引黃灌區泥沙淤積對生態環境的影響及對策分析

李東陽

(河南黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

水資源是人們賴以生存的重要資源，在農業、工業、生活上發揮著重要的作用[1]。黃河是中國第二大河流，流經全國9大省份，該片水域是中國西部地區農業發展的基本保證，它保障了大量人民的基本生活[2]。但是黃河由于存在大量的泥沙，加上黃河上游植被不斷減少，生態環境面臨巨大的問題，這也加劇了黃河水域的淤積情況[3]。較多的泥沙淤積導致水資源無法有效地運送到下游地區，造成下游地區水資源短缺，而上游的淤積又經常導致洪澇災害，這嚴重影響了人們的生產和生活[4]。因此，研究黃河水域工程泥沙淤積治理對于促進供需平衡具有較大的實際價值。

河流泥沙治理在全球都是一個重要的研究課題，盧金友等[5]通過研究長江流域泥沙分布情況與河流保護之間的關系，采用水利水電聯合策略，開發了多尺度、多目標的河道治理方式，促進了長江流域水資源的合理利用；Liu Xiaoning[6]將原位沉積物修復技術應用于研究水質改善(硝酸鈣的修復)對河流沉積物的修復作用，結果發現只有改善水質，才能對沉積物中的間隙硝酸鹽和硫酸鹽濃度產生顯著影響；Yin Hongbin等[7]采用2種改性黏土一起用于管理受污染河流沉積物中的泥沙淤積，并采用間歇通氣作為補救，發現僅靠這2種黏土能始終有效地控制上覆水中所有的淤積泥沙；楊艷等[8]針對黃河流域的泥沙問題，提出了“人文、和諧、水藍、樹美”的河流治理方式，該模式注重在河流治理過程中關注整體的生態問題，從全局的角度進行合理設計和規劃，這對于黃河流域區域居民生活質量的改善具有重要的意義；胡春宏等[9]通過對某一水文站歷年輸沙情況的分析，明確了黃河中下游降雨與輸沙的關系，進一步解析了黃河治理中泥沙變化情況及其對未來泥沙淤泥情況的預測，這使黃河流域輸沙情況可以量化，更有利于分析黃河流域泥沙淤積情況。

由此可以得出，目前對于河流泥沙治理提出了不同的策略，從整體的角度進行分析，對于治理方式也采用了合適的修復技術，但是目前的研究并沒有從貼合中國城市發展的規律方面，提出符合當地實際發展的泥沙治理方式，也并沒有形成完整的分析體系。本文以某黃河地區為研究對象，通過分析當地淤泥現狀和成因，提出了對應的泥沙治理模式，將經濟效益作為最終的考核標準，建立了完整的泥沙淤積治理和效益分析體系。研究對于改善當地環境、治理泥沙淤積具有重要的實際價值，提出的治理方式也從根本上遏制了環境的進一步惡化，保障了該地區經濟的可持續性發展。

1 泥沙淤積成因分析

1.1 河流輸沙情況分析

為了進一步了解該研究區域的河流泥沙淤積情況，分析了孫口水文站的實測數據，其中，圖1(a)為在不同年份的不同月份合計平均流量變化情況，其中3—6月平均流量為773.9 m3/s，7—10月平均流量為1 941 m3/s，11—2月平均流量為679 m3/s，7—10月平均流量相對其他月份流量變化更大。就7—10月而言，隨著時間的推移，不同年代的平均流量在不斷下降，其中20世紀50年代到21世紀平均流量已經從2 858 m3/s下降到438.8 m3/s，同比下降了84.64%。圖1(b)為在不同年份的不同月份合計平均徑流量變化情況，與平均流量的變化趨勢相同，其中20世紀70—80年代，由于大型水利工程的興建，有效改善了黃河中上游的引水條件，同時工業用水量也在不斷提高，導致該水文觀測點的水量發生了明顯的下降；而在90年代由于多次出現干旱年份，導致降雨偏少，該區域引水量和平均徑流量發生了斷崖式的下降。圖1(c)為21世紀在不同降雨概率下的徑流量分析結果，多年平均徑流量在3—6月為64.9億m3，7—10月為142.2億m3，11—2月為61.9億m3。

圖1 不同月份及其全年平均凈流量分析結果

將該地區的輸沙量進行了分析，不同月份及其全年平均輸沙流量分析結果如圖2所示。

圖2 不同月份及其全年平均輸沙流量分析結果

該水文觀測點該研究地區的輸沙量在時間上分布不均勻，多年平均輸沙量為8.66億t，3—6月平均輸沙量為0.95億t，7—11月平均輸沙量為6.97億t，11—2月平均輸沙量為0.74億t。當出現水位上漲的年份，輸沙量同比占比為80.5%，由于近幾年平均輸水量在不斷下降，因此輸沙量也在大幅度下降，其中7—10月份為輸沙的高峰期。對比不同的年份，發現相比20世紀50年代，21世紀的輸沙量從11.91億t降低到了0.35億t，同比下降了97.06%。在含沙量方面，也出現了同樣的趨勢，在7—10月，相比20世紀50年代，21世紀的河流中含沙量降低了80.56%，但是在20世紀90年代相比80年代，河流含沙量卻有所提高，這主要是由于80年代在該研究區域的上游建立了水庫，加大了該地區的引水量，當水量較多時，清水基流就會相對減少，從而提高了河流的含沙量。由此可以看出，研究區域的輸沙量和含沙量正在逐年降低，這會有效地減少泥沙的淤積。由于該地域建設了小型水庫，目前還處于建設狀態，因此可能會對該區域的水量和輸沙情況產生影響。不同的時段保證率下水量的預測結果如圖3所示。在時段保證率為50%時，該區域的水量大約為346.4億m3；而在時段保證率為95%時，該區域的水量大約為83.1億m3，在7—11月最高可以達到52.9億m3。而該水庫的建設的第一階段為攔沙運用階段，大約會攔沙72億t，第二階段相比同年期會發生明顯的下降，預計設計的最后階段可以攔截100億t。這在一定程度上會有效減少該河道的泥沙淤積情況。

圖3 不同的時段保證率下水量的預測結果

1.2 泥沙淤積情況分析

不同時間不同地段引水、引沙和清淤情況如圖4所示。該研究區域可以分為東部區域和西部區域，在引水量方面，2010年以前，2塊區域呈現波動性的變化；2010年以后，西部地區的引水量明顯高于東部地區。但是在輸沙量方面，兩地區均出現了波動的情況，其中在2010年和2015年期間發生了較大的波動。這主要在于該區域水庫的修建，水庫主要偏向西部區域，因此會大面積地降低該區域的輸沙量。從不同區域的清淤量中可以看出：在東部地區和東部的沉沙區，2015年后均出現了明顯的下降趨勢，而東部沉沙區域的沉沙清淤情況得到明顯改善；在西部區域和沉沙區出現了波動性的變化。這就說明了西部區域是將2塊區域同時進行治理，而東部區域是分批治理。

圖4 不同時間不同地段引水、引沙和清淤情況

引沙與沉沙含量對比分析如圖5所示。將所有的年份不同區域的引水、引沙變化情況進行了匯總分析，從圖5(a)和圖5(b)中可以看出，西區的引水和引沙量差異較大，在治理水平上也具有明顯的差異性。選取2017—2020年西部地區數據，分析不同的引水工程對于引沙和含沙量的變化情況。從圖5(c)和圖5(d)中可以看出，引黃濟津工程引沙量和沉沙量從2017年的501萬m3、380萬m3降低至2020年的258萬m3、160萬m3，下降幅度分別為48.50%和57.89%，而引黃灌溉工程引沙量和沉沙量從2017年的401萬m3、148萬m3降低至2020年的365萬m3、116萬m3，下降幅度分別為8.97%和21.62%。這在一定程度上說明了引黃濟津工程相比引黃灌溉工程具有一定的清理淤積的能力。

圖5 引沙與沉沙含量對比分析

不同工程不同區域引水與含沙變化情況如圖6所示，將不同工程不同區域的引水、引沙變化情況進行了匯總分析，從圖6(a)和圖6(b)中可以看出，引黃濟津工程對該地區平均含沙量的影響呈現先升高后降低的趨勢，其中8月份含量影響最為明顯，平均含沙量為19.3 kg/m3，但是在引水方面2個工程的平均引水量分別為8.79億m3、8.24億m3，而平均的引沙量分別為558.47萬m3、476.75萬m3，在一定程度上反映了這2個工程引沙含量基本保持一致性。從圖6(c)和圖6(d)中可以看出，2個工程對于該研究區域東部的沙渠淤積率情況較為樂觀，其中在東部沉沙區淤積率為31.1%，而在西部渠道和沉沙區域淤積率分別為13.2%和34.2%。在此基礎上給出了2022年的預測結果，2個工程的實施使該地區的引水量、引沙量在不斷下降，而在沉淀區域的年淤積量卻基本保持一致。這在一定程度上說明了引黃濟津工程和引黃灌溉工程對下游的泥沙淤積治理產生了一定的效果。

圖6 不同工程不同區域引水與含沙變化情況

2 研究區域與方法

2.1 研究地區生態現狀

主要選取了位山灌區作為主要的研究區域，該區域的水域和地理分布如圖7所示。該水渠設計引水流量為240 m3/s，設計灌溉面積36×108m2，控制聊城8個縣(市區)90個鄉(鎮)的全部或大部分耕地，是黃河下游最大的引黃灌區。該區域承接著主要的黃河治理任務，其中孫口水文觀測站位為主要的水域分析觀測站。該區域是黃河引水工程的關鍵節點，因此選取該區域進行研究，這對于后續引黃灌區水利的分析具有重要的參考意義。

圖7 研究區域結構

2.2 水利泥沙治理模式

根據上述研究，發現現有的研究區域由于缺少國家投資，而地方的財力較弱，因此對于東部地區的研究區域采用了分批次的方式，而西部為整體協調推進。但是在治理效果上，西部治理效果明顯較優，而且國家開發的2個河道治理工程，其中引黃濟津工程和引黃灌溉工程雖然在投入和治理能力上基本持平，但是在治理效果中存在明顯的差異性，主要體現在沉沙區治理效果較弱，堆沙高地的治理還耕速度較慢。針對以上問題，提出了引黃工程泥沙淤積治理方式，主要為高地治理模式[10]、沉積沙地擴容[11]、西輸沙渠改造和東西沉沙連接[12]等，分為近期、中期和后期3個階段，治理方式如圖8所示。

圖8 水利泥沙治理模式結示意

2.3 治理經濟效益分析

評價依據：主要參考水利建設項目的經濟評價規范和建設經濟評價方法(第三版)，本文主要根據項目實時的經濟進行計算，其中內部的經濟效益分析主要公式如下：

(1)

式中，EIRR為內部經濟收益率；n為計算周期；t為不同年份；(B-C)t為每年凈收益；Kt為第t年的投資情況。經濟凈現值計算如下：

(2)

式中，ENPV為經濟凈現值；i為社會折現率。

3 治理效益分析

3.1 經濟效益

經濟指標效益分析結果如圖9所示。

圖9 經濟指標效益分析結果

分析并預測了不同年份的主要經濟指標，其中在增量效益上，隨著時間的推移，該指標在不斷提高，對于農業的增益每年保持在一定的水平上；在生態補償上出現了較大范圍的提高，對于減少清淤的費用指標在不斷降低。這就說明了本文提出的治理方式可以有效改善生態環境，且能夠在一定程度上節約成本，增加農業的收入。

3.2 社會效益

不同年份固定資產量如圖10所示。通過本文提出的治理方式，在一定程度上防治了土地的沙化，環境惡化的趨勢也有了一定程度的減弱；村莊的治理方面也有了明顯的改善，通過實地走訪，該治理模式的實施使得村莊內的風沙明顯減少，且將水利淤沙圍繞在一定的區域中，形成了完整的防護體系。通過對以前影響較為嚴重的河流區域進行實地調研，發現這些區域的河道沙發生了明顯的減少，對于當地的人民生活帶來了較大的便利性。在固定資產量方面，隨著時間的推移，治理的資產花費在不斷提高，并最終保持在一定水平。

圖10 不同年份固定資產量

3.3 生態效果

生態效果分析結果如圖11所示。

圖11 生態效果分析結果

隨機挑選了3個村莊的6個區域進行了生態效果分析，通過提出的治理方式，在一定程度上改善了該地區的生產生活水平。其中沉沙區的耕地面積不斷增加，使這里的人均耕地面積從治理前的平均733 m2增加到了現在的1 067 m2，增幅超過了45%，而治理區域的糧食產量也發生了較大范圍的增產情況，該地區的淤泥治理水平得到了提高。

4 結論

本文主要根據目前的引水工程，分析了黃河流域某區域的河道泥沙淤積情況，分析了內在的成因，雖然該地域的水量在下降，一定程度上緩解了河道泥沙的淤積，但是最主要還是建立了合適的治理方式。這種治理方式對不同的區域治理存在一定的差異性，對此進行了優化設計，并提出了引黃工程泥沙淤積治理方式。對這種治理方式的綜合效益的分析，也證實了治理方式的有效性。本文提出了一整套的河道泥沙治理與分析體系，這對于相關的研究具有一定的參考價值，但是文中仍存在諸多不足，后續可以通過大數據分析和傳感器的方式，來實現對河道淤泥的實時分析，這種方式在一定程度上會深刻影響現有的治理模式。