1、黃河下游引黃灌溉中-泥沙處理利用            摘要：黃河下游引黃灌溉中的泥沙主要采取放淤改土、改造低洼鹽堿沙荒地，對黃河下游兩岸發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、改善生態(tài)環(huán)境，起到了重要作用。本文主要從分析計(jì)算含沙量沿垂線分布特點(diǎn)，探討渠首防沙的作用，分析灌區(qū)泥沙淤積分布特性與泥沙處理利用的關(guān)系，分析計(jì)算引水引沙對黃河下游河道沖淤影響及入渠泥沙的處理利用等問題。 關(guān)鍵詞：灌溉 引水引沙 渠首 沉沙池  1 前言黃河下游引黃灌溉自1952年人民勝利渠開始灌溉以來，經(jīng)歷了試辦、

2、大辦、停灌、復(fù)灌和穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展的曲折過程。據(jù)1990年統(tǒng)計(jì)，黃河下游共有引黃渠首工程128處，萬畝以上灌區(qū)156處。實(shí)灌面積由50年代30萬hm2左右，發(fā)展到186萬hm2，灌溉用水量112億m3，引沙量1.2億t，分別占黃河下游來水、來沙量的32.9%和18.2%。黃河下游兩岸地勢平坦，渠道坡降平緩，這些泥沙進(jìn)入灌區(qū)，如果處理不好，必將引起渠道淤積，甚致引起次生鹽堿。幾十年來，黃河下游的引黃泥沙主要采取大規(guī)模沉沙放淤，改良低洼沙堿地，減少渠系泥沙，這樣既防止或減輕渠道泥沙淤積，又可改善生態(tài)環(huán)境，為發(fā)展下游引黃灌溉積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。由于幾十年的灌溉沉沙，還能利用沉沙的低洼地、鹽堿沙荒地不多了，“

3、以挖待沉”的方法既需很高的經(jīng)費(fèi)，還有挖出泥沙如何放置的問題，給黃河下游引黃泥沙處理帶來新的問題。2 黃河下游來水來沙和灌溉引水引沙概況2.1 黃河下游來水來沙變化概況3,其中汛期240億m333。45年的水沙過程，都呈減少的趨勢。三門峽水庫1974年以后，蓄清排渾運(yùn)用，非汛期蓄水?dāng)r沙，下游來水量明顯減少，而下游灌溉主要在非汛期，對灌溉引沙是有可能減少的。利津站19511996年平均水量為352億m333333，下游工農(nóng)業(yè)用水大幅度增加，80年代的引水量超過100億m33，下游引水量仍超過100億m33。2.2 黃河下游灌溉引水引沙情況(表1)33，分別占黃河下游年平均來水量的4.7%和6.4%

4、；引沙量分別為0.55億t和0.53億t，入渠含沙量分別為河道含沙量的75%和67%。70    2007-04-23    3和113億m3，為50年代的45倍，引沙量分別為1.66億t和1.31億t，分別為50年代的3倍和2.4倍。表1 黃河下游花園口利津灌溉引水引沙情況Situation of water and sediment diversion from the Lower Yellow River for irrigation at HuayuankouLijin Reaches時(shí) 期耗水量(108m

5、3)分水比引沙量(108t)引水含沙量(kg/m3)分沙比1950195919601969197019791980198919501990  3 渠首防沙黃河下游灌溉引水均為無壩引水，引水建筑物有涵閘、虹吸和抽水泵站三種，渠道進(jìn)沙情況基本上可以分為三類：第一類位于河南境內(nèi)游蕩性河道黃河南岸的渠首，如花園口和黑崗口淤灌渠，渠首布置在險(xiǎn)工上，引水渠較短，受壩垛挑流影響，入渠含沙量一般比黃河含沙量大1020%；第二類位于河南境內(nèi)黃河北岸的渠首，如人民勝利渠和紅旗渠，引水口位于老灘邊，引水渠長，入渠含沙量較黃河含沙量小，一般偏小10%左右；第三類是布置在山東境內(nèi)的彎曲河道凹岸的渠首

6、，如位山、打漁張渠，防沙作用較好，入渠含沙量為黃河含沙量的88%。采用武漢水利電力大學(xué)提出的含沙量在二維均勻流中的沿垂線分布公式    2007-04-23        3，計(jì)算花園口和利津站的懸移質(zhì)不同粒徑的含沙量垂線分布。該公式為S=S*(1+)/(+)2 (1)-0.11,z為懸浮指標(biāo)。計(jì)算結(jié)果從表2可知，泥沙粒徑小于0.03mm的含沙量沿垂線分布比較均勻，水面的含沙量比斷面挾沙力偏小不到10%，而這部分泥沙占下游來沙量的64%；泥沙粒徑大于0.04mm的含沙量沿垂線

7、分布隨著泥沙粒徑增粗，不均勻系數(shù)增加，如粒徑為0.06mm時(shí)，水面含沙量比斷面挾沙力偏小達(dá)30%，這部分泥沙占黃河下游來沙量的16%，即使按上述理想條件來防沙，對總沙量說，渠首防沙的作用不大。4 灌區(qū)泥沙分布特點(diǎn)由于灌區(qū)地形平坦，渠系比降平緩，大量泥沙進(jìn)入灌區(qū)，必將引起渠道淤積。為防止或減輕渠道淤積，幾十年來在實(shí)踐中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，盡量把泥沙送到田間，有的灌區(qū)能把70%以上入渠泥沙送到田間，但大部分灌區(qū)送到田間的泥沙不多1。河南境內(nèi)渠道比降大，送到田間泥沙可達(dá)43.3%，而山東渠道比降小，送到田間泥沙只有8.8%；進(jìn)入排水系統(tǒng)的泥沙分別為11.5%和6.5%，除此之外，大部分泥沙必須進(jìn)行處理

8、，否則就將淤積在渠道內(nèi)，影響灌區(qū)的正常運(yùn)用。由于黃河下游是地上懸河，兩岸堤背存在著大量低洼的鹽堿沼澤地，以及歷史上黃河決口形成的潭坑，將這些地方作為沉沙池進(jìn)行沉沙，減少入渠含沙量，同時(shí)還可以改良土壤，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，40年來黃河下游兩岸利用引黃泥沙放淤改土，改造低洼鹽堿沙荒地約20萬hm2。但是，由于長期沉沙，可以放淤沉沙土地不多了，從而增加了處理利用泥沙的困難。表2 花園口、利津站不同粒徑含沙量沿垂線分布計(jì)算成果Computing result of vertical distribution of sediment concentration for different sizes at H

9、uayuankou and Lijin gauging stations DS*S/S* 站名   (mm)(kg/m3) 花0.025    2007-04-23         園 口      利   1.016    2007-04-23   

10、;     津   上述分析表明：下游引黃灌溉的泥沙主要沉在堤背的低洼地，從而增加堤背地面高程，減少臨背高差，表3是山東河段臨背高差的變化情況4。解放前臨背高差普遍增加，平均每年升高0.067m,19511983年除東明上界至渠山十里鋪平均每年升高0.032m外，其余堤段都不同程度的減少，平均每年減少0.0030.012m。河南河段堤根灘地大部分為高灘，很少上水，背河地面也曾有灌溉放淤，使地面升高，鄭州河段內(nèi)臨背高差由1933年的3.69m，減少到0.85m，這是十分重要的現(xiàn)象，有人用黃河的臨背高差來預(yù)測現(xiàn)行河道的

11、壽命，如果能有計(jì)劃地處理灌區(qū)泥沙，改良鹽堿沙荒地，改善生態(tài)環(huán)境，發(fā)展生產(chǎn)，同時(shí)可以加固堤防，控制臨背高差的發(fā)展，延長現(xiàn)行河道的年限。圖1 引水引沙示意圖圖2 引水引沙對河道沖淤影響關(guān)系圖Sketch of diversion water and sedimentRelationship curves showing the impact of withdrawing water and sedimenton channel deposition and erosion表3 山東境內(nèi)歷年臨背高差的變化Variations of elevation difference of the ground

12、 surface bet ween innerand outer sides of levees in Shandong Province 單位：m堤 段1933年1951年1983年東明上界至渠山十里鋪(南岸)濟(jì)南上界至上街子(南岸) 2.81    2007-04-23        陶城埠至鵲山(北岸) 鵲山至利津(北岸)    5 引黃灌溉對下游河道沖淤影響這是引黃灌溉中又一個(gè)重要問題，自古有“分流必淤”之說

13、，但佟二勛提出了不同看法5。我們從黃河下游常用的輸沙能力公式出發(fā)，假定河道水流為恒定均勻流，灌溉引水引沙不變，分流后河床自動(dòng)調(diào)整，河道很快恢復(fù)平衡，推導(dǎo)出灌溉引水對下游河道沖淤影響的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式(圖1)。5.1 河段灌溉引水引沙對本河段河道的沖淤影響其關(guān)系為(Ws1-2-Ws1-2)/Ws1=Ps21(1-aq/Ps21)-(1-q)2(2)根據(jù)(2)式計(jì)算了不同分流分沙比時(shí)對河道增加淤積的情況(圖2)。圖中縱坐標(biāo)為增淤百分?jǐn)?shù)，等于(Ws1-2-Ws1-2)/Ws1。由圖可以看出：河段內(nèi)引水對河道沖淤影響與原河道沖淤(Ps21)、分流比(q)、分沙比(a)和流量指數(shù)()有關(guān)，并得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

14、(1)Ps21<1時(shí)原河道為淤積，Ps21>1時(shí)為沖刷。其他條件相同時(shí)，原河道淤積時(shí)引水對河道增淤作用較沖刷時(shí)小。2=2時(shí)，a/Ps212的情況下，引水不僅不增加河道淤積，反而減少淤積。所以分流不一定都會增加河道淤積。(2)分沙比對河道沖淤影響是直線關(guān)系，分沙比越大，對河道沖淤影響越小，而分流比是呈拋物線關(guān)系，即分流對河道有增淤影響，在其條件一定情況下，隨著分流比的變化，引水對河道增淤影響有一個(gè)最大值，超過相應(yīng)此值的分流比以后，對河道增淤影響的作用就越低。(3)實(shí)際上，當(dāng)分流比很大時(shí)，分沙比是變化的，這種情況下引水對河道可能減少淤積，但由于河道流量減少，過水面積減小，泥沙淤在河槽內(nèi)，使河道萎縮，這種影響更為嚴(yán)重。5.2 上段河道灌溉引水對下游河道沖