黃河位山灌區(qū)沉沙池通道輸沙的應(yīng)用

戴 清 ，胡 健 ，李春濤 ，高 超 ，蔣如琴

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，100048，北京；2.山東省聊城市位山灌區(qū)管理處，252000，聊城；3.山東省聊城市測(cè)繪院，252000，聊城）

位山灌區(qū)是黃河下游大型引黃灌區(qū)之一,全國第五大灌區(qū)，控制聊城8個(gè)縣(市、區(qū))85個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的大部分耕地。設(shè)計(jì)引水流量240 m3/s，加大流量380 m3/s，設(shè)計(jì)灌溉面積540萬畝 （36萬hm2）， 計(jì)劃最大灌溉面積1145 萬畝（76.3 萬 hm2）。灌區(qū)采用“集中沉沙與遠(yuǎn)距離輸沙相結(jié)合，自流沉沙與以挖待沉相結(jié)合，機(jī)械化清淤施工與高地開發(fā)治理相結(jié)合，泥沙利用與扶貧相結(jié)合”的原則，探索解決制約灌區(qū)發(fā)展的泥沙問題，以適應(yīng)灌區(qū)泥沙處理要求。

一、灌區(qū)清淤情況

時(shí)段劃分方法綜合考慮了灌區(qū)運(yùn)行的具體情況，不同時(shí)段清淤情況與輸沉區(qū)范圍工程建設(shè)情況具體說明如下。

①復(fù)灌初期1970—1983年的13年。復(fù)灌初期引水規(guī)模不大，灌區(qū)引、輸水條件相對(duì)較差，工程建設(shè)情況為1970—1983年西沉沙池1～5號(hào)池建設(shè)和1973年完成東沉沙池1～3號(hào)池建設(shè)。灌區(qū)13年來清淤部位主要為閘前和東西輸沙渠及部分干渠。清淤總量為3518.6萬m3，年均清淤量為270.7萬m3。清淤方式為人工作業(yè)。投入工日1827.13萬個(gè)，人工清淤率平均為每個(gè)工日1.93 m3。

②改建期1984—1993年。改建期灌區(qū)規(guī)模擴(kuò)大，引水進(jìn)沙量增加，大河引水條件相對(duì)較好，工程建設(shè)情況為1985年東輸沙渠渠首段3.5 km、西輸沙渠渠首段9.7 km渠道襯砌和1993年西輸沙渠渠首段9.7 km邊坡加高，下游至沉沙池入口渠道襯砌及總干渠道襯砌。灌區(qū)11年來閘前已基本不清淤，清淤部位主要為沉沙池及輸沙干渠。清淤總量7401.5萬m3，年均清淤量672.9萬m3。清淤方式仍為人工作業(yè)。投入工日3660余萬個(gè)，人工清淤效率平均為每個(gè)工日2.02 m3。

③渾水引黃期1994—1999年。受黃河下游供需矛盾尖銳及經(jīng)常斷流影響，下游灌區(qū)經(jīng)常汛期引用渾水。灌區(qū)沉沙池及輸沙干渠泥沙處理負(fù)擔(dān)加重，工程建設(shè)情況為1996年西沉沙池6號(hào)池建設(shè)和1999年東輸沙渠下游至沉沙池入口渠道襯砌。灌區(qū) 6年來清淤總量4844.0萬m3，年均清淤量807.3萬m3。為提高效率，爭取時(shí)間及解決投勞人工調(diào)派困難，清淤采取機(jī)械方式。

④小浪底運(yùn)用初期2000—2003年。小浪底1999年年底投入運(yùn)行，清水下泄。位山灌區(qū)總體引水含沙量減小，粒徑偏粗。泥沙處理負(fù)擔(dān)未明顯改善。清淤部位主要為沉沙池，輸沙干渠亦進(jìn)行大規(guī)模清淤，如2001年西輸沙渠清淤507.7萬m3。4年來清淤總量為3201.7萬 m3，年均清淤量 800.4萬m3。清淤采取機(jī)械方式。

⑤引水條件改變期2004—2006年。自2004年開始，黃河下游山東河段河床明顯下切，同流量進(jìn)水，沙量明顯減少。清淤部位主要為沉沙池。3年來清淤總量1261.4萬m3，年均清淤量420.5萬m3，清淤量的減小也與東沉沙池試驗(yàn)采取通道輸沙方式有關(guān)，年均清淤量為小浪底運(yùn)用初期4年平均年清淤量的52.5%。清淤采取機(jī)械方式。

⑥通道應(yīng)用期2007—2009年。西沉沙池通道輸沙應(yīng)用，沉沙池仍開挖輸沙通道，清淤泥沙堆放在通道兩側(cè)形成擋水堤，加大通道過水能力。工程建設(shè)情況為2007年對(duì)西輸沙渠全渠段進(jìn)行縮窄改造。灌區(qū)3年來清淤總量為142.4萬m3，清淤量減小原因主要為西沉沙池采取通道輸沙方式，而其中2009年按未清淤計(jì)算，年均清淤量為47.5萬m3，清淤采取機(jī)械方式。

以年清淤量500萬m3計(jì)算，按2007年年底機(jī)械清淤單價(jià)計(jì)算，200 m以內(nèi)就近和200 m以外遠(yuǎn)送取費(fèi)分別為 4.0元/m3和6.5元/m3。由此得到灌區(qū)每年支付的清淤費(fèi)用達(dá)2000萬～3250萬元。如果按人工清淤每個(gè)工日清淤量2 m3計(jì)算，灌區(qū)僅能支付單工日費(fèi)用10元左右，這在當(dāng)今是不可想象的。因此灌區(qū)自1993年以來一直采用機(jī)械清淤。這只是單項(xiàng)清淤費(fèi)，以后治理費(fèi)用及有限的沉沙填沙場(chǎng)地征用問題，必然隨著運(yùn)行時(shí)間的延長而越來越突出。因此，尋求泥沙長距離輸送調(diào)水運(yùn)行方式，減少沉沙池淤積是當(dāng)務(wù)之急。

二、通道形態(tài)及實(shí)施過程

1.通道清淤方式與傳統(tǒng)清淤方式對(duì)比

以實(shí)測(cè)斷面資料對(duì)比，說明兩種清淤方式的不同及形態(tài)差異，如1、5號(hào)池17＋500樁號(hào)斷面。2003年4月實(shí)測(cè)斷面形態(tài)，如圖1所示。斷面形態(tài)運(yùn)行后自然形成中間主槽兩邊灘地的斷面形態(tài)，按傳統(tǒng)空庫清淤，竣工后如2003年7月斷面形態(tài)，池底高程34.8 m，池底寬約220 m。2007年11月實(shí)測(cè)斷面形態(tài)為：右側(cè)為主槽，左邊形成灘地，但2007年12月清淤只到16＋850樁號(hào)，該斷面未清淤。至2008年9月，斷面形態(tài)變化不大，略有抬升，右側(cè)仍保持為一過水主槽。2008年10月采取修筑通道方式清淤，在中間偏左開挖底高程34.8 m、底寬40 m的溝槽，挖出的泥沙堆放于溝槽兩側(cè)，形成高程39.2 m、頂寬約25.0 m的兩道土堤。由前可知，經(jīng)過2009年灌期運(yùn)行，2009年9月實(shí)測(cè)，通道形態(tài)基本保持不變。右側(cè)通道堤外原溝槽略有淤積。再經(jīng)2010年灌期運(yùn)行，到2010年4月，通道變得更加窄深，深泓點(diǎn)高程降到34.4 m，右側(cè)溝槽基本淤平。

傳統(tǒng)清淤方式下，采用泥沙全部清出空池方式，堆放于池外某一側(cè)的堆沙場(chǎng)。沙堆土質(zhì)松軟，隨著水分流失蒸發(fā)，顆粒變得松散，風(fēng)吹日曬，如不及時(shí)處理即二次平整治理，則會(huì)形成人造風(fēng)沙沙源。亦有池兩側(cè)無條件堆沙池段，將清淤泥沙放置池內(nèi)一側(cè)，池內(nèi)淤筑高臺(tái)，占據(jù)了部分容積，相對(duì)來說二次治理難度減小。

2.實(shí)施過程概況

圖1 沉沙池清淤方式及形態(tài)對(duì)比

東沉沙池于2003年夏進(jìn)行傳統(tǒng)的空庫清淤，清淤量為171.6萬m3。隨著小浪底運(yùn)行閘前引水條件變化，引水含沙量減小，沉沙池淤積體自上而下緩慢發(fā)展。至2005年冬，為適應(yīng)大流量引水機(jī)會(huì)減小而中小流量增加、歷時(shí)加長的引水現(xiàn)狀，灌區(qū)決定改變以往的空庫清淤方式，探索在沉沙池淤積體上開挖通道，形成底槽，保持高灘，即采用通道輸沙方式。東沉沙池通道經(jīng)2006年灌期和2007年灌期運(yùn)行檢驗(yàn)，淤積明顯減小，且過流條件變化不大，仍能滿足灌區(qū)引水要求，而且并未造成下游干渠的淤積加重問題。西沉沙池2007年11月決定試驗(yàn)性采取通道輸沙方式，具體情況見后文所述。

三、應(yīng)用效果

1.分析方法

由灌區(qū)清淤報(bào)表及沉沙池各測(cè)次斷面測(cè)量結(jié)果，分析不同清淤方式工況下的沉沙池容積變化及輸水輸沙條件變化。

①觀測(cè)布置及測(cè)時(shí)：觀測(cè)沿主泓線布置導(dǎo)線，間隔50 m或100 m布設(shè)一個(gè)斷面。每年灌溉引水運(yùn)行后對(duì)沉沙池形態(tài)進(jìn)行觀測(cè)。

②計(jì)算方法：計(jì)算39.5 m高程以下斷面形態(tài)，得到測(cè)時(shí)容積。計(jì)算37.0 m高程以下斷面形態(tài)，分析得到測(cè)時(shí)平均輸水輸沙形態(tài)參數(shù)。參見圖1。容積計(jì)算考慮了通道兩側(cè)筑堤帶來的減小。過水形態(tài)還包括通道外溝槽。

③沉沙池清淤量結(jié)果：由灌區(qū)工程科提供的歷年清淤部位、方量報(bào)表，整理沉沙池運(yùn)行情況及測(cè)前清淤量。

④回淤量估算：測(cè)前清淤量與沉沙池容積增加量之差或測(cè)前清淤量與沉沙池容積減小量之和。

2.效果分析

對(duì)比近年灌區(qū)運(yùn)行、清淤情況及測(cè)驗(yàn)分析結(jié)果，概述如下：

①第一種工況為1、5號(hào)沉沙池傳統(tǒng)清淤結(jié)果。2001年冬按傳統(tǒng)方式清淤，清淤量291.83萬m3。清淤后經(jīng)過2003年灌期運(yùn)行 （2002年冬灌和2003年春灌），2003年4月進(jìn)行斷面測(cè)量，測(cè)時(shí)容積361.05萬m3，以此作為傳統(tǒng)清淤效果分析的起始形態(tài)。由測(cè)時(shí)輸水輸沙條件分析結(jié)果可知，測(cè)時(shí)過水面積較大，池底高程較低，仍具備輸水運(yùn)行條件。但按傳統(tǒng)輪灌方式要求，分別于2003年夏及2005年夏對(duì)沉沙池進(jìn)行了兩次傳統(tǒng)方式清淤，清淤量為446.92萬m3。這期間經(jīng)過2005年灌期 （2004年冬灌和2005年春灌）和2007年灌期（2006年冬灌和2007年春灌）運(yùn)行。2007年11月進(jìn)行斷面測(cè)量，與2003年測(cè)量結(jié)果對(duì)比，容積增大85.87萬m3，如粗略考慮兩次清淤泥沙均清出沉沙池，堆沙于池外，與實(shí)際容積增大之差可知回淤量為361.09萬m3。

②第二種工況為1、5號(hào)沉沙池應(yīng)用通道清淤結(jié)果。由2007年11月實(shí)測(cè)結(jié)果分析，試驗(yàn)采用通道清淤方式，于2007年12月沉沙池上游段初次開挖通道（15＋000～16＋850），清淤量14.37萬m3。清淤后經(jīng)過2008年灌期運(yùn)行 （2007年冬灌和 2008年春灌），2008年9月進(jìn)行斷面測(cè)量，測(cè)時(shí)容積362.24萬m3，容積減小84.68萬m3。接著于2008年10月對(duì)全池進(jìn)行通道開挖，清淤量為55.03萬m3。不采取輪灌方式而仍用1、5號(hào)沉沙池，經(jīng)過2009年灌期運(yùn)行（2008年冬灌和2009年春灌），2009年9月進(jìn)行斷面測(cè)量，測(cè)時(shí)容積353.98萬m3，容積減小8.26萬m3。沉沙池維持通道狀態(tài)，因此2009年不清淤，持續(xù)沿用該沉沙池，檢驗(yàn)運(yùn)行效果，經(jīng)過2010年灌期運(yùn)行（2009年冬灌和2010年春灌），2010年4月進(jìn)行斷面測(cè)量，測(cè)時(shí)容積329.93萬m3，容積減小24.05萬 m3。仍沿用前述回淤量估算方法，得到三次測(cè)時(shí)回淤量分別為99.05萬 m3、63.29萬m3和24.05萬m3。

③第三種工況為6號(hào)沉沙池采用傳統(tǒng)清淤方式沉沙池觀測(cè)效果。2002年冬按傳統(tǒng)方式清淤，清淤量420.0萬m3。清淤后經(jīng)過2004年灌期運(yùn)行 （2003年冬灌和2004年春灌），2004年4月進(jìn)行斷面測(cè)量，測(cè)時(shí)容積437.97萬m3，以此作為傳統(tǒng)清淤效果分析的起始形態(tài)。由測(cè)時(shí)輸水輸沙條件分析結(jié)果可知，測(cè)時(shí)過水面積較小，池底高程較高，已不具備輸水運(yùn)行條件。因此于2004年夏對(duì)沉沙池進(jìn)行了傳統(tǒng)方式清淤，清淤量為311.0萬 m3。而后經(jīng)過2006年灌期（2005年冬灌和2006年春灌）運(yùn)行，2006年11月進(jìn)行斷面測(cè)量，與2004年測(cè)量結(jié)果對(duì)比，容積增大100.03萬m3，回淤量為210.97萬m3。測(cè)時(shí)過水面積較大，池底高程較低，完全具備輸水運(yùn)行條件，但仍按傳統(tǒng)清淤方式分別于2007年夏對(duì)沉沙池進(jìn)行了清淤，清淤量為204.0萬m3。清淤后斷面測(cè)量結(jié)果表明，沉沙池容積增大150.19萬m3。 測(cè)時(shí)容積達(dá)到 688.2萬 m3，基本恢復(fù)為空池狀態(tài)。

從上述3種工況效果對(duì)比，可以得到以下認(rèn)識(shí)：

①傳統(tǒng)清淤方式清淤時(shí)機(jī)保守。清淤時(shí)沉沙池尚具備輸水輸沙條件，但仍清淤。由2003年4月與2009年9月兩次測(cè)驗(yàn)結(jié)果表明，2003年輸水輸沙條件與2009年接近，但2003年清淤空池，清淤量244.6萬m3（2005年清淤228.8萬m3），而2009年沒有清淤，經(jīng)1個(gè)灌期的運(yùn)行，到2010年4月仍具備輸水輸沙條件。

②傳統(tǒng)清淤方式清淤量越大回淤量也越大，且增大池外堆沙環(huán)境及處理負(fù)擔(dān)。1、5號(hào)沉沙池清淤446.96萬m3，回淤361.96萬m3；6號(hào)沉沙池清淤 311.0萬 m3， 回淤 210.97萬 m3。1、5號(hào)沉沙池兩次清淤量和6號(hào)沉沙池三次清淤量分別為738.8 m3和935.0 m3，池外累計(jì)堆沙量達(dá)到1663.79萬m3。如果按6 km長、2道100 m寬的場(chǎng)地填放，那么將形成約14 m高的一堵沙墻。

③通道清淤方式沉沙池使用時(shí)間長、清淤量小且無池外棄沙。開挖通道清淤泥沙就近堆放在溝兩側(cè)，筑成擋水堤，增加了通道行水能力。大大減小了灌區(qū)清淤量，1、5號(hào)沉沙池清淤兩次通道清淤量僅 69.4萬 m3，2009年實(shí)現(xiàn)了零清淤。經(jīng)過2009—2010年3個(gè)灌期運(yùn)行，仍可滿足輸水輸沙要求。無沙清出池外，因此極大地減輕了輸沉區(qū)沙化環(huán)境治理的負(fù)擔(dān)。

④通道清淤方式回淤量小，適當(dāng)維護(hù)可保持輸水輸沙條件。運(yùn)行情況表明通道輸沙回淤量小，3個(gè)灌期后總回淤量僅為186.39萬m3，從各次淤積分布看，2007年11月時(shí)19＋000樁號(hào)下游段基本為空池，2008年灌區(qū)運(yùn)行泥沙回淤于此。2008年10月全池通道清淤，2009年灌區(qū)運(yùn)行通道有泥沙淤積，但沿程兩側(cè)各處堤質(zhì)不同，未進(jìn)行加固處理，主流上灘甚至改道沖毀擋水堤，通道外灘面淤積亦占很大比例。隨著淤積發(fā)展，今后適時(shí)對(duì)擋水堤進(jìn)行簡單修補(bǔ)加固，盡量減小漫溢上灘機(jī)會(huì)。通道清淤恢復(fù)施工快，因此，兩池輪換間隔大大加長，閑置年限增長，不僅增加了沉沙池及周邊占地的使用壽命，而且可以考慮他用，合理規(guī)劃發(fā)揮土地資源的價(jià)值。

四、結(jié) 語

位山灌區(qū)自1970年復(fù)灌以來，40年骨干渠道清淤泥沙量超過2.0億m3，多年平均年清淤量為509.2萬m3。東西沉沙池清淤占骨干渠道清淤量的54.26%，即 1.1億 m3，形成面積 1.9萬畝 （0.127 hm2）、 高 8.68 m的沙質(zhì)高地。從清淤量不同時(shí)段變化看，小浪底運(yùn)行前幾年及運(yùn)行初期，位山灌區(qū)泥沙處理負(fù)擔(dān)最重，年清淤量達(dá)800萬m3。2004年以后，進(jìn)沙減少，淤積減輕。與灌區(qū)其他措施綜合作用結(jié)果，2004—2006年年均清淤量減到420.5萬m3，為前期年均清淤量的52.5%。為減少輸沉區(qū)泥沙淤積，2007年西沉沙池采取通道輸沙方式，經(jīng)3年運(yùn)行，觀測(cè)分析表明，年清淤量降為多年平均值10%以下，甚至實(shí)現(xiàn)2009年零清淤的理想效果。

位山灌區(qū)輸沙渠、沉沙池、干渠骨干渠道及沿程支渠形成一個(gè)龐大的輸水輸沙工程系統(tǒng)，相互關(guān)聯(lián)，沉沙池減淤措施仍需要更深入地研究，如粗細(xì)沙運(yùn)行機(jī)理、沖淤規(guī)律及通道形態(tài)影響等。本次研究成果也為其他灌區(qū)甚至中小型水庫等水利工程維持和發(fā)揮應(yīng)有的作用提供技術(shù)支持。當(dāng)水資源和土地資源日益匱乏，異常氣候環(huán)境造成不同區(qū)域和范圍地區(qū)性缺水概率增大時(shí)，水利工程減少泥沙淤積的實(shí)際作用就是增加蓄水調(diào)水容積及能力，意義更為重大。

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