小開河灌區(qū)挖泥船清淤及遠(yuǎn)距離管道輸沙探討

鮑建平，張海霞，郝 浩，張翠萍

（濱州市引黃灌溉服務(wù)中心，山東 濱州 256600）

濱州市小開河引黃灌區(qū)位于山東省北部、黃河下游左岸，是國(guó)家大型引黃灌區(qū)，總長(zhǎng)94.2 km，設(shè)計(jì)灌溉面積7.3 萬(wàn)hm2，設(shè)計(jì)引水流量60 m3/s，涉及濱州市黃河以北所有縣區(qū)，承擔(dān)著區(qū)域生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水重任，向?yàn)I州市提供重要淡水水源。

1 灌區(qū)面臨的突出問題

1.1 沉沙池清淤棄土無處堆放問題

黃河是多泥沙河流，引黃必然引沙。小開河引黃灌區(qū)采用大比降、長(zhǎng)距離輸沙技術(shù)，沉沙池建在距離渠首51.3 km處，采用集中沉沙方式，以挖待沉，由于年年清淤，棄土場(chǎng)堆積了大量泥沙［1］。小開河沉沙池南北長(zhǎng)4.16 km，渠底東西最寬處320 m，呈梭形結(jié)構(gòu)，包括上游連接段、擴(kuò)散段、等寬段和收縮段。上游連接段長(zhǎng)度500 m，擴(kuò)散段長(zhǎng)度1 200 m，等寬段長(zhǎng)度1 800 m，收縮段長(zhǎng)度655 m。小開河沉沙池?cái)嗝嬉兀斠姳?。

表1 小開河沉沙池?cái)嗝嬉?/p>

正常情況下，小開河沉沙池清淤在每年10 月下旬—11 月下旬利用灌區(qū)停水間隙進(jìn)行，主要采用泥漿泵人工清淤，時(shí)長(zhǎng)約1 月。絕大部分泥漿排放在西南岸500 m 范圍內(nèi)的清淤棄土場(chǎng)內(nèi)沉淀晾曬，棄土場(chǎng)面積約30 hm2。1998 年運(yùn)行至今已堆放清淤泥沙約170 萬(wàn)m3，平均高度5～6 m，已基本淤滿。2000—2016年，沉沙池年均清淤量約38 萬(wàn)m3，2018年清淤39.13 萬(wàn)m3，2019 年清淤52.9 萬(wàn)m3，2020 年清淤50 萬(wàn)m3，伴隨灌區(qū)用水量的增多，泥沙淤積量越來越大，亟待尋找新的清淤棄土堆放場(chǎng)地。

1.2 灌區(qū)引水時(shí)間延長(zhǎng)與沉沙池清淤的矛盾

近年來，隨著黃河來水來沙條件發(fā)生變化，黃河主河槽下切嚴(yán)重，同等流量條件下灌區(qū)引水能力降低，引水時(shí)間大幅延長(zhǎng)。2002—2019 年，位于小開河引黃閘下游約2 km 處的蘭家斷面黃河主河槽平均刷深2.35 m，小開河引黃閘引水能力下降近70%，黃河蘭家斷面河槽高程（黃海高程）成果詳見表2。

表2 黃河蘭家斷面河槽高程成果

小開河設(shè)計(jì)流量與灌區(qū)現(xiàn)狀流量對(duì)比，詳見表3。

表3 灌區(qū)設(shè)計(jì)流量與現(xiàn)狀流量對(duì)比

因引水困難，為滿足灌區(qū)用水需求，只能采取延長(zhǎng)引水時(shí)間的方法。2000—2013 年，小開河灌區(qū)年均引水時(shí)間為125 d，2014 年后年引水時(shí)間逐漸增加，2017 年引水時(shí)間長(zhǎng)達(dá)249 d，長(zhǎng)時(shí)間引水造成沉沙池放空清淤的時(shí)間非常有限。隨著灌區(qū)用水量增加、黃河水沙條件變化等影響，未來沉沙池清淤量、時(shí)長(zhǎng)、頻率均會(huì)增加，灌區(qū)引水與沉沙池清淤的矛盾會(huì)越來越突出。

2 探索挖泥船清淤新模式

2.1 挖泥船清淤方案比選

為解決以上兩個(gè)難題，小開河灌區(qū)開展了利用挖泥船清淤的探索，分別采用了沖吸式及絞吸式挖泥船進(jìn)行了試驗(yàn)。

2.1.1 沖吸式挖泥船清淤

沖吸式挖泥船清淤，效果不理想。主要原因有：①沉沙池內(nèi)淤積泥沙黏性較高，功率小的沖吸船難以沖刷攪動(dòng)，出泥率低；②經(jīng)驗(yàn)不足，沉沙池內(nèi)水位變化較大，灌區(qū)停水時(shí)未及時(shí)清出足夠深度存水形成“船窩”，導(dǎo)致挖泥船擱淺，無法正常施工。

2.1.2 絞吸式挖泥船清淤

絞吸式挖泥船清淤效果較好，可以順利打出輸水通道，為灌區(qū)引水提供保障。絞吸式挖泥船通過絞刀的旋轉(zhuǎn)，將淤泥挖掘并與水混合成泥漿，再利用泥漿泵將泥漿經(jīng)管道輸送到清淤棄土場(chǎng)。清淤方案包括以下幾個(gè)方面。

（1）清淤范圍。主要為部分沉沙池?cái)U(kuò)散段，長(zhǎng)度約700 m，寬度55～230 m，面積約10.4 hm2，此段為泥沙重點(diǎn)淤積區(qū)域，平均淤積深度3 m，在此位置以挖待沉，能有效防止沉沙池入口被淤平，保障灌區(qū)正常引水。

（2）相關(guān)設(shè)備參數(shù)。該挖泥船為拼裝式，長(zhǎng)20 m，寬6 m，吃水深度0.8 m，采用泰安魯泰泵業(yè)生產(chǎn)泥漿泵，功率220 kW，清水流量1 200 m3/h；絞刀直徑1.1 m，功率70 kW，架臂長(zhǎng)13 m。泥漿一次運(yùn)距1 km左右，出泥率10%左右。輸泥管道采用直徑300 mm的鋼管和錦塑軟管結(jié)合，封閉性能好，對(duì)周邊環(huán)境影響小。

（3）清淤棄土場(chǎng)。在小開河沉沙池周邊2 km 范圍內(nèi)，存在有3處磚窯廠挖掘深坑，利用挖泥船泥漿泵結(jié)合管道，一次性輸泥到位。

（4）疏挖方法。采用扇形豎向開挖方法，分條、分塊開挖，根據(jù)本工程所采用挖泥船參數(shù)，確定分條寬度為20 m，為保障開挖質(zhì)量，每條之間設(shè)置2 m 重疊開挖區(qū)，在遠(yuǎn)端適當(dāng)位置設(shè)置主樁，利用挖泥船自帶絞盤牽引前進(jìn)，清淤完成1 條后，再開挖第2 條，1 個(gè)斷面換樁1次。

2.2 絞吸式挖泥船清淤相對(duì)于人工泥漿泵清淤的優(yōu)勢(shì)

2.2.1 帶水作業(yè)，對(duì)灌區(qū)引水無影響

人工泥漿泵清淤需干槽作業(yè)，灌區(qū)需要關(guān)閘停水，而挖泥船可帶水作業(yè)，能有效緩解沉沙池清淤與灌區(qū)引水之間的矛盾。

2.2.2 人機(jī)少，密閉好，對(duì)周邊環(huán)境影響小

人工泥漿泵清淤需結(jié)合圍堰分區(qū)塊施工，并需要開挖清水溝，所需人員、機(jī)械多，時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境影響較大。挖泥船清淤需要人員、機(jī)械少，減少了對(duì)周圍環(huán)境的影響，避免了多套設(shè)備施工時(shí)挖溝埋管、破壞環(huán)境。同時(shí)，挖泥船清淤不需要排空沉沙池，一定程度上保護(hù)了部分水生動(dòng)植物，降低了對(duì)沉沙池生物多樣性的影響。再者，挖泥船輸泥管道數(shù)量少，密閉性好，穩(wěn)定性高；泥漿泵清淤管線縱橫交錯(cuò)，排泥管跑冒滴漏現(xiàn)象頻發(fā)。

2.2.3 泥漿一次性運(yùn)送距離遠(yuǎn)

人工泥漿泵一次性運(yùn)距0.5～1 km，而較大功率挖泥船可達(dá)2～3 km 甚至更遠(yuǎn)。小開河沉沙池周邊2 km 范圍內(nèi)，有大量廢棄坑塘，若加以利用可節(jié)省清淤棄土侵占空間，緩解泥沙無處堆放問題。后期如果加裝接力泵，泥漿運(yùn)輸距離可達(dá)十幾公里甚至更遠(yuǎn)［2］。

2.2.4 經(jīng)濟(jì)效益好

挖泥船清淤干擾少，需要人工少，可24 h不間斷施工。粗略計(jì)算，泥漿運(yùn)距1 km 時(shí)，采用泥漿泵清淤成本大約為5～6 元/m3，挖泥船不到4 元/m3。

2.3 挖泥船清淤注意事項(xiàng)

（1）根據(jù)灌區(qū)用水需求，沉沙池水位變化較大，挖泥船要在沉沙池水位較高時(shí)進(jìn)場(chǎng)抓緊施工，將船周圍清理出一定深度存水，防止船體擱淺。

（2）注意水流流速，當(dāng)流速小于0.5 m/s 時(shí)，采用順流開挖；當(dāng)流速大于0.5 m/s 時(shí)，采用逆流開挖［3］。沉沙池引水期間平均流速大于0.5 m/s，采用挖泥船泥漿泵逆流清淤方案，可以提高出泥率。

（3）控制好清淤深度，密切觀察含泥量變化，及時(shí)移動(dòng)鉸刀位置，防止出現(xiàn)超挖?？稍诮g刀架桿上安裝水尺，隨時(shí)觀測(cè)并及時(shí)調(diào)整開挖深度［3］。

（4）注意施工安全。施工區(qū)域內(nèi)岸上、水上都要設(shè)置各種警示、提示信號(hào)，水上作業(yè)要穿好救生衣，注意用電安全，嚴(yán)格按照規(guī)程布置電纜，注意接頭的絕緣保護(hù)，并加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)操作人員管理培訓(xùn)。

（5）規(guī)范設(shè)備養(yǎng)護(hù)操作，防止環(huán)境污染。大部分引黃灌區(qū)為飲用水源保護(hù)地，小開河灌區(qū)沉沙池還是“國(guó)家濕地公園”核心區(qū)域，要注意規(guī)范操作，特別是添加機(jī)械油液時(shí)要尤其注意。

3 船泵（挖泥船和加壓泵站）結(jié)合遠(yuǎn)距離管道輸沙改良鹽堿地探討

第二次全國(guó)土壤普查數(shù)據(jù)顯示，山東省共有鹽堿地59.3 萬(wàn)hm2，占山東總面積的3.78%。黃河三角洲地區(qū)的濱海鹽堿地主要集中在濱州、東營(yíng)和濰坊市，三市鹽堿地的全省占比超過75%［4］，具有極大的開發(fā)利用潛力。鹽堿地土壤質(zhì)地黏重、緊實(shí)，結(jié)構(gòu)不良，而黃河泥沙有助于土壤鹽分的淋洗，相對(duì)降低土壤含鹽量，增加土壤肥力，對(duì)鹽堿土改良效果明顯［5］。自2013年開始，小開河灌區(qū)在沉沙池西南岸選取4.33 hm2鹽堿地開展摻沙改良種植水稻試驗(yàn)，采取無公害管理手段，施用農(nóng)家有機(jī)肥，稻谷產(chǎn)量達(dá)7 500 kg/hm2，水稻收割后種植的冬小麥產(chǎn)量達(dá)4 500 kg/hm2。2016 年又在“渤海糧倉(cāng)”選取23 hm2鹽堿地開展摻沙種植小麥試驗(yàn)，平均畝產(chǎn)提高60%，效果顯著。

濱州、東營(yíng)兩市引黃灌區(qū)眾多，年引沙量巨大，可試點(diǎn)采用挖泥船與加壓泵站結(jié)合進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸沙改良鹽堿地的探索?！按谩苯Y(jié)合管道遠(yuǎn)距離輸沙已經(jīng)成為一項(xiàng)相對(duì)成熟的技術(shù)，2006 年在濟(jì)南標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)中，由吸泥船和三級(jí)加力泵站結(jié)合，可將泥沙輸送到11 km 外的淤區(qū)，單船日輸沙能力可達(dá)到3 000 m3以上［2］。小開河灌區(qū)沉沙池距最下游的無棣縣北海新區(qū)僅30 km，而北海新區(qū)有大面積的可利用鹽堿荒地。未來通過管道向黃河三角洲北部鹽堿地輸送黃河泥沙，具有極高可行性。

通過鹽堿地合理?yè)缴?，一是可改善鹽堿土壤理化性狀，達(dá)到農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效的目的；二是能夠“水沙齊送”，緩解北部沿海地區(qū)淡水資源缺乏現(xiàn)狀，改善生態(tài)；三是能進(jìn)一步拓展城鎮(zhèn)發(fā)展空間，確保耕地總量動(dòng)態(tài)平衡，對(duì)國(guó)家堅(jiān)守土地紅線、保障糧食安全、促進(jìn)黃河下游引黃灌區(qū)可持續(xù)和高質(zhì)量發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。