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        濱州市小開(kāi)河引黃灌區(qū)引水能力降低原因及對(duì)策探討

        2021-12-28 11:07:18丁殿濱龐啟航
        海河水利 2021年6期
        關(guān)鍵詞:泵站能力設(shè)計(jì)

        丁殿濱,龐啟航,邱 晨

        (濱州市引黃灌溉管理服務(wù)中心,山東 濱州 256600)

        1 引言

        自2002 年開(kāi)始,黃河調(diào)水調(diào)沙已進(jìn)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(shí)戰(zhàn)演練,自6月24日開(kāi)始,至7月10日結(jié)束,歷時(shí)17 d,黃河最大下泄流量5 500 m3∕s,下游主河槽最小過(guò)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(diào)水調(diào)沙的不斷進(jìn)行,黃河下游河床不斷刷深,截止目前,主河槽最大刷深已達(dá)2 m 以上[1],給沿黃灌區(qū)引水帶來(lái)極大困難,引水困難已成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。本文以山東省濱州市小開(kāi)河引黃灌區(qū)為例,詳細(xì)分析黃河調(diào)水調(diào)沙后小開(kāi)河引黃閘前黃河主河槽刷深導(dǎo)致灌區(qū)引水能力降低現(xiàn)狀,并根據(jù)灌區(qū)近年來(lái)含沙量和泥沙粒徑實(shí)測(cè)資料,運(yùn)用挾沙能力公式計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí),根據(jù)4種方案比較,提出了有針對(duì)性的建議。

        2 小開(kāi)河引黃灌區(qū)引水能力現(xiàn)狀

        2.1 小開(kāi)河引黃灌區(qū)基本情況

        濱州市小開(kāi)河引黃灌區(qū)位于山東省北部、黃河下游左岸,縱貫濱州市中部,是國(guó)家大(2)型引黃灌區(qū)。引黃閘位于黃河大壩樁號(hào)253+690 處,設(shè)計(jì)流量60 m3∕s,設(shè)計(jì)底板高程12.63 m,設(shè)計(jì)引水位14.83 m。灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積7.3 hm2,灌渠全長(zhǎng)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(lái),隨著黃河進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙,黃河主河槽下切,造成灌區(qū)引水能力持續(xù)降低;同時(shí),黃河來(lái)水來(lái)沙條件發(fā)生變化,極易造成灌區(qū)淤積,致使灌區(qū)供水保證率大幅下降,嚴(yán)重影響灌區(qū)正常效益的發(fā)揮。

        2.2 小開(kāi)河引黃灌區(qū)引水達(dá)不到設(shè)計(jì)流量

        2.2.1 受黃河水小限制,達(dá)不到設(shè)計(jì)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(kāi)河灌區(qū)2016—2020年1—4月引水情況統(tǒng)計(jì)表1 可以看出,在1、2 月期間,由于黃河來(lái)水較少,小開(kāi)河引黃閘前水位遠(yuǎn)不能達(dá)到設(shè)計(jì)水位,此期間即使黃河部門(mén)不對(duì)引水指標(biāo)控制,引水流量也很少。如,2016 年1、2 月最大引水流量?jī)H為8.41 m3∕s,為設(shè)計(jì)引水流量14%,根本無(wú)法滿足灌區(qū)用水需求。

        表1 小開(kāi)河灌區(qū)2016—2020年1—4月引水情況統(tǒng)計(jì)

        2.2.2 受引水指標(biāo)限制,達(dá)不到設(shè)計(jì)流量的原因

        近5 a,到了3、4 月,由于黃河管理部門(mén)采取調(diào)控措施,控制引水指標(biāo),閘前水位在逐漸接近設(shè)計(jì)水位的情況下,灌區(qū)困于引水指標(biāo)受限,依然無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)流量運(yùn)行。如,2018 年黃河來(lái)水較好,小浪底水庫(kù)按800 m3∕s下泄,灌區(qū)平均引水流量19.52 m3∕s,僅為設(shè)計(jì)引水流量的32.5%。

        由此,灌區(qū)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(yán)重

        小開(kāi)河引黃灌區(qū)渠首附近地勢(shì)較高,為一狹長(zhǎng)地帶,東西平均寬僅3.5 km,且村莊密集,無(wú)沉沙條件。為此,輸沙干渠設(shè)計(jì)采用大比降、遠(yuǎn)距離輸沙模式,沉沙池設(shè)在距渠首51.3 km 的灌區(qū)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(qū)運(yùn)行看,干渠基本沖淤平衡,從2011 年開(kāi)始干渠出現(xiàn)淤積,特別是上游8.5 km淤積特別嚴(yán)重,每年至少1 次清淤。2015 年進(jìn)行了3 次清淤,分別在6、7、11 月。2020 年進(jìn)行了4 次清淤。2018、2020 年清淤量均超過(guò)30 萬(wàn)m3,嚴(yán)重影響了灌區(qū)引水能力,詳見(jiàn)表2。

        表2 小開(kāi)河灌區(qū)2015—2020年干渠清淤統(tǒng)計(jì)

        3 引水能力降低的主要原因

        從2002 年7 月開(kāi)始黃河進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙,至今已經(jīng)20 次,調(diào)水調(diào)沙使黃河下游主河槽全線沖刷,河道過(guò)流能力明顯提高,保證了黃河安瀾。但是,調(diào)水調(diào)沙使得黃河主河槽下切,同等流量下,水位下降,灌區(qū)引水能力下降,黃河小流量(小于200 m3∕s)的情況下,灌區(qū)面臨無(wú)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(guò)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(jù)齊馮和蘭家大斷面推測(cè)小開(kāi)河閘前河槽下切情況

        齊馮大斷面位于小開(kāi)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(diǎn)分別降低0.92、1.84 m。蘭家大斷面位于小開(kāi)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(diǎn)分別降低0.77、0.82 m,利用內(nèi)插法推算小開(kāi)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(diǎn)分別降低0.82、1.16 m[3]。

        由于小開(kāi)河引黃閘前沒(méi)有大河流量和水位觀測(cè)資料,選取距離最近的濼口、利津兩水文站的數(shù)據(jù)作為參考,內(nèi)插得到小開(kāi)河引黃閘前流量和水位。相較2000年,2017年引黃涵閘設(shè)計(jì)引黃流量對(duì)應(yīng)的濼口水位下降了1.86 m,利津水位下降了1.57 m,小開(kāi)河引黃閘前水位下降了1.67 m。

        3.2 引水含沙量分析

        根據(jù)2016—2020年小開(kāi)河灌區(qū)渠首含沙量變化圖1可以看出,小開(kāi)河引黃閘渠首含沙量呈逐年增大趨勢(shì),除每年6、7月,大部分時(shí)間維持在10 kg∕m3以下。含沙量最小出現(xiàn)在2016年3月3日,為0.211 kg∕m3,此時(shí)濼口流量188 m3∕s、利津流量111 m3∕s、小開(kāi)河閘前黃河推算流量139.4 m3∕s、小開(kāi)河引黃閘實(shí)際引水量5.83 m3∕s。含沙量最大出現(xiàn)在2020年9月7日,為38.04 kg∕m3,此時(shí)濼口流量3 720 m3∕s、利津流量3 610 m3∕s、小開(kāi)河閘前黃河推算流量3 650.5 m3∕s、小開(kāi)河引黃閘實(shí)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(diào)水調(diào)沙期間)更加明顯。也有研究表明,小開(kāi)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(lái)小開(kāi)河引黃閘引水含沙量過(guò)高[4]。

        圖1 2016—2020年小開(kāi)河灌區(qū)渠首含沙量變化

        3.3 泥沙顆粒分析

        小浪底水庫(kù)投入運(yùn)行之后,黃河下游河道長(zhǎng)期處于沖刷狀態(tài),水流中所挾帶的泥沙粒徑呈明顯的變粗趨勢(shì)。黃河泥沙公報(bào)統(tǒng)計(jì)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(kāi)河灌區(qū)2008 年設(shè)立泥沙實(shí)驗(yàn)室,2013 年購(gòu)置馬爾文激光粒度分析儀,每次引水都對(duì)含沙量和泥沙粒徑進(jìn)行分析,根據(jù)2015—2020 年灌區(qū)6 a 測(cè)點(diǎn)平均泥沙中值粒徑D50統(tǒng)計(jì)表3 可看出,渠首泥沙中值粒徑D50 遠(yuǎn)大于黃河河道內(nèi)泥沙粒徑D50,原因是小開(kāi)河引黃閘河勢(shì)變化主要受上游32號(hào)壩頭的影響,32號(hào)壩頭伸進(jìn)主河道45 m,當(dāng)黃河水經(jīng)過(guò)32號(hào)壩頭到達(dá)小開(kāi)河閘前時(shí)極易產(chǎn)生豎軸環(huán)流,縱向主流與環(huán)流的水體發(fā)生置換,挾沙能力降低,閘前粗顆粒淤積,引水時(shí)粗沙隨水流進(jìn)入渠道,造成灌區(qū)渠道內(nèi)泥沙粒徑遠(yuǎn)大于黃河河道內(nèi)泥沙粒徑。

        表3 2015—2020年泥沙顆粒平均中值粒徑(D50)統(tǒng)計(jì) μm

        3.4 挾沙能力計(jì)算

        為進(jìn)一步證明灌區(qū)渠首淤積存在的事實(shí),采用“山東省水科所《引黃襯砌渠道遠(yuǎn)距離輸沙及清淤技術(shù)研究》報(bào)告”上所推薦的“襯砌引黃渠道遠(yuǎn)距離挾沙能力公式”進(jìn)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(duì)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(qū)渠首取1∕5 500。

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

        將2020 年2—9 月每次引水采樣測(cè)得的泥沙粒徑D50 代入上述公式計(jì)算得到挾沙能力,與相對(duì)應(yīng)水樣的實(shí)測(cè)含沙量進(jìn)行比較,結(jié)果詳見(jiàn)表4。從計(jì)算所得含沙量與挾沙能力之比可知,從3 月底開(kāi)始比值大于1,說(shuō)明引水開(kāi)始大量落淤,渠道淤積不斷增加,7 月由于黃河調(diào)水調(diào)沙,比值最大為942%,說(shuō)明渠道淤積速度快且特別嚴(yán)重。

        表4 小開(kāi)河灌區(qū)渠首泥沙D50含沙量與挾沙能力對(duì)比

        4 對(duì)策

        為緩解灌區(qū)引水能力下降及渠道淤積嚴(yán)重的問(wèn)題,提出以下4種方案進(jìn)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(duì)原小開(kāi)河引黃閘拆除改建,改建基本上是按原位置、原規(guī)模、原走向布置,閘底板高程結(jié)合設(shè)計(jì)引水位、現(xiàn)狀引水閘底板高程等因素綜合確定。根據(jù)《黃河下游引黃涵閘改建工程可行性研究報(bào)告》分析,在綜合考慮前3 a平均水位下,小開(kāi)河引黃閘若保證60 m3∕s 引水流量,則設(shè)計(jì)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(guò)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(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,以適應(yīng)閘底板高程的降低。此方案下供水能力由原來(lái)的32.2% 左右提高至100%,小開(kāi)河引黃閘引水能力可以恢復(fù)到原閘設(shè)計(jì)引水能力。此方案最大缺點(diǎn)為灌區(qū)引黃閘后渠系及配套建筑物均已建成,再改變渠底高程,無(wú)異于重新建設(shè),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(shè)一座固定泵站,泵站采用閘泵結(jié)合的結(jié)構(gòu)方式。在高水位時(shí),通過(guò)自流孔引流,自流孔設(shè)計(jì)引水流量與引黃閘相同,為60 m3∕s,低水位時(shí)開(kāi)啟水泵提水到下游渠道。閘后泵站設(shè)計(jì)流量采用40 m3∕s,供水能力由原來(lái)的32.2% 提高到66.7%。此方案在引黃閘后建設(shè)固定泵站,需重新占用大量基本農(nóng)田,遷占難度較大。

        4.3 引黃閘前建設(shè)移動(dòng)泵站方案

        移動(dòng)泵站作為固定泵站的重要補(bǔ)充,在防洪排澇、應(yīng)急調(diào)水、圍堰抽水等方面發(fā)揮了重要作用,目前黃河下游已建移動(dòng)泵站的有人民勝利渠渠首移動(dòng)泵站和邢家渡引黃閘閘前移動(dòng)式應(yīng)急泵站等。小開(kāi)河引黃閘前移動(dòng)泵站型式設(shè)計(jì)采用浮船式泵站,由于閘前引水流道最長(zhǎng)只有100 m,只能布置2 艘浮船,參考其他灌區(qū)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),每艘浮船安裝2臺(tái)潛水軸流泵,單泵設(shè)計(jì)流量6 m3∕s,泵站總設(shè)計(jì)流量24 m3∕s。此方案引水能力只能提升到原設(shè)計(jì)引水能力的40%,提升效果較差。

        4.4 引黃閘前建設(shè)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(dǎo)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(jì)南黃河河務(wù)局的北店子閘、胡家岸閘以及河口黃河河務(wù)局的宮家閘、王莊閘等。小開(kāi)河引黃閘前初步設(shè)計(jì)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(cè)。自流閘設(shè)計(jì)流量60 m3∕s,泵站設(shè)計(jì)流量40 m3∕s,選用6臺(tái)1400QZB-100 型潛水軸流泵。站前泵站工程建成后,泵站設(shè)計(jì)流量40 m3∕s,引水能力由原來(lái)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(rèn)為引黃閘前建設(shè)固定泵站方案是解決灌區(qū)引水能力下降的根本措施。由于小開(kāi)河灌區(qū)配套工程已完成,無(wú)法降低渠系高程,因此只能采取建設(shè)泵站的方法,提高運(yùn)行水位。建設(shè)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(shí)也能及時(shí)滿足生活和工業(yè)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。

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