首以下16.8 km清淤約17.40萬m3。

(2)2018年灌區全年引黃河水2.627億m3,經對實際淤積情況測量,總干渠襯砌段渠首以下8.6 km淤積量為3.36萬m3。渠道中心淤積較薄、兩側較厚,形成過水主槽,平均淤積厚度0.145 m。

2.2 實際引水過程沉沙量計算

馬睿等[7］在研究黃河下游河道的沖淤變化中采用了準二維水沙數學模型；鐘德鈺等[8］認為多沙河流采用非恒定一維水沙模型,只要斷面間距合適、時間步長不大,就可滿足精度要求；張防修等[9］采用一維非恒定水沙數學模型構建黃河下游河道沖淤模型,計算精度滿足要求。綜合考慮,本文采用一維非恒定水沙數學模型,模擬不同引黃水沙過程在灌區渠道內分段沖淤情況。

趙口引黃灌區總干渠渠首引黃閘距離黃河花園口站28.5 km,有關泥沙資料采用花園口站資料。根據2014—2018年總干渠實際引水過程,采用對應年月的花園口站實測含沙量(見表1)及泥沙級配統計數據(見表2)。

表1 花園口站實測月均、年均含沙量 kg/m3

表2 花園口站泥沙級配統計

數學模型的基本原理如下:水動力學控制方程采用一維圣維南方程組,泥沙輸移采用懸移質泥沙運動方程和受泥沙沖淤影響的河床變形方程[9］。

一維圣維南方程組:

式中:Z為水位；Q為流量；A為斷面面積；B為水面寬度；g為重力加速度；Sf為摩阻坡度；t為時間；x為流程；ql為旁側入流(引水、損失等)單寬流量。

泥沙運動方程和河床變形方程:

式中:Si為斷面分組沙i含沙量；Si*為斷面分組沙水流挾沙力；ωi為分組沙沉速；Zbi為分組沙沖淤引起的河床高程變化；qls為單位流程上的側向輸沙率；γ′為泥沙干密度；αi為分組沙恢復飽和系數。

總干渠渠段泥沙淤積計算結果見表3。

表3 總干渠（樁號0+000—15+333）渠段淤積計算結果

2.3 實際淤積量與數值分析結果對比分析

2014—2017年總干渠清淤總量為17.40萬m3(16.8 km渠段),采用數學模型計算的淤積量為16.48萬m3。根據2018年全年引水后實測淤積斷面數據,計算得到襯砌段淤積量為3.36萬m3,平均淤積厚度為0.145 m,采用數學模型計算淤積量為3.85萬m3,平均淤積厚度為0.164 m。

2014—2017年計算結果與實測清淤量剔除渠道長度不同的影響后,兩者相差4%,2018年引水過程數據中9月和10月只提供了引水量(共5800萬m3)和起始時間,計算時分配的天數可能與實際有偏差,計算結果與實測淤積量偏差約13%。總體看來,理論計算方法基本適用。

3 設計引水過程沉沙計算

3.1 基本資料

3.1.1 設計引水過程

根據趙口引黃灌區用水配置方案確定的設計年引黃總量為42532萬m3,引水58 d,引水時段分別在3月、4月、5月、7月、11月,見表4。

表4 趙口引黃灌區設計引水過程

3.1.2 泥沙資料

根據花園口站1981—2015年35 a的泥沙資料,小浪底水庫建設前1981—1991年平均含沙量為9.05 kg/m3,小浪底水庫建設期和運行初期1992—2004年平均含沙量為8.91 kg/m3,小浪底水庫調水調沙期2005—2015年平均含沙量為1.87 kg/m3。由此可見,在小浪底水庫調水調沙期,花園口站的含沙量一般較低,且粗顆粒含量不高(見表2)。但在小浪底水庫正常運用期,水庫下游河水實際泥沙含量會重新升高,但具體數值難以預測,考慮采用小浪底建庫前(1981—1991年)和調水調沙期(2005—2015年)的泥沙資料平均值來計算,引水平均含沙量為5.46 kg/m3,各月平均值見表5,泥沙顆粒組成采用小浪底水庫建成運行后的實測數據。

表5 花園口站實測的泥沙含量 kg/m3

計算采用的泥沙資料如下:短系列(2005—2015年),代表小浪底水庫調水調沙期引黃含沙量；長系列(1981—2015年),代表小浪底水庫正常運用期引黃含沙量。

泥沙顆粒均采用小浪底水庫建成后花園口站數據,分汛期和非汛期兩種級配,計算按時間段取用。

3.2 沉沙池集中沉沙分析

沉沙池緊鄰總干渠左岸,長度約5 km,占地面積263.73 hm2,分左右兩池,左池長4992 m,右池長3155 m,汛期引水需用較長的左池,兩池可輪流使用和清淤。

根據規范[1］及工程經驗,沉沙池采用準靜水沉降法的原理和方法進行計算(計算公式詳見規范,不再贅述)。采用短系列、長系列泥沙資料,集中沉沙計算結果見表6。

表6 集中沉沙計算結果

小浪底水庫調水調沙期,渠首年引水量42532萬m3,引沙量57.43萬m3,沉入沉沙池48.10萬m3,最小沉沙效率0.84,出池水流含沙量0.07～0.92 kg/m3；小浪底水庫正常運用期,渠首年引水量42532萬m3,引沙量167.97萬m3,沉入沉沙池142.16萬m3,最小沉沙效率0.85,出池水流含沙量0.48～2.48 kg/m3。出池顆粒(粒徑小于0.05 mm)和沉沙效率(大于0.80)均滿足規范要求。

3.3 沿渠分散沉沙分析

分散沉沙計算方法采用一維非恒定水沙數學模型,均以設計引水過程按旬進行計算。

根據趙口二期灌區灌溉系統分別計算了總干渠、運糧河、東一干、東二干、朱仙鎮分干、陳留分干、石崗分干等渠段沉沙量。分散沉沙計算結果見表7、渠道平均淤積厚度見表8。

表7 分散沉沙計算結果 萬m3

表8 分散沉沙渠道平均淤積厚度 m

3.4 計算結果分析

(1)短系列。集中沉沙:沉沙池年淤沙量48.10萬m3,引黃沉沙率0.84,出口含沙量0.07～0.92 kg/m3,3 a清淤一次。出池水流含沙量較小,沉沙池以下的渠道基本不會再淤積泥沙,進入河道泥沙量相對較少。分散沉沙:年引沙量57.43萬m3,沉入渠系38.44萬m3(占67%),沉入河道(田間)18.99萬m3(33%),渠道年平均淤積厚度0.010～0.228 m。從結果上看,渠道平均淤積厚度在襯砌超高以下,從整體上可以說對渠道安全運行影響不大,可以采用渠道內分散沉沙。但實際泥沙淤積分布差別較大,一般水閘、渠道彎道凸岸等流速相對較小的區域會淤積較厚,因此采用分散沉沙應及時清淤,以保證正常運行。泥沙沉入河道(田間)18.99萬m3,因河道斷面相對較大,故總淤積厚度不大,但淤積不均勻,局部斷面可能存在淤堵現象,應根據實際情況及時清淤,以保證正常排澇和行洪。

(2)長系列。集中沉沙:年淤沙量142.16萬m3,引黃沉沙率0.85,出池含沙量0.48～2.48 kg/m3,每年清淤一次。沉沙池以下的渠道基本不淤積,退水入河的含沙量較小,對河道影響也較小。分散沉沙:年引沙量167.97萬m3,沉入渠系115.19萬m3(占69%),沉入河道(田間)52.78萬m3(占31%),平均淤積厚度0.027～0.827 m。從結果上看,渠首8 km年平均淤積厚度達0.827 m,加上淤積分布不均,為保障過水能力和工程安全,必須根據情況隨時清淤；另外,從引水過程看,3月和5月引水流量達到設計規模,為保證安全,在引水之前需清淤,其他引水月份根據實際淤積情況確定。因此,采用分散沉沙方式時,須加強運行管理。

河道(田間)年淤積總量為52.78萬m3,且淤積分布不均勻,局部斷面可能存在淤堵現象,應加強管理,根據實際淤積情況及時清淤,保證行洪排水通暢。

(3)經濟比較。集中式沉沙池投資約2億元,分散沉沙無建設費用。運行管理費用,分散沉沙和集中沉沙的引沙量相同,沉入沉沙池與沉入渠道、河道的泥沙均需清淤,工程量基本相當,清淤費用相近。但分散沉沙清淤后泥沙分布范圍廣,便于渠道沿線消納。

從投資與運行管理費用上分析,分散沉沙優于集中沉沙。

4 結語

從沉沙計算結果看,引黃灌區集中沉沙和分散沉沙均可。采用分散沉沙方式時灌區在管理上應重點關注小浪底水庫運行情況,合理確定引水時間,避免高含沙量時段引水。在保證運行管理到位的前提下,采用分散沉沙方式可節省建設資金。

小浪底水庫正常運用期,水庫下游河水實際泥沙含量會升高,但具體數值難以預測。鑒于黃河來沙的不確定性,建議在小浪底水庫正常運用期結合渠首水流含沙量和分散沉沙的管理經驗,再行論證是否采用沉沙池集中沉沙。