蘇東喜，孫欽蘭，端木靈子，鄭微微

（1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州450003；2.河南省水資源環(huán)境工程技術(shù)研究中心，河南鄭州450003）

人民治黃以來，一直在探索治理黃河泥沙的方法，并取得了巨大成就。20世紀(jì)70年代，山東黃河齊河修防段試驗(yàn)成功挖泥船，用泥漿泵和管道輸沙淤背固堤[1]。到了90年代，生產(chǎn)中采用管道輸沙距離達(dá)數(shù)十千米，放淤可使泥沙含量達(dá)到700 kg/m3[1]。2006年黃河水利科學(xué)研究院開展了“小浪底水庫庫區(qū)管道排沙技術(shù)及裝備研究”，2007年又開展了“小浪底水庫泥沙起動輸移方案研究”，利用壓力管道輸送小浪底水庫高含沙水流至下游，形成黃河下游“一河一管網(wǎng)”格局，以解決泥沙在黃河下游河道的淤積問題[2]。2013年，河南黃河河務(wù)局承擔(dān)水利部公益性行業(yè)科研項(xiàng)目“高含沙水流遠(yuǎn)距離管道輸送技術(shù)試驗(yàn)研究”，對水面抽沙平臺及輸沙管線的固定和移動技術(shù)、輸沙管道平面布置、水下抽沙施工工藝等進(jìn)行了研究[3]。黃河下游河道淤積主要是高含沙洪水造成的，韓其為等[4]分析了黃河下游含沙量大于300 kg/m3的高含沙洪水的特點(diǎn)，得到了洪水輸沙能力公式。

1 下游河道輸送泥沙方式及存在問題

按修筑堤防對水流泥沙的影響，黃河下游可分為自然漫流期和固定河道下泄期。自然漫流期，黃河以多條汊道在華北平原上四散分流，淤地造陸，流道以落淤、抬升、漫溢、遷徙的規(guī)律循序演變，陸地泥沙滯留量大于入海泥沙量[5]。固定河道下泄期，下游由多股分汊河道演變成為單股河道[5]，水流基本在約束的防洪堤間運(yùn)行，泥沙隨引水少量向兩岸分流，小部分沿河床落淤，大部分隨水流輸入大海。修建三門峽水庫前，陜縣水文站30 a徑流泥沙資料顯示，黃河多年平均天然徑流量580億m3，年平均輸送泥沙量16億t，其中入海泥沙量12億t，沿河落淤泥沙近4億t[6]。

修筑堤防保護(hù)了沿河的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全，也產(chǎn)生了新的矛盾，主要有4個方面：一是沿單股河道輸沙，形成了下游的地上懸河，堤防約束難，存在洪災(zāi)風(fēng)險；二是河流自然功能被改變，泥沙不能回到平原淤土改造地形，回歸自然難；三是河道內(nèi)泥沙呈線狀沉積，收集利用難；四是長期看，黃河水能總體小于搬運(yùn)泥沙入海所需要的動能，維持河道沖淤平衡的水沙關(guān)系難。

2 分沙輸沙思路與管道輸送優(yōu)勢

2.1 分沙輸沙的意義

20世紀(jì)90年代以來，黃河中下游水沙量明顯減少。有研究資料表明，和20世紀(jì)50年代相比，利津站年徑流量和泥沙量90年代分別減少31.2%和31.3%，21世紀(jì)初分別減少21.9% 和11.2%[7]。水沙變化與流域降雨時空分布、沿線工業(yè)化及城鎮(zhèn)化發(fā)展用水增加、區(qū)域工程逐步發(fā)揮作用等因素有關(guān)，但從長期看，客觀的氣候條件和黃土高原的黃土性質(zhì)決定了黃河多沙的特性很難改變，中游工程措施攔滯和調(diào)節(jié)泥沙數(shù)量是有限的。分沙輸沙可以借助豐富的電力資源，提高黃河水力搬運(yùn)泥沙的能力，減少輸沙水量。分沙可以減小下游河道水流含沙量，改變水沙關(guān)系，對保持現(xiàn)有河道位置長期不變有利，對改變現(xiàn)狀河道存在問題有利。

2.2 分沙輸沙思路

黃河中游尾段是泥沙的自然聚集區(qū)，有形成高濃度含沙水流的天然條件，在該處利用已建樞紐工程的攔蓄作用，滯留泥沙，分設(shè)提沙站點(diǎn)，將泥沙分離出河。各提取點(diǎn)抽提組合，形成高含沙水流，沿兩側(cè)河岸輸沙管道，依靠水沙重力和分級加壓動力向下游沿線用沙點(diǎn)及大海輸送。

集中輸沙工程措施有多種，可選擇渠道式、無壓箱涵式、管道式、混合式等，從保持水頭、實(shí)施難易、挾沙穩(wěn)定性和占壓土地等方面綜合分析，管道式加壓輸送優(yōu)勢明顯。

2.3 管道輸沙優(yōu)勢分析

與單一河道輸沙方式相比，管道集中輸沙有以下優(yōu)勢：①能利用電力補(bǔ)充水流輸移泥沙過程中水動能的不足；②挖沙、輸送和利用泥沙相結(jié)合，可根據(jù)面上需要，及時變動挖沙位置，及時在輸送干管上開、關(guān)分沙口；③一定量的泥沙，采用管道集中輸送所需水量小于河道輸沙所需水量。

3 管道輸沙方案描述

3.1 輸沙系統(tǒng)布置

黃河下游管道輸沙系統(tǒng)包括泥沙采集區(qū)、輸沙管道系統(tǒng)、分沙利用區(qū)、入海區(qū)四大部分。泥沙采集區(qū)起點(diǎn)為黃河小北干流段，終點(diǎn)至西霞院水利樞紐，采集點(diǎn)分布在小北干流河段、三門峽水庫庫區(qū)、小浪底水庫庫區(qū)和西霞院水庫庫區(qū)。輸沙主管道從小北干流至入海口，沿黃河兩岸布置。泥沙利用分水口布置在沁河口以下至入?？诙?，根據(jù)面上泥沙需求，確定分沙口數(shù)量和規(guī)模，大致有放淤改土口和泥沙加工利用口兩類，可隨時調(diào)整。入?？谖恢每伸`活移動，沿海岸線變化。布置示意見圖1。

圖1 集中泥沙輸送系統(tǒng)示意

3.2 輸沙規(guī)模

以遠(yuǎn)期規(guī)劃入黃沙量8億t[6]控制，管道動力系統(tǒng)年輸沙量應(yīng)與下游水沙平衡狀態(tài)下輸水入海挾沙量、兩岸引水引沙量、調(diào)水調(diào)沙量協(xié)調(diào)分擔(dān)。

入海沙量，統(tǒng)計(jì)1987—2004年利津站實(shí)測入海泥沙量，18 a總計(jì)62.1億t，年均3.45億t[7]。

灌溉用水主要集中在春秋兩季，中游水庫控制下泄水流含沙量小，2003—2013年下游年均灌溉引水量72.44億m3，以寧蒙河段年均含沙量7.86 kg/m3[8]估算，下游年平均引沙量為0.58億t。

2002—2016年，黃河進(jìn)行19次調(diào)水調(diào)沙，輸沙10億t，平均年輸沙量為0.53億t。

那么，剩余給管道動力輸送的泥沙量為年均3.44億t（見表1）?？紤]動力系統(tǒng)清除中游已有河道、水庫及渭河等一級支流淤積，近期規(guī)劃輸沙量以富余量控制，年均管道輸沙規(guī)模約為4億t。

表1 入黃沙量分配規(guī)劃 億t

4 管道輸沙方案關(guān)鍵參數(shù)分析

4.1 系統(tǒng)參數(shù)

（1）含沙量。綜合分析挾沙流速、長距離沿程水頭損失、耐久性、運(yùn)行安全等多方面因素，水流含沙量不宜過大。結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)，挾沙流速為2 m/s左右，對應(yīng)管道水流含沙量300 kg/m3，運(yùn)行整體效果較好。輸沙系統(tǒng)每年運(yùn)行300 d，年均流量51 m3/s，則年輸沙用水量為13.33億m3。與河道輸沙相比，集中輸沙用水量小，有一定的置換水資源潛力。

（2）泥沙粒徑。分沙口集中在中游下部，以三門峽庫區(qū)斷面為代表，分析抽取泥沙的中值粒徑d50。根據(jù)三門峽庫區(qū)1960—2003年大斷面淤積物粒徑分析結(jié)果（見表2）[9]，其中泥沙粒徑大于0.05 mm的含量接近50%，故選其作為中值粒徑。

表2 三門峽庫區(qū)大斷面1960—2003年淤積物粒徑

（3）挾沙流速。流速是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，在滿足輸沙要求前提下，結(jié)合泥沙粒徑、擬選管徑，與經(jīng)驗(yàn)值對比，盡量選小值。從不同途徑分析選取如下：①對于清水，長距離供水，《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程》（CECS193—2005）要求：壓力輸水管道的設(shè)計(jì)流速不宜大于3 m/s，經(jīng)濟(jì)流速一般為0.8～1.4 m/s。②小浪底高含沙水流遠(yuǎn)距離管道輸送技術(shù)試驗(yàn)研究表明，中值粒徑為0.040 9～0.061 2 mm、含沙量為950 kg/m3（體積濃度 Cv=35.85%）時，流速為1.50～2.08 m/s，管道排沙效果最佳[3]。③王英杰開展的管道輸送泥沙試驗(yàn)研究表明，選用泥沙密度2.74 g/cm3，粒徑為0.01～0.2 mm，中值粒徑為0.061 3 mm，滿足挾沙且水頭損失較小，含沙體積濃度Cv=15%（400 kg/m3）時，流速為 2 m/s（見圖 2）[10]。 ④按二相流淤限流速挾沙經(jīng)驗(yàn)公式[11]計(jì)算，將結(jié)果點(diǎn)繪成VL—ρ關(guān)系圖（見圖3）。Durand定義淤限流速VL相當(dāng)于泥沙全部懸移二相流與有推移質(zhì)運(yùn)動之間的邊界流速，基本與最小水頭損失時的流速相等[12]：

式中：VL為淤限流速，m/s；d為泥沙中值粒徑，mm；D為管徑，cm；ρm為渾水密度，g/cm3；μm為運(yùn)動黏滯系數(shù)，cm2/s；s為渾水與清水的密度比；g為重力加速度。

綜合以上分析，重點(diǎn)考慮輸沙和減小沿程水頭損失，選定管道流速為2 m/s。

4.2 管道及加壓泵站參數(shù)

綜合考慮黃河中游泥沙特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性，來設(shè)計(jì)遠(yuǎn)距離輸沙管道及動力系統(tǒng)。經(jīng)初步計(jì)算分析，左、右岸各布置7根輸沙管，每根管道平均輸水流量為3.67 m3/s。

圖2 不同含沙量的流速與水頭損失

圖3 淤限流速與含沙量的關(guān)系

（1）管材及管徑。目前，國內(nèi)外常用的管材有鋼管、鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土PCCP管、夾沙玻璃鋼管等。以耐磨和強(qiáng)度為主要控制因素，選用PCCP管。管徑計(jì)算采用管道恒定流公式：

式中：Q為流量，m3/s；A為管道過流面積，m2；v為流速，m/s；D 為管道直徑，m。

經(jīng)計(jì)算，單根PCCP管道直徑為1.5 m。

（2）沿程水頭損失。以單根入海輸沙管為例，計(jì)算起點(diǎn)選黃河下游起點(diǎn)桃花峪，輸水管長采用河線長度786 km。管內(nèi)水流為紊流的阻力平方區(qū)，由計(jì)算雷諾數(shù)Re=2 307 692和相對黏滯度Δ/d=0.000 5（Δ為混凝土管道壁面當(dāng)量粗糙度，mm），查Moody圖[13]得沿程水頭損失系數(shù)λ值。

式中：hf為沿程水頭損失，m；λ為沿程水頭損失系數(shù)；l為單根輸沙管長，m；D為管道直徑，m；g為重力加速度，g=9.8 m/s2。

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 單管沿程水頭損失計(jì)算結(jié)果

（3）加壓泵站數(shù)量。輸沙沿線布置泵站加壓，以加壓泵單級揚(yáng)程300 m估算，入海線路需設(shè)12級泵站，以便保證輸沙流速。

4.3 運(yùn)行成本分析

僅考慮工程運(yùn)行的輸沙成本，主要體現(xiàn)在水泵加壓維持流速耗費(fèi)電能方面。耗電量計(jì)算公式如下。

式中：E為年耗電費(fèi)用，萬元；k為電價，元/（kW·h）；h為水頭損失，m；ρ為含沙水密度，kg/m3；T為年提水總時間，h；η為裝置效率。

按平均輸沙至下游河道中間位置控制，水頭損失1 764.5 m，單管輸水流量3.67 m3/s，全年所需電量為62 124萬kw·h，輸送0.14億m3泥沙的費(fèi)用為3.11億元，輸送1 m3泥沙耗電成本約為22.86元，見表4。

表4 輸沙耗電成本計(jì)算結(jié)果

4.4 需進(jìn)一步研究的問題

管道集中輸送黃河泥沙，方便轉(zhuǎn)移運(yùn)輸和應(yīng)用，有利泥沙資源的市場化，更好地實(shí)現(xiàn)治黃社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的互補(bǔ)。輸沙工程沿線占壓土地呈線狀，對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響的可能性不大。因工程采沙區(qū)長度超過300 km，采沙點(diǎn)分散，用沙點(diǎn)也存在較多的變化，在采沙、用沙、對河勢影響及建筑物安全方面存在一些復(fù)雜問題，需要統(tǒng)籌研究，如中游采集泥沙的精細(xì)控制、與其他泥沙治理措施間的協(xié)調(diào)、泥沙市場開發(fā)運(yùn)行、工程建設(shè)管理等。

5 結(jié) 語

黃河下游河道單一的河流輸送泥沙方式已很難平衡自然與社會發(fā)展持久需求的關(guān)系，增加新的輸沙方式客觀上是必要的，技術(shù)上也積累了很多相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。水能、電能并用，中游分離泥沙，下游管道集中輸運(yùn)，作為泥沙綜合治理的具體措施，從局部試驗(yàn)到生產(chǎn)應(yīng)用，將對解決黃河的泥沙難題有重要貢獻(xiàn)，也有利于實(shí)現(xiàn)泥沙資源的價值回歸。

致謝：端木禮明、周麗艷對本文給予指導(dǎo)，在此表示感謝。