簸箕李引黃灌區水沙運行分析及對策

房本巖，賈增暉

（濱州市引黃灌溉服務中心，山東 濱州 256600）

經過多年發展，引黃供水事業取得巨大成就，面積已達733.4 萬hm2，為沿黃地區的經濟社會發展提供了可靠的水資源保障，徹底改變了灌區農業生產落后面貌，極大提高了灌區人民生產生活水平[1]。黃河是多沙河流，引黃必引沙，灌區在引用黃河水的同時也引入了大量泥沙。泥沙問題一直是困擾灌區的一大難題，很多專家和工程技術人員致力于研究泥沙淤積和處理措施，取得了諸多成效[2]。引黃灌區一般采用渠首集中沉沙、沉沙池沉沙、遠距離輸沙分散沉沙等處理方式[3]。

1 灌區現狀及泥沙影響

1.1 灌區基本情況

簸箕李引黃灌區是國家大型灌區，位于黃河下游的山東省濱州市，承擔濱州市惠民縣、陽信縣、無棣縣24個鎮（街道辦）工農業生產供水任務，并兼顧108 萬城鄉居民飲水保障。灌區設計灌溉面積7.87萬hm2，年均引水4 億m3左右。灌區在處理引水泥沙方面沒有天然的沉沙條件，多年來一直采用渠首“以挖待沉”的集中處理模式，在引黃閘后設置1 條長22 km 的沉沙條渠。條渠渠首流量60 m3/s，設計水深2.2 m，底寬34 m，邊坡1∶2，渠底比降0～6 km為1/5 000、6～21 km為1/7 000、21～22 km為-1/6 000（倒坡），當渠內泥沙淤積到一定程度后進行清淤，以維持灌區效益的正常發揮。

1.2 引黃泥沙對灌區的影響

引黃必引沙，灌區引水與引沙同步。簸箕李引黃灌區運行至今已引進泥沙1.44億t，多年平均引沙265萬t，其中淤積在條渠的約3 780萬t，占總引沙量的26%。自條渠清淤出來的泥沙堆放在渠道兩岸以來，泥沙越堆越多，逐年增加，形成寬窄不一、高低崎嶇的沙嶺，清淤難度不斷增加，費用攀升。雖然經過近幾年的水土治理，但有一多半的泥沙仍滯留在兩岸，使得當地環境容量迅速減小，給周圍農民的生產生活帶來諸多負面影響。泥沙在風和降雨徑流的帶動下進入周圍農田，造成土壤沙化，保水保肥性差，不利作物生長，產量降低。同時，引起當地排水河道淤積，降低防洪排澇功能。

2 引水引沙的季節變化規律

2.1 引水量、引沙量的季節變化性

灌區引水量、引沙量隨季節不同，變化較大。簸箕李灌區全年引水量分配大致為：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）分別占總引水量的67%、18%和15%。而引沙量卻不同步，根據多年觀測資料，春灌、夏秋灌和冬灌引沙量分別占全年總引沙量的43%、41%和17%。顯然，條渠輸沙率夏秋灌最大，冬灌次之，春灌最小。夏秋灌引水量雖然只占18%，而引沙量卻高達41%，在夏、秋季節引水給灌區帶來的泥沙影響較為突出。在這兩季引水應綜合考慮權衡利弊，以免造成渠道出現過分淤積，妨礙下一階段引水。

2.2 泥沙淤積的季節變化性

泥沙在條渠上的淤積，隨季節不同而變化，與引沙量近似同步，但并不完全吻合。泥沙在簸箕李灌區條渠的淤積比例為：春灌、夏秋灌和冬灌分別占總淤積量的45%、36%和19%。條渠的淤積比可用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冬值分別為1.047、0.878 和1.118。在條渠上淤積的泥沙并不完全按固定比例淤積，φ冬＞φ春＞φ夏秋，即單位泥沙量流經條渠時，泥沙淤積量冬灌最多，春灌次之，夏秋灌最少。造成這一現象與黃河來水來沙情況有關，在冬、春兩季灌區引水時含沙量偏小，泥沙顆粒較粗，且黃河水情較差，引水流量偏小。渾水進入渠道后，水流較為平穩，基本可以看作是層流運動。水沙在向下游輸送時，粗泥沙首先沉積下來。同時，泥沙顆粒之間存在相互碰撞，在碰撞過程中，一部分細泥沙顆粒會凝聚在一起，形成團粒，而團粒的沉速遠大于分散顆粒，也會沉積。在夏季和秋季時黃河來水來沙量處于峰期，在此階段引水，含沙量較高，泥沙粒徑級配不均勻，細泥沙較多，水流黏滯性相對較大，運動黏滯系數大，會阻止泥沙顆粒的下沉[4]。在這一時段引水時，為避免渠道出現過分淤積，往往會采取較大流量引水方式，流速快、挾沙力強，這一階段泥沙淤積速度相對較慢。

3 泥沙淤積的特性分析

3.1 條渠進口與出口含沙量間的函數關系

根據簸箕李灌區多年的實測資料，點繪出條渠進口含沙量S進、出口含沙量S出關系如圖1所示。從圖1 可以看出，點群絕大部分都在450線以下，即渾水經過條渠后含沙量變小。

圖1 條渠進口、出口含沙量關系

由點群的密集和走向趨勢看，S進與S出之間關系基本符合以下規律：

式中：K為條渠進口含沙量季節系數，春灌時取0.98，夏秋灌時取1，冬灌時取0.95；M、N分別為條渠進口含沙量大小系數，當條渠進口含沙量S進≤8 kg/m3時M取0.76、N取0.25，當S進＞8kg/m3時M取0.98、N取-2.75。

K值之所以變化，是因為自年度清淤周期始至周期末條渠的攔沙作用有所減弱。M、N值在條渠進口含沙量8 kg/m3時發生變化，主要原因在于：①含沙量變大。在泥沙顆粒下沉過程中，顆粒之間相互碰撞、相互干擾，因而其下沉速度受到影響。實驗證明，渾水中的顆粒沉速小于清水中的顆粒沉速，且顆粒越密集沉速越小，即含沙量越高顆粒下沉越慢。隨著含沙量升高，渾水的黏滯性增強，流層間的切應力、內摩擦力變大[5]。當切應力、內摩擦力增大到一定程度即含沙量大于8 kg/m3時，泥沙下沉受到足夠影響，泥沙沉積量相對減小。②粒徑級配。灌區高含沙量水流主要集中在夏秋兩季，在這兩季測得的泥沙粒徑級配不均勻，顆粒偏細，泥沙主要是粉沙和黏土粒[6]，其中值粒徑在0.009 mm 左右，而在冬、春兩季測得的中值粒徑在0.025 mm 左右，因此泥沙粒徑小，下沉相對較慢。

3.2 條渠的泥沙攔阻作用

通過多年對簸箕李灌區的條渠引水含沙量變化觀測發現，條渠上游含沙量高于下游，且整個條渠含沙量由上而下呈遞減趨勢，即條渠起到了攔截泥沙作用。但這種攔截作用全年并不是固定不變的，隨著清淤后運行周期的初始（11 月下旬）到運行末期（第二年的10 月中旬）其作用逐漸減小。因為條渠進、出口的渠底高程是固定的，水面比降變化不大，隨著條渠淤積，過水斷面逐漸減小，條渠挾沙力相對增強，沉沙能力有所減弱。同時，在條渠兩側堆積了大量泥沙，當刮風下雨時，使得兩側泥沙第二次搬運到條渠中，形成重復性淤積，也阻礙了條渠的攔沙作用。灌區清淤施工期為10 月20 日至11 月20 日，清淤結束后，于11月21日開始冬灌引水。條渠上泥沙在清淤后一個運行周期內，不同時間段沿程淤積分布如圖2所示。由圖2可知，淤積在條渠的泥沙量較多，淤積深度隨引水量的增加而增加，成正相關關系；4 月11 日前淤積速度較快、淤積量相對較多，以后淤積速度逐漸變慢；前6 km 淤積深度明顯小于下游淤積深度，這是由于渠底比降不同引起的，前6 km渠底比降相對下游較大，流速較快，較多泥沙被輸移到下游。

圖2 不同時間段條渠淤積深度

3.3 條渠的溯源淤積

簸箕李灌區條渠內泥沙淤積存在一定的溯源性。因為沉沙條渠存在三段不同比降，雖不能增大條渠的縱向渠底比降，但能夠改變條渠水面線和泥沙的沿程淤積分布。通過分析水深可知，水面線是壅水水面線，上段水面比降最大，接近1/5 000，水深最小；中間段水面比降次之，接近1/6 000～1/7 000，水深較小；尾部水面比降最小，接近或小于1/10 000，水深最大。上游過水斷面較小，輸沙能力相對較強，只有較粗的泥沙沉積下來，相對沉積數量較少；下游段水相對較深，過水斷面變大，挾沙能力變小，較多泥沙淤積在條渠末端。隨著尾部淤積量增加，尾段倒坡變緩，向上影響中游段的挾沙能力，繼而條渠會發生溯源性淤積。隨著溯源淤積的不斷上延，水位發生一定抬升，又影響到上游段的挾沙能力，使得整個渠道都發生淤積。由圖2 可知，12 月15 日和第二年4 月11 日勘測的條渠渠底淤積情況明顯呈現溯源性。泥沙淤積溯源性多發生在清淤后運行周期的初期，隨著條渠內泥沙淤積量的增多，渠底比降發生變化，這種現象逐漸消失。

3.4 渠底沖刷現象

沉沙條渠的引水含沙量并非始終是S進＞S出，有時偶爾會出現S進＜S出，即渠底受到水流的沖刷。這種現象發生在條渠引水流量大、含沙量相對較小、泥沙顆粒偏細的情況下。因水流運動黏滯性差，流速相對較大，渠底泥沙在水流的拖曳力和上舉力作用下，開始起動。這種起動多發生在粗沙顆粒，這是因為淤積在渠底的泥沙顆粒之間存在一定黏結性，粒徑越小，泥沙之間黏結越緊固，泥沙顆粒起動需要流速也就越大，而對于粗泥沙顆粒，這種黏結緊固程度相對較小，需要的起動流速也較小。研究成果顯示，對于引黃灌區干級渠道，粒徑0.015 mm 的細泥沙顆粒在水深為2 m 時起動流速大約為0.9～1.1 m/s，而粒徑0.05 mm 的較粗泥沙在水深2 m 時起動流速約為0.7 m/s[7]。因而，渠底較粗的泥沙在水流沖刷下，會被曳起成為懸移質向下游輸送，發生渠底沖刷。這種現象主要發生在條渠的上游。

4 渠道泥沙淤積原因

4.1 引入渠道的泥沙偏多、偏粗

引黃灌區的取水方式多為無壩取水，閘前沒有相應的攔沙設施，灌區引水引沙受黃河影響較大，引沙偏多。修建引黃閘時，雖然按照水力學理論設計，引水口布置于彎道的頂點偏下，其引水時利用彎道的環流作用，在凹岸處引取河道表層含沙量相對較小的水[8]。但簸箕李灌區引黃閘修建于1976 年，在黃河小浪底水庫工程建成以來，經過調水調沙，閘前黃河主河槽產生了一定演變[9]，主流發生偏移，逐步下移靠近引黃閘，雖然黃河年度總體來沙量減少，但是灌區引沙并沒有減少。由圖1可知，點群皆在45°線以下，即S出＜S進，水流通過條渠后泥沙含量變小，產生淤積，且隨著S進增大點群偏離45°線愈遠，即渠道內泥沙淤積量隨著入渠含沙量的增大而增加，入渠含沙量較高是泥沙淤積過重的主要原因之一。分析簸箕李灌區條渠泥沙粒徑級配可知，僅占懸移質23%的粗沙卻占了渠底床沙質的81%，因而參與造床的主要泥沙為粗沙，引入渠道的泥沙偏粗是造成淤積的另一原因。其次，渠道兩側堆積的清淤泥沙在風、雨侵蝕下進入渠中，這些泥沙粒徑極大，絕大部分在0.05 mm 以上，且無黏性，入渠后很難成為懸沙向下游輸送[10]，皆沉積在渠底，出現重復淤積現象。

4.2 渠道設計參數取值不盡合理

渠道糙率對挾沙能力影響較大，一般挾沙能力與糙率系數的3 次方成反比，如果糙率減少5%，其挾沙能力將增加17%[11]。灌區渠道設計時土渠糙率大多采用0.02～0.03，襯砌渠道糙率采用0.015 以上，灌區渠道實際糙率值是土渠0.017～0.019、襯砌渠道0.012～0.014，這比實際糙率值大30%～40%，使得渠道寬深比較大，水流在寬渠道狀態下通過，發生淤積[12]。邊坡系數與渠底縱比降對渠道挾沙能力影響也較大，灌區渠道的邊坡系數大多采用2.0，但通過輸沙最優斷面分析，最佳的邊坡系數取值應為1.0～1.5。受地形影響，渠底縱比降大多為1/6 000～1/9 000，縱比降值偏小，與來沙量不相適應，固邊坡系數取值偏大，縱比降取值偏小，也對渠道的輸沙產生影響[13]。

4.3 引水流量偏小

受黃河來水和灌區需水情況的限制，引水流量大多低于渠道設計輸水流量。簸箕李灌區干渠2011—2016年平均引水流量，詳見表1。

表1 簸箕李灌區2011—2016年干渠平均引水流量 m3/s

從表1 中看出，實際引水流量與設計值相差較大，有時甚至在設計輸水能力的60%以下長時間引水，這樣客觀增大了寬深比，在小流量、大底寬的情況下運行。條渠泥沙在2012—2018 年淤積情況統計詳見表2，平均流量2012—2018年逐步增大，而淤積比卻逐步減少，說明淤積的泥沙量受流量影響，成反比關系，淤積量隨著流量的增大而減少。還可看出，淤積量隨著引沙量的增大而增大，但也非完全與引沙量成直線正比關系，淤積量受引水時段和引水含沙量的變化影響。由以上分析可知，引水流量較小與來沙量不相適應，是造成渠內泥沙淤積較嚴重的又一重要原因。

表2 條渠泥沙不同年份淤積量統計

4.4 水流速度較慢

受地形和沿途村莊建筑物等影響，有的渠道不順直，彎曲段較多，導致主水流不位于渠中心流動，左右擺動，渠壁對水流產生較大阻礙作用，水頭損失大，流速相對較慢，影響了渠道挾沙能力。同時，在水流頂沖作用下，渠壁易出現塌坡，也防礙了輸沙。灌區為了管理方便，在輸水渠道上修建了節制閘、橋梁、渡槽以及其他一些橫穿管道等，這些影響了水流暢通，減小了過水斷面，前方出現壅水現象，流速變慢，因此發生泥沙溯源淤積。

4.5 支渠分水的影響

灌區上游骨干渠道的支渠大多是涵閘式自流引水，支渠引水閘后常存在淤積現象，造成引水渠底高程大于干渠渠底高程，引水時閘門又處于全開狀態，造成支渠引水以中上層水流為主。有時在開閘引水前，引水口處已淤積了較多泥沙，閘前形成阻水坎，只有上層水可以流入。分析含沙量和泥沙粒徑級配可知，當干渠含沙量為7.9 kg/m3、泥沙中值粒徑D50=0.026 mm 時，支渠含沙量為6.3 kg/m3、中值粒徑D50=0.018 mm，很明顯支渠引水含沙量低于干渠，且泥沙偏細，這樣支渠分水后，使得干渠流量減小，挾沙能力降低，而含沙量和粗泥沙含量沒有降低，這樣的支渠分水形式加重了渠道淤積。

5 減少泥沙淤積對策

5.1 減少入渠泥沙

為了引取表層含沙量相對較小的水，避免底沙引入，可在引黃閘前修建必要的攔沙設施，如防沙潛堰、橡膠壩、攔沙板等，對于位置、引水角度不適宜或閘底板過低的進行改造。在引水時，應對引水含沙量進行實時監測，防止高含沙量水和粗沙引入，一般非汛期黃河來沙量較小但泥沙較粗，汛期來沙量較大但泥沙較細[14]。據多年觀測，簸箕李灌區以非汛期引水含沙量不超過8 kg/m3、汛期引水含沙量不超過15 kg/m3為宜，如果超出此值應關閘停引。同時，應對干渠兩側堆積的泥沙進行固沙管理，防止隨風、雨重復進入干渠，可采取植樹造林和培植草皮等方法，減少泥沙起動遷移量。

5.2 合理修整渠道

為了提高渠道的挾沙能力，應采用合理的糙率系數、邊坡系數，減小寬深比，把渠道做得相對窄深些，并盡可能增大縱比降，使其符合減淤要求。對于彎曲段較嚴重的渠道，應加以改造修整順直，減少主水流左右擺動，對易被主水流頂沖發生塌坡渠段進行護砌硬化加固，有條件的最好對輸水干渠進行全斷面護砌，保證水流暢順，加快行水速度[15]。同時，應少建或不建壅水建筑物，對非建不可的應修得高寬一些，不影響過水斷面，不發生阻水現象，避免溯源淤積的產生。

5.3 改造支渠

為了減少干渠泥沙含量、增大支渠分水含沙量，應對不合理的支渠口門進行必要的改造，使其閘底板低于干渠渠底，并控制閘門開啟高度，以不大于0.6 倍水深為宜，引取下層含沙量較大、泥沙粒徑較粗的水流，使其引沙比大于引水比，避免干渠出現不利輸沙的水沙組合，產生淤積，把大量泥沙輸送到支渠以下或田間。

5.4 加強水沙運行調度，采取大流量引水

灌區引水主要取決于農作物干旱程度和黃河來水量，應根據當地氣候、作物種類等，制定合理引水計劃，統一管理，集中灌溉，采取大流量引水，急引急停，保證渠內引水量不小于干渠設計流量的60%。當灌區用水緊張、黃河來水量小時，可采用上、中、下游分期供水、輪流灌溉的方法，防止支渠閘開關不一，渠內小水長流。盡可能做到輪灌段的支渠引水量等于干渠總引水量，不使“余”水流到下游，造成下游淤積。建立長效機制，節約用水，加強節水灌溉，提高灌溉水利用系數，減少引用水量，從而減少引沙量，促進灌區高質量發展。

為了減少泥沙危害，針對灌溉實際現狀，簸箕李灌區2015 年提出改“以挖待沉”的集中處理方式為分散處理方式。通過加強水沙運行調度，提高水流挾沙能力，把大量泥沙輸送到下游的渠系田間，灌區下游無棣縣瀕臨渤海，低洼地、鹽堿地較多，輸送去的泥沙可以填平洼地，改良土壤。經過近幾年的運行調度，效果良好，灌區上游干渠泥沙淤積相對減少，實現了遠距離輸沙到灌區下游及斗渠田間，達到了分散處理目的。

6 結語

引黃必引沙，隨著引黃灌區累計引水量增多，引進的泥沙已對灌區構成了一定程度的負面影響。為減少沙害，加強了灌區水沙監測，分析研究灌區水沙輸移規律。灌區引水引沙受黃河來水來沙情況影響較大，影響條渠內水沙運行的因素也較多：①引水沉沙隨季節不同變化較大，簸箕李灌區條渠的輸沙率為夏秋灌最大、春灌最小；②條渠上淤積的泥沙并不完全按固定比例來淤積，單位泥沙量流經條渠時泥沙淤積比為冬灌最大、夏秋灌最少；③引入條渠內的泥沙量自上而下呈逐步遞減趨勢，即條渠起到了攔沙作用，并存在一定函數關系；④在引水周期的起始，泥沙淤積多表現為溯源性淤積，隨著淤積量增多，溯源性逐步消失，時常會出現渠底沖刷現象。經分析，簸箕李引黃灌區泥沙淤積主要是由于入渠泥沙偏多偏粗、渠道設計參數取值不合理、流量流速偏小、支渠引水不合理造成的。根據分析研究成果，提出了合理解決對策措施，減少入渠泥沙，合理修整渠道，改造支渠口，加強水沙運行調度，采取大流量引水等，經過近幾年運行調度，取得了滿意效果。