史立紅，王云輝，王思勤，趙立杰，付文國

（1.濱州市引黃灌溉服務中心，山東濱州256600；2.濱州市自然資源和規(guī)劃局高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)分局，山東濱州256623；3.濱州市水利資源開發(fā)建設中心，山東濱州256600）

0 引言

小開河引黃灌區(qū)位于山東省北部，黃河下游左岸，是全國大型灌區(qū)之一。灌區(qū)涉及濱州市的濱城區(qū)、惠民縣、陽信縣、沾化區(qū)、無棣縣、北海新區(qū)共6 個縣（區(qū)），設計灌溉面積110 萬畝。灌區(qū)運行初期，高水位大流量引水、長距離輸沙設計合理，其成功運行經驗被多家科研單位試驗論證并推廣［1］。但隨著黃河調水調沙造成閘前河底高程降低，高含沙量引水使輸沙渠和沉沙池淤積嚴重，使得引水能力降低、運行管理費用增加、灌區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化［2］，是影響灌區(qū)高質量發(fā)展的不利因素。為落實“黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展”理念，實施“山水林田湖草沙”綜合治理，以黃河下游山東小開河引黃灌區(qū)為例，針對存在的水、沙問題，研討分析對策措施，力圖解決引水不足、輸水渠淤積難題，同時維護沉沙池生態(tài)，利用泥沙進行鹽堿化改良［3-4］，以實現(xiàn)高質量發(fā)展，為灌區(qū)實施現(xiàn)代化改造提供指引。

1 基本情況

1.1 灌區(qū)概況

小開河灌區(qū)引黃閘建于1994年，為6 孔3 m×3 m 的鋼筋混凝土箱涵，閘底板高程12.63 m，設計引水流量60 m3/s，加大引水流量85 m3/s。灌區(qū)干渠全長94.2 km，初始設計采取長距離輸沙，自上而下為：輸沙渠51.3 km，沉沙池4.16 km，輸水渠38.7 km。上游段輸沙渠全斷面襯砌18.014 km，僅占38%。設計流量分別為60 m3/s（0+000～38+000）和40 m3/s（38+000～51+300）；沉沙池未襯砌；下游段輸水渠邊坡全部襯砌，渠底防滲襯砌28.5 km，設計流量30 m3/s。支渠86 條，總長365 km，完成防滲46.6 km。灌區(qū)干渠右岸堤壩為管理道路，全長94.2 km，其中運行完好的瀝青硬化道路33 km。灌區(qū)平面圖見圖1。

1.2 渠首引水變化

小開河灌區(qū)引黃閘設計引水流量60 m3/s，年設計引水3.93億m3，至2020年灌區(qū)累計引水量64.54 億m3，年均引水2.8 億m3。1998-2020年實際引水量、年均引水流量及年最大引水流量變化情況見圖2。

圖2 小開河引黃灌區(qū)歷年引水量及流量統(tǒng)計圖Fig.2 The statistical chart of annual water diversion and discharge in Xiaokaihe Irrigation Area

依據圖2，并結合運行實際，做如下分析：年引水總量由獲批的年引水計劃確定，依靠增加引水時間來保證供水，故灌區(qū)年引水總量無明顯大的波動。但渠首引水能力已顯現(xiàn)減弱趨勢，最大引水量的變化趨勢線總體下降，由70～80 m3/s下降到近幾年的50 m3/s 左右，自2016年后再未超過60 m3/s。年均引水流量也呈下降趨勢。

1.3 輸沙渠清淤變化

引水能力的大小直接影響著輸沙渠的正常運行、生態(tài)環(huán)境，是灌區(qū)高質量發(fā)展的制約因素。截止2020年底，輸沙渠累計清淤266.89 萬m3。其歷年清淤情況見圖3。

2002年黃河調水調沙試驗成功后，自2005年起每年實施，對灌區(qū)影響逐步顯現(xiàn)。從圖3 可以看出，1999-2010年輸沙渠不需清淤，灌區(qū)正常運行。2011年進行過一次較大規(guī)模即全長范圍內的清淤，2013年起每年清淤，渠首上游段（0+000～8+467）屬淤積嚴重區(qū)，2015年、2019年各清淤3 次，2020年清淤2次，且2019年、2020年淤積明顯增大，分別為74.6 萬m3和48.77萬m3。

圖3 1999-2020年輸沙渠清淤量Fig.3 The desilting volume of sediment transport from 1999 to 2020

1.3 沉沙池清淤變化

沉沙池總長4.155 km，由進口連接段、擴散段、等寬段和收縮段組成，占地面積126.58 hm2，呈梭形。沉沙池一直采取以挖待沉的方式處理泥沙，已累計清淤833.88 萬m3。沉沙池遙感影像及歷年清淤情況見圖4。

從圖4（b）可以看出，沉沙池每年清淤40 萬m3左右，但2019年、2020年清淤量比往年增加約25%～50%，此數量可使棄土區(qū)高度增高1 m/a，若僅靠棄土區(qū)放置且無外運，5年后將無以為繼。

圖4 沉沙池遙感影像及清淤量圖Fig.4 The remote sensing image and desilting volume of channeland desilting basin

2 面臨的主要問題

黃河委員會采取“調水調沙”科學方略，以解決河床的淤積，增大主槽的行洪能力，再加上近幾年優(yōu)化黃河水資源配置，從國家層面、長遠效益考慮勢在必行［5］。盡管小開河灌區(qū)設計合理，卻已不適應當前引水自然條件和水資源節(jié)約保護的政策要求，出現(xiàn)了一些影響灌區(qū)高質量發(fā)展的新問題。

（1）引水口下切，引水流量減少，引水泥沙增大。黃河調水調沙致使引黃閘前河底高程不斷降低［6］，閘前水位已累計下降2.14 m，改變了原設計引水條件，年最大引水流量降低。為適應引水位減低，閘前攔沙坎被迫拆除，致使引沙量增大。2019年，從國家層面貫徹落實黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展，黃河管理部門對引黃指標管控限制愈加嚴格，灌區(qū)很難再有大于60 m3/s 引水。小開河灌區(qū)徹底不具備初建時“大流量、遠距離”的引水、輸沙條件，而“小流量—長流水”模式不符合水資源優(yōu)化配置要求。

（2）輸沙距離上移，輸沙渠淤積嚴重。流速大小直接決定攜沙能力。小流量引水造成輸沙渠淤積，而淤積又使得渠道過水斷面縮小，引水流量超過30 m3/s 就會有漫堤的危險；根據灌區(qū)含沙量測定試驗數據，黃河泥沙中值粒徑由設計時的0.025 mm 變?yōu)楫斍暗慕?.1 mm，水流挾沙能力大幅下降，尤其黃河流量過大時，干渠含沙量也成倍增大，大量粗粒徑泥沙在輸沙渠極易淤積。近年來，輸沙渠上游段淤積一直是困擾灌區(qū)管理的難題。

（3）清淤工作量大增，淤沙出路受限。輸沙渠原設計未預留清淤棄土區(qū)，清淤棄土臨時堆放左堤頂，現(xiàn)其上游段棄土高達4～5 m，完全占據整個堤頂，因場地狹窄無法繼續(xù)堆高且難以外運。每遇大風，沿線塵土飛揚，環(huán)境惡劣，與生態(tài)化、現(xiàn)代化灌區(qū)標準相差甚遠［7］。

（4）沉沙池功能性廢棄趨勢明顯，環(huán)境脆弱性凸顯。灌區(qū)的引水、配水、輸沙、沉沙本應是一個協(xié)調運行的有機整體，但引沙量增加使沉沙池功能發(fā)揮與當前灌區(qū)運行條件不匹配。運行初期的沉沙池清淤土是改良周邊低洼鹽堿地的有利資源，而當前土地改良基本完成，棄土利用率降低。隨著清淤積累，棄土區(qū)可持續(xù)堆放空間愈來愈小，對沉沙池及周邊面臨生態(tài)破壞壓力。

（5）管理運行機制創(chuàng)新不足，監(jiān)管措施單一落后。灌區(qū)缺乏統(tǒng)一管理和業(yè)務指導，灌區(qū)運管辦只負責干渠管理，支渠及以下渠系由縣（區(qū)）管理，由于技術力量和管護資金缺乏，灌區(qū)干渠以下管理相對薄弱；灌區(qū)信息化建設與業(yè)務應用結合尚不充分，掌握土壤含水量［8］、優(yōu)化種植結構［9］、配水調度、用水管理智慧決策支持系統(tǒng)建設有待進一步加強。

總之，灌區(qū)受工程客觀條件及落實國家水資源管控制度要求雙重制約，渠首引水能力逐步衰減，遠距離輸沙已難以實現(xiàn)。在國家層面要求加強黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展的形勢下，探討灌區(qū)下一步運行對策勢在必行。

3 推動高質量發(fā)展的對策措施

（1）優(yōu)化取水工程方案，減少泥沙引入量。源頭治理，改造渠首，以提高供水保障。張林忠［10，11］等根據黃河下游有關涵閘改建資料并結合模型試驗研究成果，提出了新建閘前固定泵站改造方案。在原引黃閘前新建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。自流閘設計流量60 m3/s，泵站設計流量35 m3/s，在黃河水位不滿足自流引水時采用泵站提水，以滿足在調水調沙影響下灌區(qū)用水需要。2021年3月，由黃河水利委員會黃河水利科學研究院通過分析研究擬定改建引黃閘方案閘址處的河道特點、河段河勢、閘前流場、河床演變、徑流泥沙、及其與水利水電工程、水文測驗設備的關系，對擬選3 處閘位進行了比選，最終推薦“蘭家險工21～22 號垛間”為推薦閘位。以上渠首改造方案未能列入“十四五”規(guī)劃，需獲得黃河委員會批準后單獨作為一個項目申報。

（2）合理規(guī)劃渠系布局，分散處理泥沙淤積。在輸配水上分散處理，減少干渠堆土。合理規(guī)劃引、輸、沉、淤工程位置，建立與渠首引水工程改造相對應的輸沙渠優(yōu)化改造方案并科學調配，從上游將泥沙輸送到下級渠道和農田中去，為沉沙池減少淤積壓力［11］。輸沙渠左岸棄土高達4～5 m因缺乏專門的載重汽車道路無法運出，使周邊環(huán)境惡化，靠反復覆蓋防塵網這種臨時措施不能從根本上解決問題，可考慮建設泥沙外運通道，解決清淤棄土堆放困難的問題。

（3）優(yōu)化濕地布局，提升清淤效能。引水、沉沙是沉沙池濕地形成和演替的主要因素。沉沙池進口連接段和擴散段總長1 700 m，平面形態(tài)由50 m 加大至320 m，水流速度0.038 m/s，大量泥沙在此段沉積。出口收縮段長655 m，比降-1/1074。整個布局使泥沙盡量在沉沙池中淤積且自上而下遞減分布。沉沙池下部，少量泥沙不斷沉積并與原低洼鹽化潮土形成或分片或分層的空間分布，成為盆景式沙洲，演變成了水利型人工濕地，部分沉沙區(qū)生長的水生植物、底棲動物和浮游生物構建成了一條相對較短的食物鏈，成為多種水鳥的棲息地［12］。以上布局形成了以上游擴散段淤積量最大且水生植物較少的“清淤重點區(qū)”。清淤時，在清淤區(qū)和非清淤區(qū)填筑施工分隔圍堰，將水排至非清淤區(qū)，以確保水生物的生存空間；其次，將沉沙池與周邊水系連通，對周邊水系同步拓寬和疏浚。當周邊的地表水、地下水和灌溉退水流入濕地區(qū)時，即形成了濕地水系的水循環(huán)流動，同時水生植物可吸附水中重金屬和大量營養(yǎng)物，達到改善濕地水質目的［13］；對清淤棄土區(qū)進行網格化筑堤，既是排淤圍堰，又可作綠化平臺，構建起喬木、灌木及草本植物的立體防護體系［14］。

（4）多渠道開發(fā)利用路徑，充分利用淤沙資源。沉沙池中相對較細的泥沙還可作為制磚的原材料［15］。不斷發(fā)展泥沙資源的持續(xù)利用，可考慮與當地磚窯廠簽署合作協(xié)議，加強泥沙制磚的技術研究和推廣應用，并爭取政府對黃河泥沙資源利用的政策支持。為附近區(qū)域高速公路等基礎設施建設提供路基用土，達到資源化利用。

（5）管道加壓輸沙，改善區(qū)域土地品質。沉沙池周邊地勢低洼鹽堿荒地多。灌區(qū)通水初期，利用每年的清淤泥沙淤改土地，現(xiàn)已改造土地100 hm2，具有比較成熟的淤改經驗?？衫^續(xù)拓展空間布局，發(fā)揮灌區(qū)在北部重鹽堿地改良和河湖水系生態(tài)用水調劑方面的重要作用。隨著當地經濟的蓬勃發(fā)展，土地資源日漸枯竭，向沿海灘涂要地、鹽堿地治理等導致輸沙工程向遠距離化發(fā)展成為可能。探討沉沙池遠距離管道輸沙技術方案，即利用壓力管道將多臺泥漿泵串聯(lián)起來，來提高泥沙的輸送距離，將泥漿分別送至沉沙池周邊0～2 km 范圍內洼地以及40 km外的北海新區(qū)淤區(qū)。

（6）加強用水監(jiān)管，提高用水效率。山東省為落實黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展，針對沿黃地市水資源緊缺和農業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，利用專項債實施引黃灌區(qū)農業(yè)節(jié)水工程。利用這一契機，按照現(xiàn)代化灌區(qū)建設標準，提高干渠、支渠襯砌率以防滲節(jié)水及增大攜沙能力；發(fā)展田間高效節(jié)水，積累冬棗種植區(qū)水肥一體化滴灌系統(tǒng)示范項目的技術經驗，盡快推廣應用，實現(xiàn)管灌、滴灌規(guī)?；?6-18］；實施各級分水口計量設施安裝，達到控水、測水、數據傳輸智能化；科學調控水沙，采取速灌速停、引蓄結合和根據黃河來水情況避免高含沙時段引水等；深入開展用水計量配套機制建設及灌區(qū)農業(yè)水價綜合改革。建立基層農民用水組織，激勵用水戶參與灌區(qū)管理；加速推進灌區(qū)標準化規(guī)范化管理，提高灌區(qū)管理人員業(yè)務素質和能力。從上述工程措施和管理措施入手，才能提高用水效率，向現(xiàn)代化、生態(tài)化灌區(qū)邁進。

4 結語

黃河下游引黃灌區(qū)的大量泥沙引進，加大灌區(qū)運行費用，影響供水安全，而且治理不好還會引發(fā)灌區(qū)土壤沙化、排水河道淤積、土地鹽堿化等一系列生態(tài)與環(huán)境問題，影響灌區(qū)的高質量發(fā)展。小開河灌區(qū)在應對水少沙多的實踐探索中，若通過合理調控，達到水的生態(tài)效益與經濟效益并存是可實現(xiàn)的。□