李東陽(yáng)

(河南黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)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(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活上發(fā)揮著重要的作用[1]。黃河是中國(guó)第二大河流，流經(jīng)全國(guó)9大省份，該片水域是中國(guó)西部地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)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(tài)環(huán)境面臨巨大的問(wèn)題，這也加劇了黃河水域的淤積情況[3]。較多的泥沙淤積導(dǎo)致水資源無(wú)法有效地運(yùn)送到下游地區(qū)，造成下游地區(qū)水資源短缺，而上游的淤積又經(jīng)常導(dǎo)致洪澇災(zāi)害，這嚴(yán)重影響了人們的生產(chǎn)和生活[4]。因此，研究黃河水域工程泥沙淤積治理對(duì)于促進(jìn)供需平衡具有較大的實(shí)際價(jià)值。

河流泥沙治理在全球都是一個(gè)重要的研究課題，盧金友等[5]通過(guò)研究長(zhǎng)江流域泥沙分布情況與河流保護(hù)之間的關(guān)系，采用水利水電聯(lián)合策略，開發(fā)了多尺度、多目標(biāo)的河道治理方式，促進(jìn)了長(zhǎng)江流域水資源的合理利用；Liu Xiaoning[6]將原位沉積物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于研究水質(zhì)改善(硝酸鈣的修復(fù))對(duì)河流沉積物的修復(fù)作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有改善水質(zhì)，才能對(duì)沉積物中的間隙硝酸鹽和硫酸鹽濃度產(chǎn)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(bǔ)救，發(fā)現(xiàn)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(duì)黃河流域的泥沙問(wèn)題，提出了“人文、和諧、水藍(lán)、樹美”的河流治理方式，該模式注重在河流治理過(guò)程中關(guān)注整體的生態(tài)問(wèn)題，從全局的角度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和規(guī)劃，這對(duì)于黃河流域區(qū)域居民生活質(zhì)量的改善具有重要的意義；胡春宏等[9]通過(guò)對(duì)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(guān)系，進(jìn)一步解析了黃河治理中泥沙變化情況及其對(duì)未來(lái)泥沙淤泥情況的預(yù)測(cè)，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(duì)于河流泥沙治理提出了不同的策略，從整體的角度進(jìn)行分析，對(duì)于治理方式也采用了合適的修復(fù)技術(shù)，但是目前的研究并沒(méi)有從貼合中國(guó)城市發(fā)展的規(guī)律方面，提出符合當(dāng)?shù)貙?shí)際發(fā)展的泥沙治理方式，也并沒(méi)有形成完整的分析體系。本文以某黃河地區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)分析當(dāng)?shù)赜倌喱F(xiàn)狀和成因，提出了對(duì)應(yīng)的泥沙治理模式，將經(jīng)濟(jì)效益作為最終的考核標(biāo)準(zhǔn)，建立了完整的泥沙淤積治理和效益分析體系。研究對(duì)于改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境、治理泥沙淤積具有重要的實(shí)際價(jià)值，提出的治理方式也從根本上遏制了環(huán)境的進(jìn)一步惡化，保障了該地區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展。

1 泥沙淤積成因分析

1.1 河流輸沙情況分析

為了進(jìn)一步了解該研究區(qū)域的河流泥沙淤積情況，分析了孫口水文站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其中，圖1(a)為在不同年份的不同月份合計(jì)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(duì)其他月份流量變化更大。就7—10月而言，隨著時(shí)間的推移，不同年代的平均流量在不斷下降，其中20世紀(jì)50年代到21世紀(jì)平均流量已經(jīng)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(jì)平均徑流量變化情況，與平均流量的變化趨勢(shì)相同，其中20世紀(jì)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(shí)工業(yè)用水量也在不斷提高，導(dǎo)致該水文觀測(cè)點(diǎn)的水量發(fā)生了明顯的下降；而在90年代由于多次出現(xiàn)干旱年份，導(dǎo)致降雨偏少，該區(qū)域引水量和平均徑流量發(fā)生了斷崖式的下降。圖1(c)為21世紀(jì)在不同降雨概率下的徑流量分析結(jié)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(jié)果

將該地區(qū)的輸沙量進(jìn)行了分析，不同月份及其全年平均輸沙流量分析結(jié)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(jié)果

該水文觀測(cè)點(diǎn)該研究地區(qū)的輸沙量在時(shí)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(dāng)出現(xiàn)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(duì)比不同的年份，發(fā)現(xiàn)相比20世紀(jì)50年代，21世紀(jì)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(xiàn)了同樣的趨勢(shì)，在7—10月，相比20世紀(jì)50年代，21世紀(jì)的河流中含沙量降低了80.56%，但是在20世紀(jì)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(qū)域的上游建立了水庫(kù)，加大了該地區(qū)的引水量，當(dāng)水量較多時(shí)，清水基流就會(huì)相對(duì)減少，從而提高了河流的含沙量。由此可以看出，研究區(qū)域的輸沙量和含沙量正在逐年降低，這會(huì)有效地減少泥沙的淤積。由于該地域建設(shè)了小型水庫(kù)，目前還處于建設(shè)狀態(tài)，因此可能會(huì)對(duì)該區(qū)域的水量和輸沙情況產(chǎn)生影響。不同的時(shí)段保證率下水量的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3所示。在時(shí)段保證率為50%時(shí)，該區(qū)域的水量大約為346.4億m3；而在時(shí)段保證率為95%時(shí)，該區(qū)域的水量大約為83.1億m3，在7—11月最高可以達(dá)到52.9億m3。而該水庫(kù)的建設(shè)的第一階段為攔沙運(yùn)用階段，大約會(huì)攔沙72億t，第二階段相比同年期會(huì)發(fā)生明顯的下降，預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)的最后階段可以攔截100億t。這在一定程度上會(huì)有效減少該河道的泥沙淤積情況。

圖3 不同的時(shí)段保證率下水量的預(yù)測(cè)結(jié)果

1.2 泥沙淤積情況分析

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

圖4 不同時(shí)間不同地段引水、引沙和清淤情況

引沙與沉沙含量對(duì)比分析如圖5所示。將所有的年份不同區(qū)域的引水、引沙變化情況進(jìn)行了匯總分析，從圖5(a)和圖5(b)中可以看出，西區(qū)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(qū)數(shù)據(jù)，分析不同的引水工程對(duì)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(jì)津工程引沙量和沉沙量從2017年的501萬(wàn)m3、380萬(wàn)m3降低至2020年的258萬(wàn)m3、160萬(wàn)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(wàn)m3、148萬(wàn)m3降低至2020年的365萬(wàn)m3、116萬(wàn)m3，下降幅度分別為8.97%和21.62%。這在一定程度上說(shuō)明了引黃濟(jì)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(duì)比分析

不同工程不同區(qū)域引水與含沙變化情況如圖6所示，將不同工程不同區(qū)域的引水、引沙變化情況進(jìn)行了匯總分析，從圖6(a)和圖6(b)中可以看出，引黃濟(jì)津工程對(duì)該地區(qū)平均含沙量的影響呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，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(gè)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(wàn)m3、476.75萬(wàn)m3，在一定程度上反映了這2個(gè)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(gè)工程對(duì)于該研究區(qū)域東部的沙渠淤積率情況較為樂(lè)觀，其中在東部沉沙區(qū)淤積率為31.1%，而在西部渠道和沉沙區(qū)域淤積率分別為13.2%和34.2%。在此基礎(chǔ)上給出了2022年的預(yù)測(cè)結(jié)果，2個(gè)工程的實(shí)施使該地區(qū)的引水量、引沙量在不斷下降，而在沉淀區(qū)域的年淤積量卻基本保持一致。這在一定程度上說(shuō)明了引黃濟(jì)津工程和引黃灌溉工程對(duì)下游的泥沙淤積治理產(chǎn)生了一定的效果。

圖6 不同工程不同區(qū)域引水與含沙變化情況

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究地區(qū)生態(tài)現(xiàn)狀

主要選取了位山灌區(qū)作為主要的研究區(qū)域，該區(qū)域的水域和地理分布如圖7所示。該水渠設(shè)計(jì)引水流量為240 m3/s，設(shè)計(jì)灌溉面積36×108m2，控制聊城8個(gè)縣(市區(qū))90個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的全部或大部分耕地，是黃河下游最大的引黃灌區(qū)。該區(qū)域承接著主要的黃河治理任務(wù)，其中孫口水文觀測(cè)站位為主要的水域分析觀測(cè)站。該區(qū)域是黃河引水工程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，因此選取該區(qū)域進(jìn)行研究，這對(duì)于后續(xù)引黃灌區(qū)水利的分析具有重要的參考意義。

圖7 研究區(qū)域結(jié)構(gòu)

2.2 水利泥沙治理模式

根據(jù)上述研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的研究區(qū)域由于缺少國(guó)家投資，而地方的財(cái)力較弱，因此對(duì)于東部地區(qū)的研究區(qū)域采用了分批次的方式，而西部為整體協(xié)調(diào)推進(jìn)。但是在治理效果上，西部治理效果明顯較優(yōu)，而且國(guó)家開發(fā)的2個(gè)河道治理工程，其中引黃濟(jì)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(xiàn)在沉沙區(qū)治理效果較弱，堆沙高地的治理還耕速度較慢。針對(duì)以上問(wèn)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?cái)U(kuò)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(gè)階段，治理方式如圖8所示。

圖8 水利泥沙治理模式結(jié)示意

2.3 治理經(jīng)濟(jì)效益分析

評(píng)價(jià)依據(jù)：主要參考水利建設(shè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)規(guī)范和建設(shè)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法(第三版)，本文主要根據(jù)項(xiàng)目實(shí)時(shí)的經(jīng)濟(jì)進(jìn)行計(jì)算，其中內(nèi)部的經(jīng)濟(jì)效益分析主要公式如下：

(1)

式中，EIRR為內(nèi)部經(jīng)濟(jì)收益率；n為計(jì)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(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值計(jì)算如下：

(2)

式中，ENPV為經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值；i為社會(huì)折現(xiàn)率。

3 治理效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)效益分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)效益分析結(jié)果

分析并預(yù)測(cè)了不同年份的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，其中在增量效益上，隨著時(shí)間的推移，該指標(biāo)在不斷提高，對(duì)于農(nóng)業(yè)的增益每年保持在一定的水平上；在生態(tài)補(bǔ)償上出現(xiàn)了較大范圍的提高，對(duì)于減少清淤的費(fèi)用指標(biāo)在不斷降低。這就說(shuō)明了本文提出的治理方式可以有效改善生態(tài)環(huán)境，且能夠在一定程度上節(jié)約成本，增加農(nóng)業(yè)的收入。

3.2 社會(huì)效益

不同年份固定資產(chǎn)量如圖10所示。通過(guò)本文提出的治理方式，在一定程度上防治了土地的沙化，環(huán)境惡化的趨勢(shì)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(guò)實(shí)地走訪，該治理模式的實(shí)施使得村莊內(nèi)的風(fēng)沙明顯減少，且將水利淤沙圍繞在一定的區(qū)域中，形成了完整的防護(hù)體系。通過(guò)對(duì)以前影響較為嚴(yán)重的河流區(qū)域進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域的河道沙發(fā)生了明顯的減少，對(duì)于當(dāng)?shù)氐娜嗣裆顜?lái)了較大的便利性。在固定資產(chǎn)量方面，隨著時(shí)間的推移，治理的資產(chǎn)花費(fèi)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(chǎn)量

3.3 生態(tài)效果

生態(tài)效果分析結(jié)果如圖11所示。

圖11 生態(tài)效果分析結(jié)果

隨機(jī)挑選了3個(gè)村莊的6個(gè)區(qū)域進(jìn)行了生態(tài)效果分析，通過(guò)提出的治理方式，在一定程度上改善了該地區(qū)的生產(chǎn)生活水平。其中沉沙區(qū)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(xiàn)在的1 067 m2，增幅超過(guò)了45%，而治理區(qū)域的糧食產(chǎn)量也發(fā)生了較大范圍的增產(chǎn)情況，該地區(qū)的淤泥治理水平得到了提高。

4 結(jié)論

本文主要根據(jù)目前的引水工程，分析了黃河流域某區(qū)域的河道泥沙淤積情況，分析了內(nèi)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(duì)不同的區(qū)域治理存在一定的差異性，對(duì)此進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并提出了引黃工程泥沙淤積治理方式。對(duì)這種治理方式的綜合效益的分析，也證實(shí)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(duì)于相關(guān)的研究具有一定的參考價(jià)值，但是文中仍存在諸多不足，后續(xù)可以通過(guò)大數(shù)據(jù)分析和傳感器的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)河道淤泥的實(shí)時(shí)分析，這種方式在一定程度上會(huì)深刻影響現(xiàn)有的治理模式。