簸箕李引黄灌区水沙运行分析及对策
时间：2023-01-19 19:35:11 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
房本岩，贾增晖
（滨州市引黄灌溉服务中心，山东 滨州 256600）
经过多年发展，引黄供水事业取得巨大成就，面积已达733.4 万hm2，为沿黄地区的经济社会发展提供了可靠的水资源保障，彻底改变了灌区农业生产落后面貌，极大提高了灌区人民生产生活水平[1]。黄河是多沙河流，引黄必引沙，灌区在引用黄河水的同时也引入了大量泥沙。泥沙问题一直是困扰灌区的一大难题，很多专家和工程技术人员致力于研究泥沙淤积和处理措施，取得了诸多成效[2]。引黄灌区一般采用渠首集中沉沙、沉沙池沉沙、远距离输沙分散沉沙等处理方式[3]。
1.1 灌区基本情况
簸箕李引黄灌区是国家大型灌区，位于黄河下游的山东省滨州市，承担滨州市惠民县、阳信县、无棣县24个镇（街道办）工农业生产供水任务，并兼顾108 万城乡居民饮水保障。灌区设计灌溉面积7.87万hm2，年均引水4 亿m3左右。灌区在处理引水泥沙方面没有天然的沉沙条件，多年来一直采用渠首“以挖待沉”的集中处理模式，在引黄闸后设置1 条长22 km 的沉沙条渠。条渠渠首流量60 m3/s，设计水深2.2 m，底宽34 m，边坡1∶2，渠底比降0～6 km为1/5 000、6～21 km为1/7 000、21～22 km为-1/6 000（倒坡），当渠内泥沙淤积到一定程度后进行清淤，以维持灌区效益的正常发挥。
1.2 引黄泥沙对灌区的影响
引黄必引沙，灌区引水与引沙同步。簸箕李引黄灌区运行至今已引进泥沙1.44亿t，多年平均引沙265万t，其中淤积在条渠的约3 780万t，占总引沙量的26%。自条渠清淤出来的泥沙堆放在渠道两岸以来，泥沙越堆越多，逐年增加，形成宽窄不一、高低崎岖的沙岭，清淤难度不断增加，费用攀升。虽然经过近几年的水土治理，但有一多半的泥沙仍滞留在两岸，使得当地环境容量迅速减小，给周围农民的生产生活带来诸多负面影响。泥沙在风和降雨径流的带动下进入周围农田，造成土壤沙化，保水保肥性差，不利作物生长，产量降低。同时，引起当地排水河道淤积，降低防洪排涝功能。
2.1 引水量、引沙量的季节变化性
灌区引水量、引沙量随季节不同，变化较大。簸箕李灌区全年引水量分配大致为：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）分别占总引水量的67%、18%和15%。而引沙量却不同步，根据多年观测资料，春灌、夏秋灌和冬灌引沙量分别占全年总引沙量的43%、41%和17%。显然，条渠输沙率夏秋灌最大，冬灌次之，春灌最小。夏秋灌引水量虽然只占18%，而引沙量却高达41%，在夏、秋季节引水给灌区带来的泥沙影响较为突出。在这两季引水应综合考虑权衡利弊，以免造成渠道出现过分淤积，妨碍下一阶段引水。
2.2 泥沙淤积的季节变化性
泥沙在条渠上的淤积，随季节不同而变化，与引沙量近似同步，但并不完全吻合。泥沙在簸箕李灌区条渠的淤积比例为：春灌、夏秋灌和冬灌分别占总淤积量的45%、36%和19%。条渠的淤积比可用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冬值分别为1.047、0.878 和1.118。在条渠上淤积的泥沙并不完全按固定比例淤积，φ冬＞φ春＞φ夏秋，即单位泥沙量流经条渠时，泥沙淤积量冬灌最多，春灌次之，夏秋灌最少。造成这一现象与黄河来水来沙情况有关，在冬、春两季灌区引水时含沙量偏小，泥沙颗粒较粗，且黄河水情较差，引水流量偏小。浑水进入渠道后，水流较为平稳，基本可以看作是层流运动。水沙在向下游输送时，粗泥沙首先沉积下来。同时，泥沙颗粒之间存在相互碰撞，在碰撞过程中，一部分细泥沙颗粒会凝聚在一起，形成团粒，而团粒的沉速远大于分散颗粒，也会沉积。在夏季和秋季时黄河来水来沙量处于峰期，在此阶段引水，含沙量较高，泥沙粒径级配不均匀，细泥沙较多，水流黏滞性相对较大，运动黏滞系数大，会阻止泥沙颗粒的下沉[4]。在这一时段引水时，为避免渠道出现过分淤积，往往会采取较大流量引水方式，流速快、挟沙力强，这一阶段泥沙淤积速度相对较慢。
3.1 条渠进口与出口含沙量间的函数关系
根据簸箕李灌区多年的实测资料，点绘出条渠进口含沙量S进、出口含沙量S出关系如图1所示。从图1 可以看出，点群绝大部分都在450线以下，即浑水经过条渠后含沙量变小。
图1 条渠进口、出口含沙量关系
由点群的密集和走向趋势看，S进与S出之间关系基本符合以下规律：
式中：K为条渠进口含沙量季节系数，春灌时取0.98，夏秋灌时取1，冬灌时取0.95；
M、N分别为条渠进口含沙量大小系数，当条渠进口含沙量S进≤8 kg/m3时M取0.76、N取0.25，当S进＞8kg/m3时M取0.98、N取-2.75。
K值之所以变化，是因为自年度清淤周期始至周期末条渠的拦沙作用有所减弱。M、N值在条渠进口含沙量8 kg/m3时发生变化，主要原因在于：①含沙量变大。在泥沙颗粒下沉过程中，颗粒之间相互碰撞、相互干扰，因而其下沉速度受到影响。实验证明，浑水中的颗粒沉速小于清水中的颗粒沉速，且颗粒越密集沉速越小，即含沙量越高颗粒下沉越慢。随着含沙量升高，浑水的黏滞性增强，流层间的切应力、内摩擦力变大[5]。当切应力、内摩擦力增大到一定程度即含沙量大于8 kg/m3时，泥沙下沉受到足够影响，泥沙沉积量相对减小。②粒径级配。灌区高含沙量水流主要集中在夏秋两季，在这两季测得的泥沙粒径级配不均匀，颗粒偏细，泥沙主要是粉沙和黏土粒[6]，其中值粒径在0.009 mm 左右，而在冬、春两季测得的中值粒径在0.025 mm 左右，因此泥沙粒径小，下沉相对较慢。
3.2 条渠的泥沙拦阻作用
通过多年对簸箕李灌区的条渠引水含沙量变化观测发现，条渠上游含沙量高于下游，且整个条渠含沙量由上而下呈递减趋势，即条渠起到了拦截泥沙作用。但这种拦截作用全年并不是固定不变的，随着清淤后运行周期的初始（11 月下旬）到运行末期（第二年的10 月中旬）其作用逐渐减小。因为条渠进、出口的渠底高程是固定的，水面比降变化不大，随着条渠淤积，过水断面逐渐减小，条渠挟沙力相对增强，沉沙能力有所减弱。同时，在条渠两侧堆积了大量泥沙，当刮风下雨时，使得两侧泥沙第二次搬运到条渠中，形成重复性淤积，也阻碍了条渠的拦沙作用。灌区清淤施工期为10 月20 日至11 月20 日，清淤结束后，于11月21日开始冬灌引水。条渠上泥沙在清淤后一个运行周期内，不同时间段沿程淤积分布如图2所示。由图2可知，淤积在条渠的泥沙量较多，淤积深度随引水量的增加而增加，成正相关关系；
4 月11 日前淤积速度较快、淤积量相对较多，以后淤积速度逐渐变慢；
前6 km 淤积深度明显小于下游淤积深度，这是由于渠底比降不同引起的，前6 km渠底比降相对下游较大，流速较快，较多泥沙被输移到下游。
图2 不同时间段条渠淤积深度
3.3 条渠的溯源淤积
簸箕李灌区条渠内泥沙淤积存在一定的溯源性。因为沉沙条渠存在三段不同比降，虽不能增大条渠的纵向渠底比降，但能够改变条渠水面线和泥沙的沿程淤积分布。通过分析水深可知，水面线是壅水水面线，上段水面比降最大，接近1/5 000，水深最小；
中间段水面比降次之，接近1/6 000～1/7 000，水深较小；
尾部水面比降最小，接近或小于1/10 000，水深最大。上游过水断面较小，输沙能力相对较强，只有较粗的泥沙沉积下来，相对沉积数量较少；
下游段水相对较深，过水断面变大，挟沙能力变小，较多泥沙淤积在条渠末端。随着尾部淤积量增加，尾段倒坡变缓，向上影响中游段的挟沙能力，继而条渠会发生溯源性淤积。随着溯源淤积的不断上延，水位发生一定抬升，又影响到上游段的挟沙能力，使得整个渠道都发生淤积。由图2 可知，12 月15 日和第二年4 月11 日勘测的条渠渠底淤积情况明显呈现溯源性。泥沙淤积溯源性多发生在清淤后运行周期的初期，随着条渠内泥沙淤积量的增多，渠底比降发生变化，这种现象逐渐消失。
3.4 渠底冲刷现象
沉沙条渠的引水含沙量并非始终是S进＞S出，有时偶尔会出现S进＜S出，即渠底受到水流的冲刷。这种现象发生在条渠引水流量大、含沙量相对较小、泥沙颗粒偏细的情况下。因水流运动黏滞性差，流速相对较大，渠底泥沙在水流的拖曳力和上举力作用下，开始起动。这种起动多发生在粗沙颗粒，这是因为淤积在渠底的泥沙颗粒之间存在一定黏结性，粒径越小，泥沙之间黏结越紧固，泥沙颗粒起动需要流速也就越大，而对于粗泥沙颗粒，这种黏结紧固程度相对较小，需要的起动流速也较小。研究成果显示，对于引黄灌区干级渠道，粒径0.015 mm 的细泥沙颗粒在水深为2 m 时起动流速大约为0.9～1.1 m/s，而粒径0.05 mm 的较粗泥沙在水深2 m 时起动流速约为0.7 m/s[7]。因而，渠底较粗的泥沙在水流冲刷下，会被曳起成为悬移质向下游输送，发生渠底冲刷。这种现象主要发生在条渠的上游。
4.1 引入渠道的泥沙偏多、偏粗
引黄灌区的取水方式多为无坝取水，闸前没有相应的拦沙设施，灌区引水引沙受黄河影响较大，引沙偏多。修建引黄闸时，虽然按照水力学理论设计，引水口布置于弯道的顶点偏下，其引水时利用弯道的环流作用，在凹岸处引取河道表层含沙量相对较小的水[8]。但簸箕李灌区引黄闸修建于1976 年，在黄河小浪底水库工程建成以来，经过调水调沙，闸前黄河主河槽产生了一定演变[9]，主流发生偏移，逐步下移靠近引黄闸，虽然黄河年度总体来沙量减少，但是灌区引沙并没有减少。由图1可知，点群皆在45°线以下，即S出＜S进，水流通过条渠后泥沙含量变小，产生淤积，且随着S进增大点群偏离45°线愈远，即渠道内泥沙淤积量随着入渠含沙量的增大而增加，入渠含沙量较高是泥沙淤积过重的主要原因之一。分析簸箕李灌区条渠泥沙粒径级配可知，仅占悬移质23%的粗沙却占了渠底床沙质的81%，因而参与造床的主要泥沙为粗沙，引入渠道的泥沙偏粗是造成淤积的另一原因。其次，渠道两侧堆积的清淤泥沙在风、雨侵蚀下进入渠中，这些泥沙粒径极大，绝大部分在0.05 mm 以上，且无黏性，入渠后很难成为悬沙向下游输送[10]，皆沉积在渠底，出现重复淤积现象。
4.2 渠道设计参数取值不尽合理
渠道糙率对挟沙能力影响较大，一般挟沙能力与糙率系数的3 次方成反比，如果糙率减少5%，其挟沙能力将增加17%[11]。灌区渠道设计时土渠糙率大多采用0.02～0.03，衬砌渠道糙率采用0.015 以上，灌区渠道实际糙率值是土渠0.017～0.019、衬砌渠道0.012～0.014，这比实际糙率值大30%～40%，使得渠道宽深比较大，水流在宽渠道状态下通过，发生淤积[12]。边坡系数与渠底纵比降对渠道挟沙能力影响也较大，灌区渠道的边坡系数大多采用2.0，但通过输沙最优断面分析，最佳的边坡系数取值应为1.0～1.5。受地形影响，渠底纵比降大多为1/6 000～1/9 000，纵比降值偏小，与来沙量不相适应，固边坡系数取值偏大，纵比降取值偏小，也对渠道的输沙产生影响[13]。
4.3 引水流量偏小
受黄河来水和灌区需水情况的限制，引水流量大多低于渠道设计输水流量。簸箕李灌区干渠2011—2016年平均引水流量，详见表1。
表1 簸箕李灌区2011—2016年干渠平均引水流量 m3/s
从表1 中看出，实际引水流量与设计值相差较大，有时甚至在设计输水能力的60%以下长时间引水，这样客观增大了宽深比，在小流量、大底宽的情况下运行。条渠泥沙在2012—2018 年淤积情况统计详见表2，平均流量2012—2018年逐步增大，而淤积比却逐步减少，说明淤积的泥沙量受流量影响，成反比关系，淤积量随着流量的增大而减少。还可看出，淤积量随着引沙量的增大而增大，但也非完全与引沙量成直线正比关系，淤积量受引水时段和引水含沙量的变化影响。由以上分析可知，引水流量较小与来沙量不相适应，是造成渠内泥沙淤积较严重的又一重要原因。
表2 条渠泥沙不同年份淤积量统计
4.4 水流速度较慢
受地形和沿途村庄建筑物等影响，有的渠道不顺直，弯曲段较多，导致主水流不位于渠中心流动，左右摆动，渠壁对水流产生较大阻碍作用，水头损失大，流速相对较慢，影响了渠道挟沙能力。同时，在水流顶冲作用下，渠壁易出现塌坡，也防碍了输沙。灌区为了管理方便，在输水渠道上修建了节制闸、桥梁、渡槽以及其他一些横穿管道等，这些影响了水流畅通，减小了过水断面，前方出现壅水现象，流速变慢，因此发生泥沙溯源淤积。
4.5 支渠分水的影响
灌区上游骨干渠道的支渠大多是涵闸式自流引水，支渠引水闸后常存在淤积现象，造成引水渠底高程大于干渠渠底高程，引水时闸门又处于全开状态，造成支渠引水以中上层水流为主。有时在开闸引水前，引水口处已淤积了较多泥沙，闸前形成阻水坎，只有上层水可以流入。分析含沙量和泥沙粒径级配可知，当干渠含沙量为7.9 kg/m3、泥沙中值粒径D50=0.026 mm 时，支渠含沙量为6.3 kg/m3、中值粒径D50=0.018 mm，很明显支渠引水含沙量低于干渠，且泥沙偏细，这样支渠分水后，使得干渠流量减小，挟沙能力降低，而含沙量和粗泥沙含量没有降低，这样的支渠分水形式加重了渠道淤积。
5.1 减少入渠泥沙
为了引取表层含沙量相对较小的水，避免底沙引入，可在引黄闸前修建必要的拦沙设施，如防沙潜堰、橡胶坝、拦沙板等，对于位置、引水角度不适宜或闸底板过低的进行改造。在引水时，应对引水含沙量进行实时监测，防止高含沙量水和粗沙引入，一般非汛期黄河来沙量较小但泥沙较粗，汛期来沙量较大但泥沙较细[14]。据多年观测，簸箕李灌区以非汛期引水含沙量不超过8 kg/m3、汛期引水含沙量不超过15 kg/m3为宜，如果超出此值应关闸停引。同时，应对干渠两侧堆积的泥沙进行固沙管理，防止随风、雨重复进入干渠，可采取植树造林和培植草皮等方法，减少泥沙起动迁移量。
5.2 合理修整渠道
为了提高渠道的挟沙能力，应采用合理的糙率系数、边坡系数，减小宽深比，把渠道做得相对窄深些，并尽可能增大纵比降，使其符合减淤要求。对于弯曲段较严重的渠道，应加以改造修整顺直，减少主水流左右摆动，对易被主水流顶冲发生塌坡渠段进行护砌硬化加固，有条件的最好对输水干渠进行全断面护砌，保证水流畅顺，加快行水速度[15]。同时，应少建或不建壅水建筑物，对非建不可的应修得高宽一些，不影响过水断面，不发生阻水现象，避免溯源淤积的产生。
5.3 改造支渠
为了减少干渠泥沙含量、增大支渠分水含沙量，应对不合理的支渠口门进行必要的改造，使其闸底板低于干渠渠底，并控制闸门开启高度，以不大于0.6 倍水深为宜，引取下层含沙量较大、泥沙粒径较粗的水流，使其引沙比大于引水比，避免干渠出现不利输沙的水沙组合，产生淤积，把大量泥沙输送到支渠以下或田间。
5.4 加强水沙运行调度，采取大流量引水
灌区引水主要取决于农作物干旱程度和黄河来水量，应根据当地气候、作物种类等，制定合理引水计划，统一管理，集中灌溉，采取大流量引水，急引急停，保证渠内引水量不小于干渠设计流量的60%。当灌区用水紧张、黄河来水量小时，可采用上、中、下游分期供水、轮流灌溉的方法，防止支渠闸开关不一，渠内小水长流。尽可能做到轮灌段的支渠引水量等于干渠总引水量，不使“余”水流到下游，造成下游淤积。建立长效机制，节约用水，加强节水灌溉，提高灌溉水利用系数，减少引用水量，从而减少引沙量，促进灌区高质量发展。
为了减少泥沙危害，针对灌溉实际现状，簸箕李灌区2015 年提出改“以挖待沉”的集中处理方式为分散处理方式。通过加强水沙运行调度，提高水流挟沙能力，把大量泥沙输送到下游的渠系田间，灌区下游无棣县濒临渤海，低洼地、盐碱地较多，输送去的泥沙可以填平洼地，改良土壤。经过近几年的运行调度，效果良好，灌区上游干渠泥沙淤积相对减少，实现了远距离输沙到灌区下游及斗渠田间，达到了分散处理目的。
引黄必引沙，随着引黄灌区累计引水量增多，引进的泥沙已对灌区构成了一定程度的负面影响。为减少沙害，加强了灌区水沙监测，分析研究灌区水沙输移规律。灌区引水引沙受黄河来水来沙情况影响较大，影响条渠内水沙运行的因素也较多：①引水沉沙随季节不同变化较大，簸箕李灌区条渠的输沙率为夏秋灌最大、春灌最小；
②条渠上淤积的泥沙并不完全按固定比例来淤积，单位泥沙量流经条渠时泥沙淤积比为冬灌最大、夏秋灌最少；
③引入条渠内的泥沙量自上而下呈逐步递减趋势，即条渠起到了拦沙作用，并存在一定函数关系；
④在引水周期的起始，泥沙淤积多表现为溯源性淤积，随着淤积量增多，溯源性逐步消失，时常会出现渠底冲刷现象。经分析，簸箕李引黄灌区泥沙淤积主要是由于入渠泥沙偏多偏粗、渠道设计参数取值不合理、流量流速偏小、支渠引水不合理造成的。根据分析研究成果，提出了合理解决对策措施，减少入渠泥沙，合理修整渠道，改造支渠口，加强水沙运行调度，采取大流量引水等，经过近几年运行调度，取得了满意效果。
