水利工程論文-黃河下游引黃灌溉中的泥沙處理利用.doc

水利工程論文-黃河下游引黃灌溉中的泥沙處理利用摘要：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。本文主要從分析計算含沙量沿垂線分布特點，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、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，黃河下游共有引黃渠首工程128處，萬畝以上灌區(qū)156處。實灌面積由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。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，“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黃河流域經(jīng)過長期持續(xù)的治理和開發(fā)，使下游來水來沙量發(fā)生很大的變化，直接影響到灌溉的引水引沙量。我們統(tǒng)計了花園口和利津站19521996年實測水沙量，前者反映了來水來沙條件的變化，后者還粗略地反映了下游灌溉引水的情況?；▓@口站多年平均水量為416.5億m3,其中汛期240億m3,占年水量的57.6%；多年平均沙量為11.1億t，汛期9.33億t，占年沙量84%，平均含沙量為26.6kg/m3?？梢娔嗌持饕性谘雌?，汛期含沙量達(dá)38.9kg/m3。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m3，較花園口站減少了64.5億m3，大部分是工農(nóng)業(yè)引水和生活用水。這部分減少的水量是逐年增加的，50年代和60年代變化不大，70年代和80年代該站水量只有287.5億m3和298.5億m3，比花園口站分別減少81.9億m3和128.1億m3，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m3，90年代花園口站的來水量只有246.8億m3，下游引水量仍超過100億m3，到利津站僅145.3億m3。2.2黃河下游灌溉引水引沙情況(表1)50年代和60年代年平均引水量分別為21.3億m3和33.4億m3，分別占黃河下游年平均來水量的4.7%和6.4%；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年代和80年代平均引水量分別為84.8億m3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SituationofwaterandsedimentdiversionfromtheLowerYellowRiverforirrigationatHuayuankouLijinReaches時期耗水量(108m3)分水比引沙量(108t)引水含沙量(kg/m3)分沙比1950195921.30.0470.5525.80.751960196933.40.0640.5315.90.671970197984.80.231.6619.60.4919801989113.00.271.3111.60.621950199064.31.0215.93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，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3，計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)式中參數(shù)=0.2z-1.15-0.11,z為懸浮指標(biāo)。計算結(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，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，幾十年來在實踐中積累了豐富的經(jīng)驗，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，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，同時還可以改良土壤，據(jù)不完全統(tǒng)計，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算成果ComputingresultofverticaldistributionofsedimentconcentrationfordifferentsizesatHuayuankouandLijingaugingstationsDS*S/S*站名(mm)(kg/m3)1.00.80.60.40.20.00.0226.650.9730.9830.9941.0051.0171.028花0.0250.9550.9730.9901.0091.0281.047園0.030.9330.9590.9851.0131.0421.072口0.040.8770.9220.9701.0221.0791.1400.060.7330.8180.9191.0391.1851.3640.01525.480.9820.9890.9961.0041.0111.0190.020.9650.9790.9931.0071.0211.036利0.0250.9430.9650.9871.0111.0351.0610.030.9150.9470.9811.0161.0531.093津0.040.8460.9010.9611.0271.1011.1820.060.6780.7740.8931.0421.2301.476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)行河道的壽命，如果能有計劃地處理灌區(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SketchofdiversionwaterandsedimentRelationshipcurvesshowingtheimpactofwithdrawingwaterandsedimentonchanneldepositionanderosion表3山東境內(nèi)歷年臨背高差的變化VariationsofelevationdifferenceofthegroundsurfacebetweeninnerandoutersidesofleveesinShandongProvince單位：m堤段1933年1951年1983年東明上界至渠山十里鋪(南岸)1.281.352.39濟(jì)南上界至上街子(南岸)2.812.64陶城埠至鵲山(北岸)2.652.54鵲山至利津(北岸)1.442.952.545引黃灌溉對下游河道沖淤影響這是引黃灌溉中又一個重要問題，自古有“分流必淤”之說，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)式計算了不同分流分沙比時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)，并得到以下幾點認(rèn)識：(1)Ps211時為沖刷。其他條件相同時，原河道淤積時引水對河道增淤作用較沖刷時小。2=2時，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)實際上，當(dāng)分流比很大時，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淤的影響關(guān)系式為(Ws2-3-Ws2-3)/Ws2=(1-q)21-Ps32(1-q)3-2-(1-Ps32)(3)由(3)式可以看出：上河段灌溉引水對下河段的沖淤影響主要與河段原來的沖淤狀況(Ps32)、上河段的分流比(q)及流量指數(shù)2，3有關(guān)。采用公式(2)和(3)計算19801984年實測黃河下游引水引沙對下游河道沖淤影響。這有兩種情況：一是三門峽、黑石關(guān)和小董以上灌溉用水引起的影響，該時期灌溉年用水量162.7億m3，引沙0.54億t,使下游河道增淤0.2億t；二是三門峽、黑石關(guān)和小董以下同時引水量106億m3，引沙量1.02億t，使下游河道增淤0.38億t。引黃灌溉對下游河道沖淤影響，還曾用水動力學(xué)泥沙數(shù)學(xué)模型計算1974年7月至1992年6月的水沙系列，計算結(jié)果是下游河道平均增淤0.2億t。這樣，黃河流域灌溉用水268.8億m3，使下游河道每年增淤約0.5億t左右，影響還是比較大的。6幾點認(rèn)識1.黃河下游河道是嚴(yán)重淤積的“地上懸河”，兩岸引水灌溉具有足夠的水位，不需要修建樞紐抬高水位引水，也不允許修建樞紐攔沙，把泥沙放在河道里，故目前均為無壩引水；下游來沙主要是顆粒較細(xì)的懸移質(zhì)，沿水深分布較均勻，若采用人工環(huán)流或表層取水來減少入渠泥沙會有一定作用，同時，近2030年來黃河下游來沙量明顯減少，入渠沙量也有所減少，但年均入渠沙量有1.0億多t。說明黃河下游在目前情況下，灌溉引水必引沙，灌區(qū)要充分加以利用，變害為利。2.黃河下游灌區(qū)處理泥沙希望把泥沙送到田間，既可以防止渠道泥沙的淤積，又可以肥田發(fā)展生產(chǎn)，但由于黃河兩岸地勢平坦，目前除少數(shù)灌區(qū)可以把大部分沉沙送到田間外，大部分灌區(qū)無法送到田間，幾十年來的經(jīng)驗表明，利用兩岸低洼、鹽堿、沙荒地修建沉沙池是處理泥沙、解決渠系泥沙淤積的有效途徑，同時還可改良土壤，改善生態(tài)環(huán)境。據(jù)不完全統(tǒng)計，到1990年已經(jīng)改良土地達(dá)20萬hm2。必須指出，由于長期灌溉沉沙，原來的鹽堿洼地已經(jīng)不多了，采用“以挖待沉”的方法處理泥沙，不僅費(fèi)用高，并且從沉沙池清理出來的泥沙，堆積占壓農(nóng)田，如不及時處理，可能給周圍環(huán)境帶來沙化問題，給灌區(qū)泥沙處理帶來新的問題。3.人民治黃以來，通過引黃灌溉發(fā)展兩岸生產(chǎn)，同時淤高地面，據(jù)1983年以前實測資料分析表明，黃河下游大部分堤段的臨背高差維持不變或略有減小。可以認(rèn)為，在兩岸一定寬度內(nèi)有計劃淤高地面，造成“相對地下河”是有可能的。當(dāng)然對這類問題的研究，不僅是技術(shù)問題，還有政策導(dǎo)向、管理運(yùn)用等問題。4.黃河下游引黃灌溉，