黄河下游引黄灌溉中的泥沙处理利用
简介： 黄河下游引黄灌溉中的泥沙主要采取放淤改土、改造低洼盐碱沙荒地，对黄河下游两岸发展工农业生产、改善生态环境，起到了重要作用。本文主要从分析计算含沙量沿垂线分布特点，探讨渠首防沙的作用，分析灌区泥沙淤积分布特性与泥沙处理利用的关系，分析计算引水引沙对黄河下游河道冲淤影响及入渠泥沙的处理利用等问题。
关键字：灌溉 引水引沙 渠首 沉沙池
基金项目：国家自然科学基金和水利部联合资助重大项目（59890200）
作者简介：程秀文（1935-），女，黄科院教授级高工。
1 前言
黄河下游引黄灌溉自1952年人民胜利渠开始灌溉以来，经历了试办、大办、停灌、复灌和稳定持续发展的曲折过程。据1990年统计[1]，黄河下游共有引黄渠首工程128处，万亩以上灌区156处。实灌面积由50年代30万hm2左右，发展到186万hm2，灌溉用水量112亿m3，引沙量1.2亿t，分别占黄河下游来水、来沙量的32.9%和18.2%.
黄河下游两岸地势平坦，渠道坡降平缓，这些泥沙进入灌区，如果处理不好，必将引起渠道淤积，甚致引起次生盐碱。几十年来，黄河下游的引黄泥沙主要采取大规模沉沙放淤，改良低洼沙碱地，减少渠系泥沙，这样既防止或减轻渠道泥沙淤积，又可改善生态环境，为发展下游引黄灌溉积累了丰富经验。由于几十年的灌溉沉沙，还能利用沉沙的低洼地、盐碱沙荒地不多了，“以挖待沉”的方法既需很高的经费，还有挖出泥沙如何放置的问题，给黄河下游引黄泥沙处理带来新的问题。
2 黄河下游来水来沙和灌溉引水引沙概况
2.1 黄河下游来水来沙变化概况
黄河流域经过长期持续的治理和开发，使下游来水来沙量发生很大的变化，直接影响到灌溉的引水引沙量。我们统计了花园口和利津站1952～1996年实测水沙量，前者反映了来水来沙条件的变化，后者还粗略地反映了下游灌溉引水的情况。花园口站多年平均水量为416.5亿m3，其中汛期240亿m3，占年水量的57.6%；多年平均沙量为11.1亿t，汛期9.33亿t，占年沙量84%，平均含沙量为26.6kg/m3.可见泥沙主要集中在汛期，汛期含沙量达38.9kg/m3.45年的水沙过程，都呈减少的趋势。三门峡水库1974年以后，蓄清排浑运用，非汛期蓄水拦沙，下游来水量明显减少，而下游灌溉主要在非汛期，对灌溉引沙是有可能减少的。利津站1951～1996年平均水量为352亿m3，较花园口站减少了64.5亿m3，大部分是工农业引水和生活用水。这部分减少的水量是逐年增加的，50年代和60年代变化不大，70年代和80年代该站水量只有287.5亿m3和298.5亿m3，比花园口站分别减少 81.9亿m3和128.1亿m3，下游工农业用水大幅度增加，80年代的引水量超过100亿m3，90年代花园口站的来水量只有246.8亿m3，下游引水量仍超过100亿m3，到利津站仅145.3亿m3.
2.2 黄河下游灌溉引水引沙情况（表1）[2]
50年代和60年代年平均引水量分别为21.3亿m3和33.4亿m3，分别占黄河下游年平均来水量的4.7%和6.4%；引沙量分别为0.55亿t和0.53亿t，入渠含沙量分别为河道含沙量的75%和67%.70年代和80年代平均引水量分别为84.8亿m3和113亿m3，为50年代的4～5倍，引沙量分别为1.66亿t和1.31亿t，分别为50年代的3倍和2.4倍。
表1 黄河下游花园口～利津灌溉引水引沙情况 | |||||
| 时 期 | 耗水量（108m3） | 分水比 | 引沙量（108t） | 引水含沙量（kg/m3） | 分沙比 |
| 1950～1959 | 21.3 | 0.047 | 0.55 | 25.8 | 0.75 |
| 1960～1969 | 33.4 | 0.064 | 0.53 | 15.9 | 0.67 |
| 1970～1979 | 84.8 | 0.23 | 1.66 | 19.6 | 0.49 |
| 1980～1989 | 113.0 | 0.27 | 1.31 | 11.6 | 0.62 |
| 1950～1990 | 64.3 | 1.02 | 15.9 | ||
3 渠首防沙
黄河下游灌溉引水均为无坝引水，引水建筑物有涵闸、虹吸和抽水泵站三种，渠道进沙情况基本上可以分为三类：第一类位于河南境内游荡性河道黄河南岸的渠首，如花园口和黑岗口淤灌渠，渠首布置在险工上，引水渠较短，受坝垛挑流影响，入渠含沙量一般比黄河含沙量大10～20%；第二类位于河南境内黄河北岸的渠首，如人民胜利渠和红旗渠，引水口位于老滩边，引水渠长，入渠含沙量较黄河含沙量小，一般偏小10%左右；第三类是布置在山东境内的弯曲河道凹岸的渠首，如位山、打渔张渠，防沙作用较好，入渠含沙量为黄河含沙量的88%.采用武汉水利电力大学提出的含沙量在二维均匀流中的沿垂线分布公式[3]，计算花园口和利津站的悬移质不同粒径的含沙量垂线分布。该公式为
S=S*β（1+β）/（β+ξ）2
（1）
式中参数β=0.2z-1.15-0.11，z为悬浮指标。计算结果从表2可知，泥沙粒径小于0.03mm的含沙量沿垂线分布比较均匀，水面的含沙量比断面挟沙力偏小不到10%，而这部分泥沙占下游来沙量的64%；泥沙粒径大于0.04mm的含沙量沿垂线分布随着泥沙粒径增粗，不均匀系数增加，如粒径为0.06mm时，水面含沙量比断面挟沙力偏小达30%，这部分泥沙占黄河下游来沙量的16%，即使按上述理想条件来防沙，对总沙量说，渠首防沙的作用不大。
4 灌区泥沙分布特点
由于灌区地形平坦，渠系比降平缓，大量泥沙进入灌区，必将引起渠道淤积。为防止或减轻渠道淤积，几十年来在实践中积累了丰富的经验，尽量把泥沙送到田间，有的灌区能把70%以上入渠泥沙送到田间，但大部分灌区送到田间的泥沙不多[1].河南境内渠道比降大，送到田间泥沙可达43.3%，而山东渠道比降小，送到田间泥沙只有8.8%；进入排水系统的泥沙分别为11.5%和6.5%，除此之外，大部分泥沙必须进行处理，否则就将淤积在渠道内，影响灌区的正常运用。由于黄河下游是地上悬河，两岸堤背存在着大量低洼的盐碱沼泽地，以及历史上黄河决口形成的潭坑，将这些地方作为沉沙池进行沉沙，减少入渠含沙量，同时还可以改良土壤，据不完全统计，40年来黄河下游两岸利用引黄泥沙放淤改土，改造低洼盐碱沙荒地约20万hm2.但是，由于长期沉沙，可以放淤沉沙土地不多了，从而增加了处理利用泥沙的困难。
表2 花园口、利津站不同粒径含沙量沿垂线分布计算成果 | ||||||||
| D | S* | S/S* | ||||||
| 站名 | ||||||||
| （mm） | （kg/m3） | ξ＝1.0 | 0.8 | 0.6 | 0.4 | 0.2 | 0.0 | |
| 0.02 | 26.65 | 0.973 | 0.983 | 0.994 | 1.005 | 1.017 | 1.028 | |
| 花 | 0.025 | 0.955 | 0.973 | 0.990 | 1.009 | 1.028 | 1.047 | |
| 园 | 0.03 | 0.933 | 0.959 | 0.985 | 1.013 | 1.042 | 1.072 | |
| 口 | 0.04 | 0.877 | 0.922 | 0.970 | 1.022 | 1.079 | 1.140 | |
| 0.06 | 0.733 | 0.818 | 0.919 | 1.039 | 1.185 | 1.364 | ||
| 0.015 | 25.48 | 0.982 | 0.989 | 0.996 | 1.004 | 1.011 | 1.019 | |
| 0.02 | 0.965 | 0.979 | 0.993 | 1.007 | 1.021 | 1.036 | ||
| 利 | 0.025 | 0.943 | 0.965 | 0.987 | 1.011 | 1.035 | 1.061 | |
| 0.03 | 0.915 | 0.947 | 0.981 | 1.016 | 1.053 | 1.093 | ||
| 津 | 0.04 | 0.846 | 0.901 | 0.961 | 1.027 | 1.101 | 1.182 | |
| 0.06 | 0.678 | 0.774 | 0.893 | 1.042 | 1.230 | 1.476 | ||
上述分析表明：下游引黄灌溉的泥沙主要沉在堤背的低洼地，从而增加堤背地面高程，减少临背高差，表3是山东河段临背高差的变化情况[4].解放前临背高差普遍增加，平均每年升高0.067m，1951～1983年除东明上界至渠山十里铺平均每年升高0.032m外，其余堤段都不同程度的减少，平均每年减少0.003～0.012m.河南河段堤根滩地大部分为高滩，很少上水，背河地面也曾有灌溉放淤，使地面升高，郑州河段内临背高差由1933年的3.69m，减少到0.85m，这是十分重要的现象，有人用黄河的临背高差来预测现行河道的寿命，如果能有计划地处理灌区泥沙，改良盐碱沙荒地，改善生态环境，发展生产，同时可以加固堤防，控制临背高差的发展，延长现行河道的年限。
图1 引水引沙示意图
Sketch of diversion water and sediment
图2 引水引沙对河道冲淤影响关系图
Relationship curves showing the impact of withdrawing water and sedimenton channel deposition and erosion
表3 山东境内历年临背高差的变化 | |||
| 堤 段 | 1933年 | 1951年 | 1983年 |
| 东明上界至渠山十里铺（南岸） | 1.28 | 1.35 | 2.39 |
| 济南上界至上街子（南岸） | 2.81 | 2.64 | |
| 陶城埠至鹊山（北岸） | 2.65 | 2.54 | |
| 鹊山至利津（北岸） | 1.44 | 2.95 | 2.54 |
5 引黄灌溉对下游河道冲淤影响
这是引黄灌溉中又一个重要问题，自古有“分流必淤”之说，但佟二勋提出了不同看法[5].我们从黄河下游常用的输沙能力公式出发，假定河道水流为恒定均匀流，灌溉引水引沙不变，分流后河床自动调整，河道很快恢复平衡，推导出灌溉引水对下游河道冲淤影响的经验关系式（图1）。
5.1 河段灌溉引水引沙对本河段河道的冲淤影响
其关系为
（ΔW′s1-2-ΔWs1-2）/Ws1=Ps21[（1-aq/Ps21）-（1-q）α2]
（2）
根据（2）式计算了不同分流分沙比时对河道增加淤积的情况（图2）。图中纵坐标为增淤百分数，等于（ΔW′s1-2-ΔWs1-2）/Ws1.由图可以看出：河段内引水对河道冲淤影响与原河道冲淤（Ps21）、分流比（q）、分沙比（a）和流量指数（α）有关，并得到以下几点认识：
（1）Ps21<1时原河道为淤积，Ps21>1时为冲刷。其他条件相同时，原河道淤积时引水对河道增淤作用较冲刷时小。α2=2时，a/Ps21≥2的情况下，引水不仅不增加河道淤积，反而减少淤积。所以分流不一定都会增加河道淤积。
（2）分沙比对河道冲淤影响是直线关系，分沙比越大，对河道冲淤影响越小，而分流比是呈抛物线关系，即分流对河道有增淤影响，在其条件一定情况下，随着分流比的变化，引水对河道增淤影响有一个最大值，超过相应此值的分流比以后，对河道增淤影响的作用就越低。
（3）实际上，当分流比很大时，分沙比是变化的，这种情况下引水对河道可能减少淤积，但由于河道流量减少，过水面积减小，泥沙淤在河槽内，使河道萎缩，这种影响更为严重。
5.2 上段河道灌溉引水对下游河道冲淤的影响
关系式为
（ΔW′s2-3-ΔWs2-3）/Ws2=（1-q）α2[1-Ps32（1-q）α3-α2]-（1-Ps32）
（3）
由（3）式可以看出：上河段灌溉引水对下河段的冲淤影响主要与河段原来的冲淤状况（Ps32）、上河段的分流比（q）及流量指数α2，α3有关。采用公式（2）和（3）计算1980～1984年实测黄河下游引水引沙对下游河道冲淤影响。这有两种情况：一是三门峡、黑石关和小董以上灌溉用水引起的影响，该时期灌溉年用水量162.7亿m3，引沙0.54亿t，使下游河道增淤0.2亿t；二是三门峡、黑石关和小董以下同时引水量106亿m3，引沙量1.02亿t，使下游河道增淤0.38亿t.引黄灌溉对下游河道冲淤影响，还曾用水动力学泥沙数学模型计算1974年7月至1992年6月的水沙系列，计算结果是下游河道平均增淤0.2亿t.这样，黄河流域灌溉用水268.8亿m3，使下游河道每年增淤约0.5亿t左右，影响还是比较大的。
6 几点认识
1.黄河下游河道是严重淤积的 “地上悬河”，两岸引水灌溉具有足够的水位，不需要修建枢纽抬高水位引水，也不允许修建枢纽拦沙，把泥沙放在河道里，故目前均为无坝引水；下游来沙主要是颗粒较细的悬移质，沿水深分布较均匀，若采用人工环流或表层取水来减少入渠泥沙会有一定作用，同时，近20～30年来黄河下游来沙量明显减少，入渠沙量也有所减少，但年均入渠沙量有1.0亿多t.说明黄河下游在目前情况下，灌溉引水必引沙，灌区要充分加以利用，变害为利。
2.黄河下游灌区处理泥沙希望把泥沙送到田间，既可以防止渠道泥沙的淤积，又可以肥田发展生产，但由于黄河两岸地势平坦，目前除少数灌区可以把大部分沉沙送到田间外，大部分灌区无法送到田间，几十年来的经验表明，利用两岸低洼、盐碱、沙荒地修建沉沙池是处理泥沙、解决渠系泥沙淤积的有效途径，同时还可改良土壤，改善生态环境。据不完全统计，到1990年已经改良土地达20万hm2.必须指出，由于长期灌溉沉沙，原来的盐碱洼地已经不多了，采用“以挖待沉”的方法处理泥沙，不仅费用高，并且从沉沙池清理出来的泥沙，堆积占压农田，如不及时处理，可能给周围环境带来沙化问题，给灌区泥沙处理带来新的问题。
3.人民治黄以来，通过引黄灌溉发展两岸生产，同时淤高地面，据1983年以前实测资料分析表明，黄河下游大部分堤段的临背高差维持不变或略有减小。可以认为，在两岸一定宽度内有计划淤高地面，造成“相对地下河”是有可能的。当然对这类问题的研究，不仅是技术问题，还有政策导向、 管理运用等问题。
4.黄河下游引黄灌溉，有发展工农业生产和改善环境的综合效益，也有加重河道淤积的影响，特别是水量的减少，以致发生断流的严重现象，对河道萎缩的影响是严重的，这是一项复杂的系统工程，有必要进行研究，供宏观决策参考。
参 考 文 献
[1] 张永昌，杨文海等。黄河下游引黄灌溉供水与泥沙处理。黄河水利出版社，1998.
[2] 赵文林。黄河泥沙。黄河水利出版社，1996.
[3] 张瑞瑾，谢鉴衡等。河流泥沙动力学，水利电力出版社，1988.
[4] 钱意颖，程秀文等。黄河流域灌溉用水与河流环境问题。‘95全国水力学与水工水力学学术讨论会论文集。
[5] 佟二勋。黄河下游引黄供水泥沙问题。中美黄河下游防洪措施学术讨论会论文集，中国环境科学出版社，1989.
黄委会水利科学研究院·程秀文，尚红霞，陈发中，钱意颖
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