黃河水沙變化對簸箕李灌區(qū)的影響

鄭乾坤,毛偉兵*,孫玉霞,傅建國,楊慶賀

黃河水沙變化對簸箕李灌區(qū)的影響

鄭乾坤1,毛偉兵1*,孫玉霞1,傅建國2,楊慶賀1

1. 山東農(nóng)業(yè)大學 水利土木工程學院, 山東 泰安 271018 2. 濱州市小開河引黃灌溉管理局, 山東 濱州 256600

為了研究小浪底水庫運行后，黃河水沙變化對簸箕李灌區(qū)的影響。本文采用實測資料分析和理論探討相結合的方法，分析了小浪底運行前后黃河水沙變化對簸箕李灌區(qū)引水引沙，引沙粒徑，泥沙輸送能力等方面的影響。研究結果表明：小浪底運行后，隨黃河水含沙量的減少，簸箕李灌區(qū)引沙量明顯降低，1999~2012年簸箕李灌區(qū)的平均引沙量為164萬m3，相比1984~1998年小浪底運行前的301萬m3，降低了45.37%。引水量與引沙量相關性明顯減小。但是引沙粒徑呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，從小浪底運行前中值粒徑D50為0.0212 mm，增大到1999~2012年中值粒徑D50為0.0398 mm。由此可知，小浪底運行之前，造成簸箕李灌區(qū)泥沙淤積的主要原因是引沙量的增加，而在小浪底運行之后，造成簸箕李灌區(qū)泥沙淤積的主要原因是引沙粒徑D50的增大。

簸箕李灌區(qū); 小浪底工程; 水沙變化; 中值粒徑; 泥沙輸送

長期以來，引黃泥沙不僅是黃河三角洲引黃灌區(qū)面臨的主要問題之一，也是影響各引黃灌區(qū)健康運行的工程技術難題[1]。小浪底水庫運行后，采用了蓄水攔沙的運用方式，黃河下游來沙量減少，使黃河下游河道長期處于持續(xù)沖刷狀態(tài)[2]，使黃河下游主槽河底高程逐年下降，導致黃河三角洲各引黃灌區(qū)同流量閘前水位降低，灌區(qū)引水能力下降[3]。由于引黃閘在低水位、小流量的情況下長期引水，產(chǎn)生的引水拉沙現(xiàn)象使進入灌區(qū)的泥沙顆粒變粗[4]，泥沙輸送困難，導致渠系淤積嚴重，不僅加重了灌區(qū)的清淤負擔，也增加了泥沙資源的利用難度[5]。因此，研究此新形勢下，黃河三角洲引黃灌區(qū)的水沙變化，對科學管理和合理利用引黃泥沙資源，減少黃河水沙變化對灌區(qū)帶來的負面影響，已是當前黃河三角洲各引黃灌區(qū)面臨的一個十分緊迫和必須解決的問題[6]。本文研究了小浪底水庫運行前后簸箕李灌區(qū)的水沙變化特點，以及引沙粒徑的變化和輸移規(guī)律，提出了黃河三角洲引黃灌區(qū)實現(xiàn)泥沙輸送和解決泥沙問題的途徑，為實現(xiàn)引黃灌區(qū)健康運行和泥沙資源的高效利用提供基礎支持。

1 研究區(qū)概況

簸箕李引黃灌區(qū)位于黃河下游，濱州市最西部，該灌區(qū)位于東經(jīng)117°14′31″至117°58′44″，北緯37°07′41″至38°14′57″之間，設計控制面積3010 km2，占濱州市總土地面積的31.84%，是我國的大型引黃灌區(qū)之一。簸箕李灌區(qū)建有東、西兩個引黃閘，設計總引水流量125.0 m3/s，設計灌溉面積2452.5 hm2，占濱州市總灌溉面積的36.1%。經(jīng)過多年建設和工程改造，簸箕李灌區(qū)已形成了較為完善的引水工程、輸水工程、蓄水工程和灌溉示范工程等四大工程體系。其中核心的骨干渠道主要由沉沙條渠、總干渠、一干渠、二干渠4部分組成，總干渠長36.43 km，一干渠長46.38 km，二干渠全長65.7 km。

2 結果與分析

2.1 引水量與引沙量的關系變化

小浪底水庫運行前的1984~1998年，簸箕李灌區(qū)年均引沙量與引水量呈高度一致性，相關系數(shù)達0.85（圖1）。這說明小浪底水庫運行前，簸箕李灌區(qū)的年引沙量隨引水量的增加而增加，當引水量減少時，引沙量也隨之降低。小浪底水庫運行后（1999~2005），簸箕李灌區(qū)的年均引沙量與引水量的變化出現(xiàn)一定差異，引沙量的減少大于引水量的減少，黃河來水的含沙量大幅度降低，簸箕李灌區(qū)的引沙量必然大幅度減少[8]，兩者的相關系數(shù)降低為0.56。到2006年以后，受黃河年用水指標的控制，簸箕李灌區(qū)每年的引水量基本保持在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)，所以引沙量也逐漸趨于穩(wěn)定，但是引沙量的變化與引水量的變化已經(jīng)不具有明顯的相關性，兩者的相關系數(shù)僅為0.11。

圖 1 簸箕李灌區(qū)引水量與引沙量關系

2.2 引沙量與引水含沙量的關系變化

黃河水含沙量是決定簸箕李灌區(qū)引沙量高低的關鍵因素[9]。在小浪底運行前（1984~1998年），簸箕李灌區(qū)的引沙量隨著引水含沙量的變化而變化，兩者保持一致性，相關系數(shù)為0.79（圖2a）。1999~2005年期間，由于小浪底的運行，攔截了大量泥沙，導致黃河下游的含沙量大幅度下降，在1999~2005期間含沙量降低64.8%，簸箕李灌區(qū)的引沙量雖然隨著含沙量的降低而降低，降低了80%。兩者的相關性明顯減弱，相關系數(shù)僅為0.28（圖2b），此階段為小浪底運行后的調(diào)水調(diào)沙初期階段，水沙不平衡導致引沙量和含沙量的相關性降低。由圖2c可以看出，2006~2012年，由于小浪底多年的調(diào)水調(diào)沙，使水沙達到平衡，簸箕李灌區(qū)的引沙量隨著含沙量的變化而變化，兩者相關性極高，相關系數(shù)達到了0.95。

圖 2 不同時間段簸箕李灌區(qū)引沙量與含沙量的關系

2.3 簸箕李灌區(qū)引沙粒徑的變化

由圖3a可見，1993~1999年，簸箕李灌區(qū)渠首引黃閘的年平均引沙粒徑在0.009~0.032 mm之間，且引沙粒徑逐漸減小。2000~2012年小浪底水庫運行后，簸箕李灌區(qū)渠首引黃閘的年平均引沙粒徑在0.026~0.06 mm之間，相比小浪底運行前明顯增大，且引沙粒徑逐漸呈增大趨勢，引沙粒徑逐年粗化。在2011，2012年年平均引沙粒徑都達到0.05 mm。對簸箕李灌區(qū)引沙中值粒徑進行單因素方差分析，結果表明，1993~1999年簸箕李灌區(qū)引沙粒徑在0.01~0.053 mm的范圍內(nèi)，且每年的引沙粒徑大小沒有明顯差異（>0.05），說明小浪底運行之前，引沙粒徑大小基本保持穩(wěn)定；2000~2012年小浪底運行后，簸箕李灌區(qū)引沙粒徑穩(wěn)定在0.013~0.076 mm的范圍內(nèi)，引沙粒徑之間產(chǎn)生極顯著差異（<0.01），引沙粒徑變化大，說明小浪底的運行，對簸箕李灌區(qū)引沙粒徑產(chǎn)生顯著影響。

圖 3 簸箕李灌區(qū)不同時間段引沙中值粒徑D50的變化

2.4 對簸箕李灌區(qū)泥沙輸送能力的影響

圖 4 1993~2011年簸箕李灌區(qū)內(nèi)各站點多年平均中值粒徑D50沿程變化

由圖4可見，1993~1998年小浪底運行之前，簸箕李灌區(qū)內(nèi)各測站多年平均懸移質(zhì)泥沙中值粒徑D50沿程變化不大，粒徑范圍在0.02~0.023 mm之間，基本能實現(xiàn)泥沙的遠距離輸送。2000~2005年小浪底運行后，灌區(qū)內(nèi)懸移質(zhì)泥沙中值粒徑D50由引黃閘到陳謝站粒徑逐漸變粗，其中泥沙粒徑由二干首的0.066 mm增大到陳謝站的0.101 mm。這是由于在實行調(diào)水調(diào)沙期間，二干首到陳謝站段河道發(fā)生嚴重沖刷，泥沙粒徑沿程粗化，泥沙的輸送能力顯著增加。2006~2011年期間，灌區(qū)內(nèi)引黃閘處泥沙中值粒徑D50均值為0.0398 mm，泥沙輸送能力降低，造成泥沙淤積。

3 結論

（1）小浪底運行以后，簸箕李灌區(qū)的引水量與引沙量都發(fā)生降低，且引沙量的降低幅度大于引水量，兩者之間的相關性也發(fā)生降低；

（2）簸箕李灌區(qū)的引沙量與引水含沙量的關系分為三個階段：1984~1998年引沙量隨著引水含沙量的變化而變化，兩者相關性較高；1999~2005年，引沙量隨著引水含沙量的降低而降低，兩者相關性顯著降低；2006~2012年，引沙量隨著引水含沙量成波動變化，兩者極為顯著；

（3）小浪底運行后，簸箕李灌區(qū)的引沙中值粒徑D50逐年變粗，且在2011，2012年兩年平均引沙粒徑D50都達到了0.05 mm；

（4）小浪底運行前，1993~1999年簸箕李灌區(qū)引沙粒徑D50均值為0.021 mm，由于粒徑較小，因此能夠?qū)崿F(xiàn)泥沙的遠距離輸送。小浪底運行后，2000~2005年由于引沙粒徑較小，且引沙量降低，泥沙的輸送能力增強；2006~2011年，簸箕李灌區(qū)內(nèi)的引沙粒徑D50均值為0.086 mm，由于引沙粒徑的增大，導致泥沙淤積。

4 討論

（1）黃河水沙新形勢下引黃灌區(qū)泥沙問題的變化

小浪底水庫運行前，由于黃河水含沙量較高，導致引黃灌區(qū)引沙量巨大，對巨量引黃泥沙的合理處理和高效利用，是黃河三角洲各引黃灌區(qū)面臨的最主要問題。小浪底水庫運行后，由于引水含沙量明顯降低，簸箕李灌區(qū)引沙量也大幅度下降。但是隨著引沙粒徑的逐年增加，干渠輸沙能力下降，引黃灌區(qū)的泥沙問題又集中表現(xiàn)在沉砂池和干、支渠系的嚴重淤積，影響灌區(qū)正常輸水和運行。所以在引黃灌區(qū)運行管理中，解決粗顆粒泥沙的高效利用，將是各引黃灌區(qū)的主要研究和工作內(nèi)容。

（2）黃河三角洲引黃灌區(qū)解決泥沙問題的有效措施

水沙新變化是導致簸箕李灌區(qū)泥沙淤積的關鍵因素之一。根據(jù)簸箕李灌區(qū)的運行經(jīng)驗，在引沙粒徑逐年增加的情況下，也可以通過加大引水流量，增加渠道襯砌、合理的支渠引水調(diào)度等措施，盡可能增加粗顆粒泥沙的遠距離輸送，減少渠系的泥沙淤積，以保證引黃灌區(qū)的正常運行[10]。但是這需要各引黃灌區(qū)在引水過程中，進行大量的工程試驗，以確定每個灌區(qū)適宜的水沙資源的優(yōu)化調(diào)度方案。

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The Influence of the Change of Yellow River Water and Sediment on the Bojili Irrigation District

ZHENG Qian-kun1, MAO Wei-bing1*, SUN Yu-xia1, FU Jian-guo2, YANG Qing-he1

1.271018,2.256600,

In order to study the impact of the Yellow River water and sediment variation on Bojili Irrigation District after the Xiaolangdi reservoir project was put into operation. in this paper, combination of measured data analysis and theoretical discussion is used to analyze the effects of changes in the Yellow River water and sediment before and after the operation of Xiaolangdi project on the water and sand diversion, sediment particle size, sediment transport capacity, and other aspects.Results show that after the Xiaolangdi was put into operation, with the decrease of the sediment concentration of the Yellow River, the amount of sediment diversion in the Bojili Irrigation District was significantly reduced. From 1999 to 2012, the average amount of sediment diversion in the Bojili Irrigation District was 1.64 million m3, compared with 3.01 million m3before operation (Xiaolangdi in 1984-1998), this value decreased by 45.37%. The correlation between the amount of water diversion and the amount of sediment diversion is significantly reduced.However, the sand particle size showed an increasing trend year by year. The median particle size D50 before Xiaolangdi reservoir operation was 0.0212mm, and it was increased to 0.398mm in 1999.It can be seen that before the operation of Xiaolangdi project, the main cause of siltation in the irrigated area was the increase of sediment diversion. After the operation of Xiaolangdi project, the main cause of siltation in the irrigated area was the increase of the particle size D50.

Bojili Irrigation District; Xiaolangdi Project; water and sediment changes; median grain size; sediment transport

TV882.1

A

1000-2324(2018)06-1055-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.06.030

2017-06-10

2017-07-23

國家自然科學基金項目:引黃泥沙對黃河三角洲粘質(zhì)鹽土物理性狀的改良研究(41471184)

鄭乾坤(1991-),男,碩士研究生.主要從事農(nóng)業(yè)水土方面的研究. E-mail:1412675042@qq.com

Author for correspondence. E-mail:maoweibing316@126.com