濱州市小開河引黃灌區引水能力降低原因及對策探討

丁殿濱，龐啟航，邱 晨

（濱州市引黃灌溉管理服務中心，山東 濱州 256600）

1 引言

自2002 年開始，黃河調水調沙已進行20 次，有28.8 億t 黃河泥沙排入大海。特別是黃委2020 年防御大洪水實戰演練，自6月24日開始，至7月10日結束，歷時17 d，黃河最大下泄流量5 500 m3∕s，下游主河槽最小過水能力提高到5 000 m3∕s以上，極大拓展了黃河下游防洪空間，提高了黃河防汛安全水平。但是，隨著黃河調水調沙的不斷進行，黃河下游河床不斷刷深，截止目前，主河槽最大刷深已達2 m 以上[1]，給沿黃灌區引水帶來極大困難，引水困難已成為制約當地經濟發展的瓶頸。本文以山東省濱州市小開河引黃灌區為例，詳細分析黃河調水調沙后小開河引黃閘前黃河主河槽刷深導致灌區引水能力降低現狀，并根據灌區近年來含沙量和泥沙粒徑實測資料，運用挾沙能力公式計算進行了驗證。同時，根據4種方案比較，提出了有針對性的建議。

2 小開河引黃灌區引水能力現狀

2.1 小開河引黃灌區基本情況

濱州市小開河引黃灌區位于山東省北部、黃河下游左岸，縱貫濱州市中部，是國家大（2）型引黃灌區。引黃閘位于黃河大壩樁號253+690 處，設計流量60 m3∕s，設計底板高程12.63 m，設計引水位14.83 m。灌區設計灌溉面積7.3 hm2，灌渠全長94.2 km，分為輸沙渠51.3 km、沉沙池4.2 km、輸水渠38.7 km，于1998 年建成通水，至2010 年輸沙渠基本維持沖淤平衡。但近幾年來，隨著黃河進行調水調沙，黃河主河槽下切，造成灌區引水能力持續降低；同時，黃河來水來沙條件發生變化，極易造成灌區淤積，致使灌區供水保證率大幅下降，嚴重影響灌區正常效益的發揮。

2.2 小開河引黃灌區引水達不到設計流量

2.2.1 受黃河水小限制，達不到設計流量

從近5 a 引水情況看，每年用水高峰在2—4 月春灌期間，由小開河灌區2016—2020年1—4月引水情況統計表1 可以看出，在1、2 月期間，由于黃河來水較少，小開河引黃閘前水位遠不能達到設計水位，此期間即使黃河部門不對引水指標控制，引水流量也很少。如，2016 年1、2 月最大引水流量僅為8.41 m3∕s，為設計引水流量14%，根本無法滿足灌區用水需求。

表1 小開河灌區2016—2020年1—4月引水情況統計

2.2.2 受引水指標限制，達不到設計流量的原因

近5 a，到了3、4 月，由于黃河管理部門采取調控措施，控制引水指標，閘前水位在逐漸接近設計水位的情況下，灌區困于引水指標受限，依然無法達到設計流量運行。如，2018 年黃河來水較好，小浪底水庫按800 m3∕s下泄，灌區平均引水流量19.52 m3∕s，僅為設計引水流量的32.5%。

由此，灌區在每年的春灌期間陷入“前期引不出，后期不讓引”的困境。

2.3 干渠淤積嚴重

小開河引黃灌區渠首附近地勢較高，為一狹長地帶，東西平均寬僅3.5 km，且村莊密集，無沉沙條件。為此，輸沙干渠設計采用大比降、遠距離輸沙模式，沉沙池設在距渠首51.3 km 的灌區中下游，干渠具有防沖刷、防淤積等功能。從1998年通水至2010年灌區運行看，干渠基本沖淤平衡，從2011 年開始干渠出現淤積，特別是上游8.5 km淤積特別嚴重，每年至少1 次清淤。2015 年進行了3 次清淤，分別在6、7、11 月。2020 年進行了4 次清淤。2018、2020 年清淤量均超過30 萬m3，嚴重影響了灌區引水能力，詳見表2。

表2 小開河灌區2015—2020年干渠清淤統計

3 引水能力降低的主要原因

從2002 年7 月開始黃河進行調水調沙，至今已經20 次，調水調沙使黃河下游主河槽全線沖刷，河道過流能力明顯提高，保證了黃河安瀾。但是，調水調沙使得黃河主河槽下切，同等流量下，水位下降，灌區引水能力下降，黃河小流量（小于200 m3∕s）的情況下，灌區面臨無水可引的境況；下游河道床沙粗化明顯，D50（泥沙中值粒徑）已較過去增大1 倍以上[2]，挾沙能力明顯降低，干渠極易淤積。

3.1 根據齊馮和蘭家大斷面推測小開河閘前河槽下切情況

齊馮大斷面位于小開河引黃閘上游4 km 處，2008、2018年主河槽平均河底高程比2002年分別降低0.83、1.7 m，主河槽下深泓點分別降低0.92、1.84 m。蘭家大斷面位于小開河引黃閘下游2 km 處，2008、2018 年主河槽平均河底高程比2002 年分別降低1.03、2.06 m，主河槽下深泓點分別降低0.77、0.82 m，利用內插法推算小開河引黃閘前黃河2008、2018 年主河槽平均河底高程比2002年分別降低0.96、1.94 m，主河槽下深泓點分別降低0.82、1.16 m[3]。

由于小開河引黃閘前沒有大河流量和水位觀測資料，選取距離最近的濼口、利津兩水文站的數據作為參考，內插得到小開河引黃閘前流量和水位。相較2000年，2017年引黃涵閘設計引黃流量對應的濼口水位下降了1.86 m，利津水位下降了1.57 m，小開河引黃閘前水位下降了1.67 m。

3.2 引水含沙量分析

根據2016—2020年小開河灌區渠首含沙量變化圖1可以看出，小開河引黃閘渠首含沙量呈逐年增大趨勢，除每年6、7月，大部分時間維持在10 kg∕m3以下。含沙量最小出現在2016年3月3日，為0.211 kg∕m3，此時濼口流量188 m3∕s、利津流量111 m3∕s、小開河閘前黃河推算流量139.4 m3∕s、小開河引黃閘實際引水量5.83 m3∕s。含沙量最大出現在2020年9月7日，為38.04 kg∕m3，此時濼口流量3 720 m3∕s、利津流量3 610 m3∕s、小開河閘前黃河推算流量3 650.5 m3∕s、小開河引黃閘實際引水量35.15 m3∕s。含沙量大小隨黃河流量變化而變化，一般情況下，含沙量隨黃河流量增大而增大，在每年6、7 月（調水調沙期間）更加明顯。也有研究表明，小開河引黃閘后渠首含沙量與黃河主流含沙量的比值（也稱引沙比）在100%～300% 的頻率最高，占69.2%，由此看出近年來小開河引黃閘引水含沙量過高[4]。

圖1 2016—2020年小開河灌區渠首含沙量變化

3.3 泥沙顆粒分析

小浪底水庫投入運行之后，黃河下游河道長期處于沖刷狀態，水流中所挾帶的泥沙粒徑呈明顯的變粗趨勢。黃河泥沙公報統計資料顯示，花園口以下高村、艾山、利津多年懸沙平均中值粒徑D50分別為0.019、0.021、0.019 mm；2009 年則大幅度變粗為0.038、0.035、0.034 mm[5]。小開河灌區2008 年設立泥沙實驗室，2013 年購置馬爾文激光粒度分析儀，每次引水都對含沙量和泥沙粒徑進行分析，根據2015—2020 年灌區6 a 測點平均泥沙中值粒徑D50統計表3 可看出，渠首泥沙中值粒徑D50 遠大于黃河河道內泥沙粒徑D50，原因是小開河引黃閘河勢變化主要受上游32號壩頭的影響，32號壩頭伸進主河道45 m，當黃河水經過32號壩頭到達小開河閘前時極易產生豎軸環流，縱向主流與環流的水體發生置換，挾沙能力降低，閘前粗顆粒淤積，引水時粗沙隨水流進入渠道，造成灌區渠道內泥沙粒徑遠大于黃河河道內泥沙粒徑。

表3 2015—2020年泥沙顆粒平均中值粒徑（D50）統計 μm

3.4 挾沙能力計算

為進一步證明灌區渠首淤積存在的事實，采用“山東省水科所《引黃襯砌渠道遠距離輸沙及清淤技術研究》報告”上所推薦的“襯砌引黃渠道遠距離挾沙能力公式”進行挾沙能力演算。

式中：ω為泥沙顆粒平均沉速（m∕s）；n為襯砌渠道糙率，對全斷面襯砌渠道取0.014；R為水力半徑（m）；J為渠底比降，灌區渠首取1∕5 500。

泥沙沉速ω 由泥沙粒徑與沉降速度關系表（原理為崗恰洛夫公式）通過內插法可得。

將2020 年2—9 月每次引水采樣測得的泥沙粒徑D50 代入上述公式計算得到挾沙能力，與相對應水樣的實測含沙量進行比較，結果詳見表4。從計算所得含沙量與挾沙能力之比可知，從3 月底開始比值大于1，說明引水開始大量落淤，渠道淤積不斷增加，7 月由于黃河調水調沙，比值最大為942%，說明渠道淤積速度快且特別嚴重。

表4 小開河灌區渠首泥沙D50含沙量與挾沙能力對比

4 對策

為緩解灌區引水能力下降及渠道淤積嚴重的問題，提出以下4種方案進行分析比較。

4.1 引黃閘拆除重建+閘后渠系配套改建方案

此方案對原小開河引黃閘拆除改建，改建基本上是按原位置、原規模、原走向布置，閘底板高程結合設計引水位、現狀引水閘底板高程等因素綜合確定。根據《黃河下游引黃涵閘改建工程可行性研究報告》分析，在綜合考慮前3 a平均水位下，小開河引黃閘若保證60 m3∕s 引水流量，則設計閘底板高程取11.1 m，較原閘閘底板高程12.63 m 降低1.53 m，為保證閘后渠道過流能力，閘后輸沙渠、沉沙池、輸水渠、骨干建筑物等底高程須進行相應調整，以適應閘底板高程的降低。此方案下供水能力由原來的32.2% 左右提高至100%，小開河引黃閘引水能力可以恢復到原閘設計引水能力。此方案最大缺點為灌區引黃閘后渠系及配套建筑物均已建成，再改變渠底高程，無異于重新建設，施工難度大、投資大。

4.2 引黃閘拆除重建+新建閘后固定泵站方案

此方案引黃閘重建底高程與前一方案相同，閘后泵站是在新建引黃閘海漫段后建設一座固定泵站，泵站采用閘泵結合的結構方式。在高水位時，通過自流孔引流，自流孔設計引水流量與引黃閘相同，為60 m3∕s，低水位時開啟水泵提水到下游渠道。閘后泵站設計流量采用40 m3∕s，供水能力由原來的32.2% 提高到66.7%。此方案在引黃閘后建設固定泵站，需重新占用大量基本農田，遷占難度較大。

4.3 引黃閘前建設移動泵站方案

移動泵站作為固定泵站的重要補充，在防洪排澇、應急調水、圍堰抽水等方面發揮了重要作用，目前黃河下游已建移動泵站的有人民勝利渠渠首移動泵站和邢家渡引黃閘閘前移動式應急泵站等。小開河引黃閘前移動泵站型式設計采用浮船式泵站，由于閘前引水流道最長只有100 m，只能布置2 艘浮船，參考其他灌區設計經驗，每艘浮船安裝2臺潛水軸流泵，單泵設計流量6 m3∕s，泵站總設計流量24 m3∕s。此方案引水能力只能提升到原設計引水能力的40%，提升效果較差。

4.4 引黃閘前建設固定泵站方案

閘前泵站工程是緩解黃河下游因河床下切導致引黃閘引水困難的有效途徑。目前，黃河下游已建閘前泵站的有濟南黃河河務局的北店子閘、胡家岸閘以及河口黃河河務局的宮家閘、王莊閘等。小開河引黃閘前初步設計方案為，泵站及自流閘采取垂直水流方向布置，由連接段、自流閘、泵室、出水池、箱式變電站等部分組成。自流閘位于中間，泵室分列兩側。自流閘設計流量60 m3∕s，泵站設計流量40 m3∕s，選用6臺1400QZB-100 型潛水軸流泵。站前泵站工程建成后，泵站設計流量40 m3∕s，引水能力由原來的32.2%提高到67%，供水保證率大幅提高[6]。

分析比較上述4 種方案，認為引黃閘前建設固定泵站方案是解決灌區引水能力下降的根本措施。由于小開河灌區配套工程已完成，無法降低渠系高程，因此只能采取建設泵站的方法，提高運行水位。建設閘前泵站，引用黃河表層水，可以降低引沙量、減少渠系淤積，在黃河水量較小時也能及時滿足生活和工業用水、提高供水保證率，還可以形成人造“洪峰”沖刷渠首段淤積泥沙、減少清淤工程量。