丁殿滨，庞启航，邱 晨

（滨州市引黄灌溉管理服务中心，山东 滨州 256600）

1 引言

自2002 年开始，黄河调水调沙已进行20 次，有28.8 亿t 黄河泥沙排入大海。特别是黄委2020 年防御大洪水实战演练，自6月24日开始，至7月10日结束，历时17 d，黄河最大下泄流量5 500 m3∕s，下游主河槽最小过水能力提高到5 000 m3∕s以上，极大拓展了黄河下游防洪空间，提高了黄河防汛安全水平。但是，随着黄河调水调沙的不断进行，黄河下游河床不断刷深，截止目前，主河槽最大刷深已达2 m 以上[1]，给沿黄灌区引水带来极大困难，引水困难已成为制约当地经济发展的瓶颈。本文以山东省滨州市小开河引黄灌区为例，详细分析黄河调水调沙后小开河引黄闸前黄河主河槽刷深导致灌区引水能力降低现状，并根据灌区近年来含沙量和泥沙粒径实测资料，运用挟沙能力公式计算进行了验证。同时，根据4种方案比较，提出了有针对性的建议。

2 小开河引黄灌区引水能力现状

2.1 小开河引黄灌区基本情况

滨州市小开河引黄灌区位于山东省北部、黄河下游左岸，纵贯滨州市中部，是国家大（2）型引黄灌区。引黄闸位于黄河大坝桩号253+690 处，设计流量60 m3∕s，设计底板高程12.63 m，设计引水位14.83 m。灌区设计灌溉面积7.3 hm2，灌渠全长94.2 km，分为输沙渠51.3 km、沉沙池4.2 km、输水渠38.7 km，于1998 年建成通水，至2010 年输沙渠基本维持冲淤平衡。但近几年来，随着黄河进行调水调沙，黄河主河槽下切，造成灌区引水能力持续降低；同时，黄河来水来沙条件发生变化，极易造成灌区淤积，致使灌区供水保证率大幅下降，严重影响灌区正常效益的发挥。

2.2 小开河引黄灌区引水达不到设计流量

2.2.1 受黄河水小限制，达不到设计流量

从近5 a 引水情况看，每年用水高峰在2—4 月春灌期间，由小开河灌区2016—2020年1—4月引水情况统计表1 可以看出，在1、2 月期间，由于黄河来水较少，小开河引黄闸前水位远不能达到设计水位，此期间即使黄河部门不对引水指标控制，引水流量也很少。如，2016 年1、2 月最大引水流量仅为8.41 m3∕s，为设计引水流量14%，根本无法满足灌区用水需求。

表1 小开河灌区2016—2020年1—4月引水情况统计

2.2.2 受引水指标限制，达不到设计流量的原因

近5 a，到了3、4 月，由于黄河管理部门采取调控措施，控制引水指标，闸前水位在逐渐接近设计水位的情况下，灌区困于引水指标受限，依然无法达到设计流量运行。如，2018 年黄河来水较好，小浪底水库按800 m3∕s下泄，灌区平均引水流量19.52 m3∕s，仅为设计引水流量的32.5%。

由此，灌区在每年的春灌期间陷入“前期引不出，后期不让引”的困境。

2.3 干渠淤积严重

小开河引黄灌区渠首附近地势较高，为一狭长地带，东西平均宽仅3.5 km，且村庄密集，无沉沙条件。为此，输沙干渠设计采用大比降、远距离输沙模式，沉沙池设在距渠首51.3 km 的灌区中下游，干渠具有防冲刷、防淤积等功能。从1998年通水至2010年灌区运行看，干渠基本冲淤平衡，从2011 年开始干渠出现淤积，特别是上游8.5 km淤积特别严重，每年至少1 次清淤。2015 年进行了3 次清淤，分别在6、7、11 月。2020 年进行了4 次清淤。2018、2020 年清淤量均超过30 万m3，严重影响了灌区引水能力，详见表2。

表2 小开河灌区2015—2020年干渠清淤统计

3 引水能力降低的主要原因

从2002 年7 月开始黄河进行调水调沙，至今已经20 次，调水调沙使黄河下游主河槽全线冲刷，河道过流能力明显提高，保证了黄河安澜。但是，调水调沙使得黄河主河槽下切，同等流量下，水位下降，灌区引水能力下降，黄河小流量（小于200 m3∕s）的情况下，灌区面临无水可引的境况；下游河道床沙粗化明显，D50（泥沙中值粒径）已较过去增大1 倍以上[2]，挟沙能力明显降低，干渠极易淤积。

3.1 根据齐冯和兰家大断面推测小开河闸前河槽下切情况

齐冯大断面位于小开河引黄闸上游4 km 处，2008、2018年主河槽平均河底高程比2002年分别降低0.83、1.7 m，主河槽下深泓点分别降低0.92、1.84 m。兰家大断面位于小开河引黄闸下游2 km 处，2008、2018 年主河槽平均河底高程比2002 年分别降低1.03、2.06 m，主河槽下深泓点分别降低0.77、0.82 m，利用内插法推算小开河引黄闸前黄河2008、2018 年主河槽平均河底高程比2002年分别降低0.96、1.94 m，主河槽下深泓点分别降低0.82、1.16 m[3]。

由于小开河引黄闸前没有大河流量和水位观测资料，选取距离最近的泺口、利津两水文站的数据作为参考，内插得到小开河引黄闸前流量和水位。相较2000年，2017年引黄涵闸设计引黄流量对应的泺口水位下降了1.86 m，利津水位下降了1.57 m，小开河引黄闸前水位下降了1.67 m。

3.2 引水含沙量分析

根据2016—2020年小开河灌区渠首含沙量变化图1可以看出，小开河引黄闸渠首含沙量呈逐年增大趋势，除每年6、7月，大部分时间维持在10 kg∕m³以下。含沙量最小出现在2016年3月3日，为0.211 kg∕m³，此时泺口流量188 m³∕s、利津流量111 m³∕s、小开河闸前黄河推算流量139.4 m³∕s、小开河引黄闸实际引水量5.83 m³∕s。含沙量最大出现在2020年9月7日，为38.04 kg∕m³，此时泺口流量3 720 m³∕s、利津流量3 610 m³∕s、小开河闸前黄河推算流量3 650.5 m³∕s、小开河引黄闸实际引水量35.15 m³∕s。含沙量大小随黄河流量变化而变化，一般情况下，含沙量随黄河流量增大而增大，在每年6、7 月（调水调沙期间）更加明显。也有研究表明，小开河引黄闸后渠首含沙量与黄河主流含沙量的比值（也称引沙比）在100%～300% 的频率最高，占69.2%，由此看出近年来小开河引黄闸引水含沙量过高[4]。

图1 2016—2020年小开河灌区渠首含沙量变化

3.3 泥沙颗粒分析

小浪底水库投入运行之后，黄河下游河道长期处于冲刷状态，水流中所挟带的泥沙粒径呈明显的变粗趋势。黄河泥沙公报统计资料显示，花园口以下高村、艾山、利津多年悬沙平均中值粒径D50分别为0.019、0.021、0.019 mm；2009 年则大幅度变粗为0.038、0.035、0.034 mm[5]。小开河灌区2008 年设立泥沙实验室，2013 年购置马尔文激光粒度分析仪，每次引水都对含沙量和泥沙粒径进行分析，根据2015—2020 年灌区6 a 测点平均泥沙中值粒径D50统计表3 可看出，渠首泥沙中值粒径D50 远大于黄河河道内泥沙粒径D50，原因是小开河引黄闸河势变化主要受上游32号坝头的影响，32号坝头伸进主河道45 m，当黄河水经过32号坝头到达小开河闸前时极易产生竖轴环流，纵向主流与环流的水体发生置换，挟沙能力降低，闸前粗颗粒淤积，引水时粗沙随水流进入渠道，造成灌区渠道内泥沙粒径远大于黄河河道内泥沙粒径。

表3 2015—2020年泥沙颗粒平均中值粒径（D50）统计 µm

3.4 挟沙能力计算

为进一步证明灌区渠首淤积存在的事实，采用“山东省水科所《引黄衬砌渠道远距离输沙及清淤技术研究》报告”上所推荐的“衬砌引黄渠道远距离挟沙能力公式”进行挟沙能力演算。

式中：ω为泥沙颗粒平均沉速（m∕s）；n为衬砌渠道糙率，对全断面衬砌渠道取0.014；R为水力半径（m）；J为渠底比降，灌区渠首取1∕5 500。

泥沙沉速ω 由泥沙粒径与沉降速度关系表（原理为岗恰洛夫公式）通过内插法可得。

将2020 年2—9 月每次引水采样测得的泥沙粒径D50 代入上述公式计算得到挟沙能力，与相对应水样的实测含沙量进行比较，结果详见表4。从计算所得含沙量与挟沙能力之比可知，从3 月底开始比值大于1，说明引水开始大量落淤，渠道淤积不断增加，7 月由于黄河调水调沙，比值最大为942%，说明渠道淤积速度快且特别严重。

表4 小开河灌区渠首泥沙D50含沙量与挟沙能力对比

4 对策

为缓解灌区引水能力下降及渠道淤积严重的问题，提出以下4种方案进行分析比较。

4.1 引黄闸拆除重建+闸后渠系配套改建方案

此方案对原小开河引黄闸拆除改建，改建基本上是按原位置、原规模、原走向布置，闸底板高程结合设计引水位、现状引水闸底板高程等因素综合确定。根据《黄河下游引黄涵闸改建工程可行性研究报告》分析，在综合考虑前3 a平均水位下，小开河引黄闸若保证60 m3∕s 引水流量，则设计闸底板高程取11.1 m，较原闸闸底板高程12.63 m 降低1.53 m，为保证闸后渠道过流能力，闸后输沙渠、沉沙池、输水渠、骨干建筑物等底高程须进行相应调整，以适应闸底板高程的降低。此方案下供水能力由原来的32.2% 左右提高至100%，小开河引黄闸引水能力可以恢复到原闸设计引水能力。此方案最大缺点为灌区引黄闸后渠系及配套建筑物均已建成，再改变渠底高程，无异于重新建设，施工难度大、投资大。

4.2 引黄闸拆除重建+新建闸后固定泵站方案

此方案引黄闸重建底高程与前一方案相同，闸后泵站是在新建引黄闸海漫段后建设一座固定泵站，泵站采用闸泵结合的结构方式。在高水位时，通过自流孔引流，自流孔设计引水流量与引黄闸相同，为60 m3∕s，低水位时开启水泵提水到下游渠道。闸后泵站设计流量采用40 m3∕s，供水能力由原来的32.2% 提高到66.7%。此方案在引黄闸后建设固定泵站，需重新占用大量基本农田，迁占难度较大。

4.3 引黄闸前建设移动泵站方案

移动泵站作为固定泵站的重要补充，在防洪排涝、应急调水、围堰抽水等方面发挥了重要作用，目前黄河下游已建移动泵站的有人民胜利渠渠首移动泵站和邢家渡引黄闸闸前移动式应急泵站等。小开河引黄闸前移动泵站型式设计采用浮船式泵站，由于闸前引水流道最长只有100 m，只能布置2 艘浮船，参考其他灌区设计经验，每艘浮船安装2台潜水轴流泵，单泵设计流量6 m3∕s，泵站总设计流量24 m3∕s。此方案引水能力只能提升到原设计引水能力的40%，提升效果较差。

4.4 引黄闸前建设固定泵站方案

闸前泵站工程是缓解黄河下游因河床下切导致引黄闸引水困难的有效途径。目前，黄河下游已建闸前泵站的有济南黄河河务局的北店子闸、胡家岸闸以及河口黄河河务局的宫家闸、王庄闸等。小开河引黄闸前初步设计方案为，泵站及自流闸采取垂直水流方向布置，由连接段、自流闸、泵室、出水池、箱式变电站等部分组成。自流闸位于中间，泵室分列两侧。自流闸设计流量60 m3∕s，泵站设计流量40 m3∕s，选用6台1400QZB-100 型潜水轴流泵。站前泵站工程建成后，泵站设计流量40 m3∕s，引水能力由原来的32.2%提高到67%，供水保证率大幅提高[6]。

分析比较上述4 种方案，认为引黄闸前建设固定泵站方案是解决灌区引水能力下降的根本措施。由于小开河灌区配套工程已完成，无法降低渠系高程，因此只能采取建设泵站的方法，提高运行水位。建设闸前泵站，引用黄河表层水，可以降低引沙量、减少渠系淤积，在黄河水量较小时也能及时满足生活和工业用水、提高供水保证率，还可以形成人造“洪峰”冲刷渠首段淤积泥沙、减少清淤工程量。