引黃濟青工程渠首沉沙池泥沙優(yōu)化利用研究

侯 奔 鮑 芳 劉恒洋

(山東省調(diào)水工程運行維護中心濱州分中心, 山東 濱州 256600)

引黃濟青工程渠首沉沙池原規(guī)劃為9條,采用自流與揚水相結(jié)合的沉沙方式,循環(huán)使用,每條可用4～5年,規(guī)劃沉沙區(qū)可用40年[1]。自1989年投入運行以來首先使用的是2號沉沙池,因沉沙池征地問題遲遲得不到解決,因此未新建沉沙池。為確保引水工作的順利進行,自1993年以來一直采用“以挖待沉”的方式延續(xù)沉沙池使用壽命。在目前不能新建沉沙池的情況下,探索研究沉沙優(yōu)化利用的新路子,實現(xiàn)沉沙池循環(huán)可持續(xù)性開發(fā)使用的目的,具有十分重要的意義。

1 渠首沉沙池規(guī)劃設(shè)計

引黃濟青工程利用打漁張引黃閘引水,在打漁張灌區(qū)總干渠右岸設(shè)引黃濟青進水閘,進水閘自流進入低渠;建泵站進口閘,通過打漁張泵站揚水進入高輸沙渠,建低渠節(jié)制閘,自流進入低輸沙渠。高、低輸沙采用三堤兩河的型式,高、低輸沙渠下端接沉沙條渠。引黃濟青工程渠首沉沙池采用條渠形沉沙池。規(guī)劃沉沙區(qū)面積36km2,共劃分為9個沉沙條渠[2]。山東省引黃濟青渠首沉沙池總體布置見圖1,每個條渠面積為4.42～3.54km2,長度為8.92～5.51km,分期分條按順序使用。按引黃濟青工程設(shè)計供水年水平自流沉沙時每個條渠可用1.5～2年,揚水沉沙每個條渠可用2.5～3年,每個條渠總共可用4～5年規(guī)劃,沉沙區(qū)可用40年。

圖1 山東省引黃濟青渠首沉沙池規(guī)劃布置

引黃濟青渠首沉沙池第一期修建2號條渠,于1989年建成并投入使用,因遷占及資金困難,渠首段工程未再新建沉沙條渠。2號沉沙條渠[3],起于張寨村西北高低輸沙渠的末端,下端接輸水河。條渠設(shè)計長度6.09km,平均寬度571.5m,沉沙面積3.48km2。

2 沉沙池內(nèi)黃河泥沙顆粒級配分析

取用2號沉沙條渠內(nèi)黃河泥沙,經(jīng)過自然風(fēng)干、晾曬與去雜進行室內(nèi)試驗。篩分試驗結(jié)果見表1,顆粒級配曲線見圖2[4]。

表1 引黃濟青沉沙池內(nèi)黃河泥沙篩分結(jié)果

圖2 黃河泥沙顆粒級配曲線

3 渠首沉沙池運行情況

3.1 引水引沙情況

渠首沉沙池自1989年建成運行至2020年已有32年多,根據(jù)渠首沉沙池駐地建管單位歷年實際統(tǒng)計的引水時間、實測的引水量和含沙量統(tǒng)計計算,截至2020年底,已累計運行4492天,累計引水總量63.83億m3,累計引進泥沙量1405.09m3。渠首沉沙池歷年引水引沙統(tǒng)計情況見表2。

表2 渠首沉沙池歷年引水引沙量統(tǒng)計

3.2 沉沙池沉沙規(guī)律

從近幾年引黃濟青工程進水閘逐年逐月引水平均含沙量統(tǒng)計表(見表3)中可以看出,每年6—9月汛期泥沙含量高于非汛期泥沙含量,尤其是黃河調(diào)水調(diào)沙期間(7月),泥沙含量顯著增高。因此合理選擇引水時間,能起到減少引沙量的作用。

表3 引黃濟青工程進水閘逐年逐月引水平均含沙量統(tǒng)計 單位:kg/m3

3.3 泥沙處理情況

因引黃濟青工程運行初期渠首打漁張泵站未建,渠首沉沙池于1992年底已基本失去自流沉沙能力,自1993年起就因進口附近局部淤積而影響了引水工作正常進行,亟須對沉沙池進行清淤。因工程范圍以外沒有規(guī)劃棄淤場,在當(dāng)時條件下不得不把棄淤貼在沉沙池上、中游遠(yuǎn)離主溜溝的大堤內(nèi)坡上,簡稱內(nèi)貼式清淤。多年來內(nèi)貼式清淤,共占用沉沙池內(nèi)沉沙面積117萬m2,占整個沉沙面積的30.40%,導(dǎo)致沉沙效率顯著降低。如再無限度地繼續(xù)擴大內(nèi)貼面積,勢必嚴(yán)重影響沉沙池的功能。因此自1996年開始采取“化整為零、臨時占用、合理補償、適時還耕”的方針租地,將淤積泥沙外排。渠首沉沙池自1993年開始大規(guī)模清淤,截至2020年,共清淤22次,累計清淤1190.59萬m3,平均每次清淤56.90萬m3。清淤方量最大年份為1993年,清淤129.71萬m3。歷年沉沙池沉積量和清淤量統(tǒng)計見表4。

表4 歷年沉沙池沉積量和清淤量統(tǒng)計

4 渠首沉沙池泥沙處理面臨的問題

引黃濟青工程沉沙池自1992年實施清淤以來,工程當(dāng)?shù)亟ü軉挝坏墓こ碳夹g(shù)人員對泥沙處理方式和綜合開發(fā)利用進行了積極的探索,共處理泥沙1190萬m3,其中外排清淤593.65萬m3,內(nèi)貼596.35萬m3。

泥沙處理對沉沙池運行帶來了一定影響,面臨如下問題:

a.內(nèi)貼式清淤占用沉沙池面積117.20萬m2(約1757畝),使沉沙池的沉沙面積減少了1/3,大大降低了沉沙能力。雖然高速公路建設(shè)從沉沙池內(nèi)運走了300余萬m2的淤土,但受施工方式的限制,還沒能挖到原沉沙池設(shè)計高程,還沒能形成有效沉沙區(qū)域。

b.外排清淤受耕地保護的限制,有一定的局限性。

c.隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展,膠東地區(qū)的用水量越來越大,年平均引黃河水5億m3,是原設(shè)計引黃水平的數(shù)倍,平均每年大約50萬m3的泥沙進入沉沙池,泥沙處理的壓力越來越大。每年都需要進行清淤工作,否則將直接影響膠東地區(qū)的送水任務(wù),影響膠東青煙濰威的供水安全。

5 泥沙利用建議

渠首2號沉沙池能否循環(huán)可持續(xù)利用,是渠首建管單位面臨的挑戰(zhàn)。為此,渠首建管單位組織工程技術(shù)人員對渠首沉沙池優(yōu)化利用進行了廣泛研究,提出以下開發(fā)利用建議。

5.1 拓展泥沙存放空間

由于內(nèi)貼清淤占用沉沙池沉沙面積,影響沉沙功能,盡量不要采用;外排清淤受耕地保護的限制,有一定的局限性。泥沙處理,有足夠的棄淤場地是關(guān)鍵。因此,要充分地利用周邊可利用的洼地、原已征建設(shè)用地,建立可循環(huán)使用的泥沙臨時存放地才能保證清淤工作的開展。工程建設(shè)時在高渠右側(cè)征遷了1000余畝土地作為圍筑高渠的取土場地,有670畝被渠首當(dāng)?shù)厝罕婇_發(fā)成養(yǎng)蝦池或者林地,濱州分中心正在積極協(xié)調(diào),通過河長辦收回被占土地。這1000余畝洼地作為清淤的主要臨時存放區(qū),周邊其他可用地作為補充存放區(qū),通過泥沙的利用,可實現(xiàn)存放區(qū)域的循環(huán)周轉(zhuǎn)使用。同時,還可進一步拓展泥沙存放空間,如將泥沙用于黃河大堤淤背建設(shè)等。

5.2 推進泥沙資源化利用

5.2.1 作為工程建設(shè)地基用土

沉沙池清淤堆放的泥沙用于道路施工的基礎(chǔ)用土,已有成功的經(jīng)驗。2017年,長深高速廣饒至高青段建設(shè)期間,外運土方370萬m3,用于高速公路路基建設(shè);2019年,沾臨高速工程建設(shè),又外運土方200萬m3,有力地支援了高速公路建設(shè),節(jié)省了取土占地,同時騰出了沉沙池內(nèi)貼清淤占地,一舉兩得。還要不斷多方開源,積極協(xié)調(diào),如205國道改道工程施工、周邊其他工程用土等,實現(xiàn)泥沙的有效利用[4]。

5.2.2 作為新型建材原材料

黃河泥沙用于建材產(chǎn)品的生產(chǎn)原材料,有過許多的探索嘗試,積累了沉沙優(yōu)化利用的寶貴經(jīng)驗。一是建設(shè)在2號沉沙池下游的山東某新型墻體材料有限公司,引進了意大利具有世界先進水平的技術(shù)設(shè)備,用黃河泥沙生產(chǎn)各種普通燒結(jié)磚、高檔裝飾磚、地磚、裝飾貼片。該公司一期工程投資1.53億元,于2006年5月投產(chǎn),年生產(chǎn)能力2.5億標(biāo)塊。公司前期生產(chǎn)較好,但后期由于經(jīng)營、工藝等原因被迫停產(chǎn)。二是成立于2018年的某新型墻體材料有限公司,是占地46畝、職工30余人的小廠,利用沉沙池淤土,外加粉煤灰、礦渣生產(chǎn)煤矸石磚(黃河淤泥白磚),見圖3,變廢為寶,年產(chǎn)量6000余萬塊,所生產(chǎn)的磚符合環(huán)保要求和質(zhì)量要求,供不應(yīng)求,效益顯著。年利用泥沙15萬m3,為黃河泥沙利用提供了成功案例。

圖3 煤矸石磚及生產(chǎn)車間

5.2.3 改良低洼鹽堿荒地

澇洼鹽堿地改良主要為淤改土地,其以促進社會生產(chǎn)為主要目的,同時起到利用黃河泥沙的作用。黃河泥沙中富含多種礦物質(zhì),尤其是汛期泥沙極具肥效且肥力持久。把黃河淤泥作為改良土壤、改堿、壓鹽、平整土地、改善土壤機構(gòu)的重要原料。臨時租用地方群眾的瘠薄荒地,使用2～3年,在使用期內(nèi)合理補償,把瘠薄荒堿地改造成良田,還耕前在棄淤場表層覆蓋厚30cm紅黏土。這種方式受到當(dāng)?shù)卣腿罕姷闹С峙c歡迎。1996—2006年,此途徑利用泥沙593.65萬m3,改良荒堿地1628畝,產(chǎn)生了較大的社會效益和經(jīng)濟效益。

5.3 減少泥沙的引進

近年來年平均含沙量平均值在1.22～1.46kg/m3,而汛期或調(diào)水調(diào)沙期間[5],含沙量可達10～20kg/m3。因此,可通過優(yōu)化引黃調(diào)度,盡量避開汛期或者調(diào)水調(diào)沙時引水,減少引沙量。

6 結(jié) 語

渠首建管單位的工程技術(shù)人員,幾十年來積極探索沉沙池優(yōu)化利用的途徑,有效延續(xù)了2號沉沙池的使用壽命,節(jié)約了大量占地資金,取得了顯著的社會效益。引黃濟青沉沙池沉沙優(yōu)化利用的探索和嘗試,為引黃灌區(qū)實現(xiàn)沉沙池循環(huán)可持續(xù)利用,推進調(diào)水事業(yè)乃至黃河流域高質(zhì)量發(fā)展積累了成功經(jīng)驗。