梁祥金，张华岩，姚娅杰

(1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016;2.黄河水利委员会 新闻宣传出版中心，河南 郑州 450003;3.科兴建工集团有限公司，河南 郑州 450018）

河南省是全国重要的粮食生产大省,对保障国家粮食安全发挥重要作用。当前,河南省内已建立大型引黄灌区38处,引黄灌区已成为河南省重要的粮食生产基地。黄河泥沙含量大,引黄必然引沙。根据规范[1］及工程经验,引黄沉沙一般采取沉沙池集中沉沙的方式,但沉沙池占地面积大,随着城市化进程的持续推进和环境保护的持续强化提升,沉沙池选址日益受限,征迁问题突出。沉沙池集中沉沙后泥沙清淤及泥沙利用难度大,环境问题日益突出,沉沙池运用情况不尽如人意。陈玉培等[2］对引黄入冀补淀工程中的2条条渠梭形集中式沉沙池方案进行比选,确定了沉沙池的位置、方案及规模。袁榆梁等[3］通过对引黄入冀补淀工程2018—2019年集中式沉沙池运行效果的分析,印证了集中式沉沙池使用效果较好,但对于分散沉沙未论及。马爱忠等[4］指出位山灌区高水位、大流量、速灌速停输水措施延长了沉沙池使用寿命,达到了远距离输沙、分散沉沙的目的,效益显著。胡健等[5］针对位山灌区沉沙池输沙通道改造及减淤效果开展试验研究,减轻沉沙池的泥沙淤积,延长沉沙池的使用年限,达到了灌区泥沙远距离输送、分散沉沙的效果,因此引黄灌区采用分散沉沙方式有其实用价值和现实意义。笔者结合赵口引黄灌区二期工程的实际情况,经分析论证,得出集中沉沙和分散沉沙均是可行的。在保证运行管理到位的前提下,采用分散沉沙方式可有效化解征迁矛盾,节省建设资金,基本满足灌区的运行需要。该项研究结果已应用于赵口引黄灌区二期工程规划设计,目前赵口二期工程正在建设中,待竣工后将根据工程的运行情况,进一步研究分散沉沙效果。

1 工程概况

赵口引黄灌区始建于1970年,规划设计灌溉面积39.13万hm2,以赵口总干渠—运粮河—涡河为界,以西为一期工程,设计灌溉面积24.43万hm2,以东为二期工程,设计灌溉面积14.7万hm2。全灌区设计年引黄水量4.3亿m3,一期工程1.9亿m3,二期工程2.4亿m3。

赵口引黄灌区原规划7座沉沙池,其中Ⅰ号沉沙池采用自流沉沙及以挖待沉方案处理泥沙,其他沉沙池作为备用或堆沙区使用[6］。随着城市建设与开发,原规划沉沙池地块已调整为他用,选择适宜的沉沙池位置难度很大。

随着黄河上中游区域水土流失的持续改善,自小浪底水库调水调沙运用以来,中下游黄河泥沙含量逐年降低,黄河主槽下切严重,引黄口门的引黄能力逐年下降。赵口引黄灌区多年来以小流量引水为主,引黄泥沙一直分散沉积在各级输水渠道上,运行管理中根据实际情况实时清淤。

2 总干渠现状淤积及分析

2.1 总干渠现状淤积情况调查

赵口引黄灌区目前采用沿渠分散沉沙,总干渠淤积情况如下:

(1)2014—2017年灌区共引黄河水5.241亿m3,2017年总干渠渠首以下16.8 km清淤约17.40万m3。

(2)2018年灌区全年引黄河水2.627亿m3,经对实际淤积情况测量,总干渠衬砌段渠首以下8.6 km淤积量为3.36万m3。渠道中心淤积较薄、两侧较厚,形成过水主槽,平均淤积厚度0.145 m。

2.2 实际引水过程沉沙量计算

马睿等[7］在研究黄河下游河道的冲淤变化中采用了准二维水沙数学模型；钟德钰等[8］认为多沙河流采用非恒定一维水沙模型,只要断面间距合适、时间步长不大,就可满足精度要求；张防修等[9］采用一维非恒定水沙数学模型构建黄河下游河道冲淤模型,计算精度满足要求。综合考虑,本文采用一维非恒定水沙数学模型,模拟不同引黄水沙过程在灌区渠道内分段冲淤情况。

赵口引黄灌区总干渠渠首引黄闸距离黄河花园口站28.5 km,有关泥沙资料采用花园口站资料。根据2014—2018年总干渠实际引水过程,采用对应年月的花园口站实测含沙量(见表1)及泥沙级配统计数据(见表2)。

表1 花园口站实测月均、年均含沙量 kg/m3

表2 花园口站泥沙级配统计

数学模型的基本原理如下:水动力学控制方程采用一维圣维南方程组,泥沙输移采用悬移质泥沙运动方程和受泥沙冲淤影响的河床变形方程[9］。

一维圣维南方程组:

式中:Z为水位；Q为流量；A为断面面积；B为水面宽度；g为重力加速度；Sf为摩阻坡度；t为时间；x为流程；ql为旁侧入流(引水、损失等)单宽流量。

泥沙运动方程和河床变形方程:

式中:Si为断面分组沙i含沙量；Si*为断面分组沙水流挟沙力；ωi为分组沙沉速；Zbi为分组沙冲淤引起的河床高程变化；qls为单位流程上的侧向输沙率；γ′为泥沙干密度；αi为分组沙恢复饱和系数。

总干渠渠段泥沙淤积计算结果见表3。

表3 总干渠（桩号0+000—15+333）渠段淤积计算结果

2.3 实际淤积量与数值分析结果对比分析

2014—2017年总干渠清淤总量为17.40万m3(16.8 km渠段),采用数学模型计算的淤积量为16.48万m3。根据2018年全年引水后实测淤积断面数据,计算得到衬砌段淤积量为3.36万m3,平均淤积厚度为0.145 m,采用数学模型计算淤积量为3.85万m3,平均淤积厚度为0.164 m。

2014—2017年计算结果与实测清淤量剔除渠道长度不同的影响后,两者相差4%,2018年引水过程数据中9月和10月只提供了引水量(共5800万m3)和起始时间,计算时分配的天数可能与实际有偏差,计算结果与实测淤积量偏差约13%。总体看来,理论计算方法基本适用。

3 设计引水过程沉沙计算

3.1 基本资料

3.1.1 设计引水过程

根据赵口引黄灌区用水配置方案确定的设计年引黄总量为42532万m3,引水58 d,引水时段分别在3月、4月、5月、7月、11月,见表4。

表4 赵口引黄灌区设计引水过程

3.1.2 泥沙资料

根据花园口站1981—2015年35 a的泥沙资料,小浪底水库建设前1981—1991年平均含沙量为9.05 kg/m3,小浪底水库建设期和运行初期1992—2004年平均含沙量为8.91 kg/m3,小浪底水库调水调沙期2005—2015年平均含沙量为1.87 kg/m3。由此可见,在小浪底水库调水调沙期,花园口站的含沙量一般较低,且粗颗粒含量不高(见表2)。但在小浪底水库正常运用期,水库下游河水实际泥沙含量会重新升高,但具体数值难以预测,考虑采用小浪底建库前(1981—1991年)和调水调沙期(2005—2015年)的泥沙资料平均值来计算,引水平均含沙量为5.46 kg/m3,各月平均值见表5,泥沙颗粒组成采用小浪底水库建成运行后的实测数据。

表5 花园口站实测的泥沙含量 kg/m3

计算采用的泥沙资料如下:短系列(2005—2015年),代表小浪底水库调水调沙期引黄含沙量；长系列(1981—2015年),代表小浪底水库正常运用期引黄含沙量。

泥沙颗粒均采用小浪底水库建成后花园口站数据,分汛期和非汛期两种级配,计算按时间段取用。

3.2 沉沙池集中沉沙分析

沉沙池紧邻总干渠左岸,长度约5 km,占地面积263.73 hm2,分左右两池,左池长4992 m,右池长3155 m,汛期引水需用较长的左池,两池可轮流使用和清淤。

根据规范[1］及工程经验,沉沙池采用准静水沉降法的原理和方法进行计算(计算公式详见规范,不再赘述)。采用短系列、长系列泥沙资料,集中沉沙计算结果见表6。

表6 集中沉沙计算结果

小浪底水库调水调沙期,渠首年引水量42532万m3,引沙量57.43万m3,沉入沉沙池48.10万m3,最小沉沙效率0.84,出池水流含沙量0.07～0.92 kg/m3；小浪底水库正常运用期,渠首年引水量42532万m3,引沙量167.97万m3,沉入沉沙池142.16万m3,最小沉沙效率0.85,出池水流含沙量0.48～2.48 kg/m3。出池颗粒(粒径小于0.05 mm)和沉沙效率(大于0.80)均满足规范要求。

3.3 沿渠分散沉沙分析

分散沉沙计算方法采用一维非恒定水沙数学模型,均以设计引水过程按旬进行计算。

根据赵口二期灌区灌溉系统分别计算了总干渠、运粮河、东一干、东二干、朱仙镇分干、陈留分干、石岗分干等渠段沉沙量。分散沉沙计算结果见表7、渠道平均淤积厚度见表8。

表7 分散沉沙计算结果 万m3

表8 分散沉沙渠道平均淤积厚度 m

3.4 计算结果分析

(1)短系列。集中沉沙:沉沙池年淤沙量48.10万m3,引黄沉沙率0.84,出口含沙量0.07～0.92 kg/m3,3 a清淤一次。出池水流含沙量较小,沉沙池以下的渠道基本不会再淤积泥沙,进入河道泥沙量相对较少。分散沉沙:年引沙量57.43万m3,沉入渠系38.44万m3(占67%),沉入河道(田间)18.99万m3(33%),渠道年平均淤积厚度0.010～0.228 m。从结果上看,渠道平均淤积厚度在衬砌超高以下,从整体上可以说对渠道安全运行影响不大,可以采用渠道内分散沉沙。但实际泥沙淤积分布差别较大,一般水闸、渠道弯道凸岸等流速相对较小的区域会淤积较厚,因此采用分散沉沙应及时清淤,以保证正常运行。泥沙沉入河道(田间)18.99万m3,因河道断面相对较大,故总淤积厚度不大,但淤积不均匀,局部断面可能存在淤堵现象,应根据实际情况及时清淤,以保证正常排涝和行洪。

(2)长系列。集中沉沙:年淤沙量142.16万m3,引黄沉沙率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积,退水入河的含沙量较小,对河道影响也较小。分散沉沙:年引沙量167.97万m3,沉入渠系115.19万m3(占69%),沉入河道(田间)52.78万m3(占31%),平均淤积厚度0.027～0.827 m。从结果上看,渠首8 km年平均淤积厚度达0.827 m,加上淤积分布不均,为保障过水能力和工程安全,必须根据情况随时清淤；另外,从引水过程看,3月和5月引水流量达到设计规模,为保证安全,在引水之前需清淤,其他引水月份根据实际淤积情况确定。因此,采用分散沉沙方式时,须加强运行管理。

河道(田间)年淤积总量为52.78万m3,且淤积分布不均匀,局部断面可能存在淤堵现象,应加强管理,根据实际淤积情况及时清淤,保证行洪排水通畅。

(3)经济比较。集中式沉沙池投资约2亿元,分散沉沙无建设费用。运行管理费用,分散沉沙和集中沉沙的引沙量相同,沉入沉沙池与沉入渠道、河道的泥沙均需清淤,工程量基本相当,清淤费用相近。但分散沉沙清淤后泥沙分布范围广,便于渠道沿线消纳。

从投资与运行管理费用上分析,分散沉沙优于集中沉沙。

4 结语

从沉沙计算结果看,引黄灌区集中沉沙和分散沉沙均可。采用分散沉沙方式时灌区在管理上应重点关注小浪底水库运行情况,合理确定引水时间,避免高含沙量时段引水。在保证运行管理到位的前提下,采用分散沉沙方式可节省建设资金。

小浪底水库正常运用期,水库下游河水实际泥沙含量会升高,但具体数值难以预测。鉴于黄河来沙的不确定性,建议在小浪底水库正常运用期结合渠首水流含沙量和分散沉沙的管理经验,再行论证是否采用沉沙池集中沉沙。