梁祥金，張華巖，姚婭杰

(1.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450016;2.黃河水利委員會 新聞宣傳出版中心，河南 鄭州 450003;3.科興建工集團有限公司，河南 鄭州 450018）

河南省是全國重要的糧食生產(chǎn)大省,對保障國家糧食安全發(fā)揮重要作用。當(dāng)前,河南省內(nèi)已建立大型引黃灌區(qū)38處,引黃灌區(qū)已成為河南省重要的糧食生產(chǎn)基地。黃河泥沙含量大,引黃必然引沙。根據(jù)規(guī)范[1］及工程經(jīng)驗,引黃沉沙一般采取沉沙池集中沉沙的方式,但沉沙池占地面積大,隨著城市化進程的持續(xù)推進和環(huán)境保護的持續(xù)強化提升,沉沙池選址日益受限,征遷問題突出。沉沙池集中沉沙后泥沙清淤及泥沙利用難度大,環(huán)境問題日益突出,沉沙池運用情況不盡如人意。陳玉培等[2］對引黃入冀補淀工程中的2條條渠梭形集中式沉沙池方案進行比選,確定了沉沙池的位置、方案及規(guī)模。袁榆梁等[3］通過對引黃入冀補淀工程2018—2019年集中式沉沙池運行效果的分析,印證了集中式沉沙池使用效果較好,但對于分散沉沙未論及。馬愛忠等[4］指出位山灌區(qū)高水位、大流量、速灌速停輸水措施延長了沉沙池使用壽命,達到了遠(yuǎn)距離輸沙、分散沉沙的目的,效益顯著。胡健等[5］針對位山灌區(qū)沉沙池輸沙通道改造及減淤效果開展試驗研究,減輕沉沙池的泥沙淤積,延長沉沙池的使用年限,達到了灌區(qū)泥沙遠(yuǎn)距離輸送、分散沉沙的效果,因此引黃灌區(qū)采用分散沉沙方式有其實用價值和現(xiàn)實意義。筆者結(jié)合趙口引黃灌區(qū)二期工程的實際情況,經(jīng)分析論證,得出集中沉沙和分散沉沙均是可行的。在保證運行管理到位的前提下,采用分散沉沙方式可有效化解征遷矛盾,節(jié)省建設(shè)資金,基本滿足灌區(qū)的運行需要。該項研究結(jié)果已應(yīng)用于趙口引黃灌區(qū)二期工程規(guī)劃設(shè)計,目前趙口二期工程正在建設(shè)中,待竣工后將根據(jù)工程的運行情況,進一步研究分散沉沙效果。

1 工程概況

趙口引黃灌區(qū)始建于1970年,規(guī)劃設(shè)計灌溉面積39.13萬hm2,以趙口總干渠—運糧河—渦河為界,以西為一期工程,設(shè)計灌溉面積24.43萬hm2,以東為二期工程,設(shè)計灌溉面積14.7萬hm2。全灌區(qū)設(shè)計年引黃水量4.3億m3,一期工程1.9億m3,二期工程2.4億m3。

趙口引黃灌區(qū)原規(guī)劃7座沉沙池,其中Ⅰ號沉沙池采用自流沉沙及以挖待沉方案處理泥沙,其他沉沙池作為備用或堆沙區(qū)使用[6］。隨著城市建設(shè)與開發(fā),原規(guī)劃沉沙池地塊已調(diào)整為他用,選擇適宜的沉沙池位置難度很大。

隨著黃河上中游區(qū)域水土流失的持續(xù)改善,自小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙運用以來,中下游黃河泥沙含量逐年降低,黃河主槽下切嚴(yán)重,引黃口門的引黃能力逐年下降。趙口引黃灌區(qū)多年來以小流量引水為主,引黃泥沙一直分散沉積在各級輸水渠道上,運行管理中根據(jù)實際情況實時清淤。

2 總干渠現(xiàn)狀淤積及分析

2.1 總干渠現(xiàn)狀淤積情況調(diào)查

趙口引黃灌區(qū)目前采用沿渠分散沉沙,總干渠淤積情況如下:

(1)2014—2017年灌區(qū)共引黃河水5.241億m3,2017年總干渠渠首以下16.8 km清淤約17.40萬m3。

(2)2018年灌區(qū)全年引黃河水2.627億m3,經(jīng)對實際淤積情況測量,總干渠襯砌段渠首以下8.6 km淤積量為3.36萬m3。渠道中心淤積較薄、兩側(cè)較厚,形成過水主槽,平均淤積厚度0.145 m。

2.2 實際引水過程沉沙量計算

馬睿等[7］在研究黃河下游河道的沖淤變化中采用了準(zhǔn)二維水沙數(shù)學(xué)模型；鐘德鈺等[8］認(rèn)為多沙河流采用非恒定一維水沙模型,只要斷面間距合適、時間步長不大,就可滿足精度要求；張防修等[9］采用一維非恒定水沙數(shù)學(xué)模型構(gòu)建黃河下游河道沖淤模型,計算精度滿足要求。綜合考慮,本文采用一維非恒定水沙數(shù)學(xué)模型,模擬不同引黃水沙過程在灌區(qū)渠道內(nèi)分段沖淤情況。

趙口引黃灌區(qū)總干渠渠首引黃閘距離黃河花園口站28.5 km,有關(guān)泥沙資料采用花園口站資料。根據(jù)2014—2018年總干渠實際引水過程,采用對應(yīng)年月的花園口站實測含沙量(見表1)及泥沙級配統(tǒng)計數(shù)據(jù)(見表2)。

表1 花園口站實測月均、年均含沙量 kg/m3

表2 花園口站泥沙級配統(tǒng)計

數(shù)學(xué)模型的基本原理如下:水動力學(xué)控制方程采用一維圣維南方程組,泥沙輸移采用懸移質(zhì)泥沙運動方程和受泥沙沖淤影響的河床變形方程[9］。

一維圣維南方程組:

式中:Z為水位；Q為流量；A為斷面面積；B為水面寬度；g為重力加速度；Sf為摩阻坡度；t為時間；x為流程；ql為旁側(cè)入流(引水、損失等)單寬流量。

泥沙運動方程和河床變形方程:

式中:Si為斷面分組沙i含沙量；Si*為斷面分組沙水流挾沙力；ωi為分組沙沉速；Zbi為分組沙沖淤引起的河床高程變化；qls為單位流程上的側(cè)向輸沙率；γ′為泥沙干密度；αi為分組沙恢復(fù)飽和系數(shù)。

總干渠渠段泥沙淤積計算結(jié)果見表3。

表3 總干渠（樁號0+000—15+333）渠段淤積計算結(jié)果

2.3 實際淤積量與數(shù)值分析結(jié)果對比分析

2014—2017年總干渠清淤總量為17.40萬m3(16.8 km渠段),采用數(shù)學(xué)模型計算的淤積量為16.48萬m3。根據(jù)2018年全年引水后實測淤積斷面數(shù)據(jù),計算得到襯砌段淤積量為3.36萬m3,平均淤積厚度為0.145 m,采用數(shù)學(xué)模型計算淤積量為3.85萬m3,平均淤積厚度為0.164 m。

2014—2017年計算結(jié)果與實測清淤量剔除渠道長度不同的影響后,兩者相差4%,2018年引水過程數(shù)據(jù)中9月和10月只提供了引水量(共5800萬m3)和起始時間,計算時分配的天數(shù)可能與實際有偏差,計算結(jié)果與實測淤積量偏差約13%?？傮w看來,理論計算方法基本適用。

3 設(shè)計引水過程沉沙計算

3.1 基本資料

3.1.1 設(shè)計引水過程

根據(jù)趙口引黃灌區(qū)用水配置方案確定的設(shè)計年引黃總量為42532萬m3,引水58 d,引水時段分別在3月、4月、5月、7月、11月,見表4。

表4 趙口引黃灌區(qū)設(shè)計引水過程

3.1.2 泥沙資料

根據(jù)花園口站1981—2015年35 a的泥沙資料,小浪底水庫建設(shè)前1981—1991年平均含沙量為9.05 kg/m3,小浪底水庫建設(shè)期和運行初期1992—2004年平均含沙量為8.91 kg/m3,小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙期2005—2015年平均含沙量為1.87 kg/m3。由此可見,在小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙期,花園口站的含沙量一般較低,且粗顆粒含量不高(見表2)。但在小浪底水庫正常運用期,水庫下游河水實際泥沙含量會重新升高,但具體數(shù)值難以預(yù)測,考慮采用小浪底建庫前(1981—1991年)和調(diào)水調(diào)沙期(2005—2015年)的泥沙資料平均值來計算,引水平均含沙量為5.46 kg/m3,各月平均值見表5,泥沙顆粒組成采用小浪底水庫建成運行后的實測數(shù)據(jù)。

表5 花園口站實測的泥沙含量 kg/m3

計算采用的泥沙資料如下:短系列(2005—2015年),代表小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙期引黃含沙量；長系列(1981—2015年),代表小浪底水庫正常運用期引黃含沙量。

泥沙顆粒均采用小浪底水庫建成后花園口站數(shù)據(jù),分汛期和非汛期兩種級配,計算按時間段取用。

3.2 沉沙池集中沉沙分析

沉沙池緊鄰總干渠左岸,長度約5 km,占地面積263.73 hm2,分左右兩池,左池長4992 m,右池長3155 m,汛期引水需用較長的左池,兩池可輪流使用和清淤。

根據(jù)規(guī)范[1］及工程經(jīng)驗,沉沙池采用準(zhǔn)靜水沉降法的原理和方法進行計算(計算公式詳見規(guī)范,不再贅述)。采用短系列、長系列泥沙資料,集中沉沙計算結(jié)果見表6。

表6 集中沉沙計算結(jié)果

小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙期,渠首年引水量42532萬m3,引沙量57.43萬m3,沉入沉沙池48.10萬m3,最小沉沙效率0.84,出池水流含沙量0.07～0.92 kg/m3；小浪底水庫正常運用期,渠首年引水量42532萬m3,引沙量167.97萬m3,沉入沉沙池142.16萬m3,最小沉沙效率0.85,出池水流含沙量0.48～2.48 kg/m3。出池顆粒(粒徑小于0.05 mm)和沉沙效率(大于0.80)均滿足規(guī)范要求。

3.3 沿渠分散沉沙分析

分散沉沙計算方法采用一維非恒定水沙數(shù)學(xué)模型,均以設(shè)計引水過程按旬進行計算。

根據(jù)趙口二期灌區(qū)灌溉系統(tǒng)分別計算了總干渠、運糧河、東一干、東二干、朱仙鎮(zhèn)分干、陳留分干、石崗分干等渠段沉沙量。分散沉沙計算結(jié)果見表7、渠道平均淤積厚度見表8。

表7 分散沉沙計算結(jié)果 萬m3

表8 分散沉沙渠道平均淤積厚度 m

3.4 計算結(jié)果分析

(1)短系列。集中沉沙:沉沙池年淤沙量48.10萬m3,引黃沉沙率0.84,出口含沙量0.07～0.92 kg/m3,3 a清淤一次。出池水流含沙量較小,沉沙池以下的渠道基本不會再淤積泥沙,進入河道泥沙量相對較少。分散沉沙:年引沙量57.43萬m3,沉入渠系38.44萬m3(占67%),沉入河道(田間)18.99萬m3(33%),渠道年平均淤積厚度0.010～0.228 m。從結(jié)果上看,渠道平均淤積厚度在襯砌超高以下,從整體上可以說對渠道安全運行影響不大,可以采用渠道內(nèi)分散沉沙。但實際泥沙淤積分布差別較大,一般水閘、渠道彎道凸岸等流速相對較小的區(qū)域會淤積較厚,因此采用分散沉沙應(yīng)及時清淤,以保證正常運行。泥沙沉入河道(田間)18.99萬m3,因河道斷面相對較大,故總淤積厚度不大,但淤積不均勻,局部斷面可能存在淤堵現(xiàn)象,應(yīng)根據(jù)實際情況及時清淤,以保證正常排澇和行洪。

(2)長系列。集中沉沙:年淤沙量142.16萬m3,引黃沉沙率0.85,出池含沙量0.48～2.48 kg/m3,每年清淤一次。沉沙池以下的渠道基本不淤積,退水入河的含沙量較小,對河道影響也較小。分散沉沙:年引沙量167.97萬m3,沉入渠系115.19萬m3(占69%),沉入河道(田間)52.78萬m3(占31%),平均淤積厚度0.027～0.827 m。從結(jié)果上看,渠首8 km年平均淤積厚度達0.827 m,加上淤積分布不均,為保障過水能力和工程安全,必須根據(jù)情況隨時清淤；另外,從引水過程看,3月和5月引水流量達到設(shè)計規(guī)模,為保證安全,在引水之前需清淤,其他引水月份根據(jù)實際淤積情況確定。因此,采用分散沉沙方式時,須加強運行管理。

河道(田間)年淤積總量為52.78萬m3,且淤積分布不均勻,局部斷面可能存在淤堵現(xiàn)象,應(yīng)加強管理,根據(jù)實際淤積情況及時清淤,保證行洪排水通暢。

(3)經(jīng)濟比較。集中式沉沙池投資約2億元,分散沉沙無建設(shè)費用。運行管理費用,分散沉沙和集中沉沙的引沙量相同,沉入沉沙池與沉入渠道、河道的泥沙均需清淤,工程量基本相當(dāng),清淤費用相近。但分散沉沙清淤后泥沙分布范圍廣,便于渠道沿線消納。

從投資與運行管理費用上分析,分散沉沙優(yōu)于集中沉沙。

4 結(jié)語

從沉沙計算結(jié)果看,引黃灌區(qū)集中沉沙和分散沉沙均可。采用分散沉沙方式時灌區(qū)在管理上應(yīng)重點關(guān)注小浪底水庫運行情況,合理確定引水時間,避免高含沙量時段引水。在保證運行管理到位的前提下,采用分散沉沙方式可節(jié)省建設(shè)資金。

小浪底水庫正常運用期,水庫下游河水實際泥沙含量會升高,但具體數(shù)值難以預(yù)測。鑒于黃河來沙的不確定性,建議在小浪底水庫正常運用期結(jié)合渠首水流含沙量和分散沉沙的管理經(jīng)驗,再行論證是否采用沉沙池集中沉沙。