簡介： 黃河下游引黃灌溉中的泥沙主要采取放淤改土、改造低洼鹽堿沙荒地，對黃河下游兩岸發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、改善生態(tài)環(huán)境，起到了重要作用。本文主要從分析計(jì)算含沙量沿垂線分布特點(diǎn)，探討渠首防沙的作用，分析灌區(qū)泥沙淤積分布特性與泥沙處理利用的關(guān)系，分析計(jì)算引水引沙對黃河下游河道沖淤影響及入渠泥沙的處理利用等問題。

　　關(guān)鍵字：灌溉 引水引沙 渠首 沉沙池

　　基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金和水利部聯(lián)合資助重大項(xiàng)目（59890200）

　　作者簡介：程秀文（1935-），女，黃科院教授級高工。

　　1 前言

　　黃河下游引黃灌溉自1952年人民勝利渠開始灌溉以來，經(jīng)歷了試辦、大辦、停灌、復(fù)灌和穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展的曲折過程。據(jù)1990年統(tǒng)計(jì)[1]，黃河下游共有引黃渠首工程128處，萬畝以上灌區(qū)156處。實(shí)灌面積由50年代30萬hm2左右，發(fā)展到186萬hm2，灌溉用水量112億m3，引沙量1.2億t，分別占黃河下游來水、來沙量的32.9%和18.2%.

　　黃河下游兩岸地勢平坦，渠道坡降平緩，這些泥沙進(jìn)入灌區(qū)，如果處理不好，必將引起渠道淤積，甚致引起次生鹽堿。幾十年來，黃河下游的引黃泥沙主要采取大規(guī)模沉沙放淤，改良低洼沙堿地，減少渠系泥沙，這樣既防止或減輕渠道泥沙淤積，又可改善生態(tài)環(huán)境，為發(fā)展下游引黃灌溉積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。由于幾十年的灌溉沉沙，還能利用沉沙的低洼地、鹽堿沙荒地不多了，“以挖待沉”的方法既需很高的經(jīng)費(fèi)，還有挖出泥沙如何放置的問題，給黃河下游引黃泥沙處理帶來新的問題。

　　2 黃河下游來水來沙和灌溉引水引沙概況

　　2.1 黃河下游來水來沙變化概況

　　黃河流域經(jīng)過長期持續(xù)的治理和開發(fā)，使下游來水來沙量發(fā)生很大的變化，直接影響到灌溉的引水引沙量。我們統(tǒng)計(jì)了花園口和利津站1952～1996年實(shí)測水沙量，前者反映了來水來沙條件的變化，后者還粗略地反映了下游灌溉引水的情況。花園口站多年平均水量為416.5億m3，其中汛期240億m3，占年水量的57.6%；多年平均沙量為11.1億t，汛期9.33億t，占年沙量84%，平均含沙量為26.6kg/m3.可見泥沙主要集中在汛期，汛期含沙量達(dá)38.9kg/m3.45年的水沙過程，都呈減少的趨勢。三門峽水庫1974年以后，蓄清排渾運(yùn)用，非汛期蓄水?dāng)r沙，下游來水量明顯減少，而下游灌溉主要在非汛期，對灌溉引沙是有可能減少的。利津站1951～1996年平均水量為352億m3，較花園口站減少了64.5億m3，大部分是工農(nóng)業(yè)引水和生活用水。這部分減少的水量是逐年增加的，50年代和60年代變化不大，70年代和80年代該站水量只有287.5億m3和298.5億m3，比花園口站分別減少 81.9億m3和128.1億m3，下游工農(nóng)業(yè)用水大幅度增加，80年代的引水量超過100億m3，90年代花園口站的來水量只有246.8億m3，下游引水量仍超過100億m3，到利津站僅145.3億m3.

　　2.2 黃河下游灌溉引水引沙情況（表1）[2]

　　50年代和60年代年平均引水量分別為21.3億m3和33.4億m3，分別占黃河下游年平均來水量的4.7%和6.4%；引沙量分別為0.55億t和0.53億t，入渠含沙量分別為河道含沙量的75%和67%.70年代和80年代平均引水量分別為84.8億m3和113億m3，為50年代的4～5倍，引沙量分別為1.66億t和1.31億t，分別為50年代的3倍和2.4倍。

　　3 渠首防沙

　　黃河下游灌溉引水均為無壩引水，引水建筑物有涵閘、虹吸和抽水泵站三種，渠道進(jìn)沙情況基本上可以分為三類：第一類位于河南境內(nèi)游蕩性河道黃河南岸的渠首，如花園口和黑崗口淤灌渠，渠首布置在險(xiǎn)工上，引水渠較短，受壩垛挑流影響，入渠含沙量一般比黃河含沙量大10～20%；第二類位于河南境內(nèi)黃河北岸的渠首，如人民勝利渠和紅旗渠，引水口位于老灘邊，引水渠長，入渠含沙量較黃河含沙量小，一般偏小10%左右；第三類是布置在山東境內(nèi)的彎曲河道凹岸的渠首，如位山、打漁張渠，防沙作用較好，入渠含沙量為黃河含沙量的88%.采用武漢水利電力大學(xué)提出的含沙量在二維均勻流中的沿垂線分布公式[3]，計(jì)算花園口和利津站的懸移質(zhì)不同粒徑的含沙量垂線分布。該公式為

　　S=S*β（1+β）/（β+ξ）2

　　（1）

　　式中參數(shù)β=0.2z-1.15-0.11，z為懸浮指標(biāo)。計(jì)算結(jié)果從表2可知，泥沙粒徑小于0.03mm的含沙量沿垂線分布比較均勻，水面的含沙量比斷面挾沙力偏小不到10%，而這部分泥沙占下游來沙量的64%；泥沙粒徑大于0.04mm的含沙量沿垂線分布隨著泥沙粒徑增粗，不均勻系數(shù)增加，如粒徑為0.06mm時(shí)，水面含沙量比斷面挾沙力偏小達(dá)30%，這部分泥沙占黃河下游來沙量的16%，即使按上述理想條件來防沙，對總沙量說，渠首防沙的作用不大。

　　4 灌區(qū)泥沙分布特點(diǎn)

　　由于灌區(qū)地形平坦，渠系比降平緩，大量泥沙進(jìn)入灌區(qū)，必將引起渠道淤積。為防止或減輕渠道淤積，幾十年來在實(shí)踐中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，盡量把泥沙送到田間，有的灌區(qū)能把70%以上入渠泥沙送到田間，但大部分灌區(qū)送到田間的泥沙不多[1].河南境內(nèi)渠道比降大，送到田間泥沙可達(dá)43.3%，而山東渠道比降小，送到田間泥沙只有8.8%；進(jìn)入排水系統(tǒng)的泥沙分別為11.5%和6.5%，除此之外，大部分泥沙必須進(jìn)行處理，否則就將淤積在渠道內(nèi)，影響灌區(qū)的正常運(yùn)用。由于黃河下游是地上懸河，兩岸堤背存在著大量低洼的鹽堿沼澤地，以及歷史上黃河決口形成的潭坑，將這些地方作為沉沙池進(jìn)行沉沙，減少入渠含沙量，同時(shí)還可以改良土壤，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，40年來黃河下游兩岸利用引黃泥沙放淤改土，改造低洼鹽堿沙荒地約20萬hm2.但是，由于長期沉沙，可以放淤沉沙土地不多了，從而增加了處理利用泥沙的困難。

　　上述分析表明：下游引黃灌溉的泥沙主要沉在堤背的低洼地，從而增加堤背地面高程，減少臨背高差，表3是山東河段臨背高差的變化情況[4].解放前臨背高差普遍增加，平均每年升高0.067m，1951～1983年除東明上界至渠山十里鋪平均每年升高0.032m外，其余堤段都不同程度的減少，平均每年減少0.003～0.012m.河南河段堤根灘地大部分為高灘，很少上水，背河地面也曾有灌溉放淤，使地面升高，鄭州河段內(nèi)臨背高差由1933年的3.69m，減少到0.85m，這是十分重要的現(xiàn)象，有人用黃河的臨背高差來預(yù)測現(xiàn)行河道的壽命，如果能有計(jì)劃地處理灌區(qū)泥沙，改良鹽堿沙荒地，改善生態(tài)環(huán)境，發(fā)展生產(chǎn)，同時(shí)可以加固堤防，控制臨背高差的發(fā)展，延長現(xiàn)行河道的年限。

圖1 引水引沙示意圖
Sketch of diversion water and sediment

圖2 引水引沙對河道沖淤影響關(guān)系圖
Relationship curves showing the impact of withdrawing water and sedimenton channel deposition and erosion

　　5 引黃灌溉對下游河道沖淤影響

　　這是引黃灌溉中又一個(gè)重要問題，自古有“分流必淤”之說，但佟二勛提出了不同看法[5].我們從黃河下游常用的輸沙能力公式出發(fā)，假定河道水流為恒定均勻流，灌溉引水引沙不變，分流后河床自動調(diào)整，河道很快恢復(fù)平衡，推導(dǎo)出灌溉引水對下游河道沖淤影響的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式（圖1）。

　　5.1 河段灌溉引水引沙對本河段河道的沖淤影響

　　其關(guān)系為

　　（ΔW′s1-2-ΔWs1-2）/Ws1=Ps21[（1-aq/Ps21）-（1-q）α2]

　�。�2）

　　根據(jù)（2）式計(jì)算了不同分流分沙比時(shí)對河道增加淤積的情況（圖2）。圖中縱坐標(biāo)為增淤百分?jǐn)?shù)，等于（ΔW′s1-2-ΔWs1-2）/Ws1.由圖可以看出：河段內(nèi)引水對河道沖淤影響與原河道沖淤（��Ps21）、分流比（q）、分沙比（a）和流量指數(shù)（α）�в嘘P(guān)，并得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

　�。�1）Ps21<1時(shí)原河道為淤積，Ps21>1時(shí)為沖刷。其他條件相同時(shí)，原河道淤積時(shí)引水對河道增淤作用較沖刷時(shí)小。α2=2時(shí)，a/Ps21≥2的情況下，引水不僅不增加河道淤積，反而減少淤積。所以分流不一定都會增加河道淤積。

　�。�2）分沙比對河道沖淤影響是直線關(guān)系，分沙比越大，對河道沖淤影響越小，而分流比是呈拋物線關(guān)系，即分流對河道有增淤影響，在其條件一定情況下，隨著分流比的變化，引水對河道增淤影響有一個(gè)最大值，超過相應(yīng)此值的分流比以后，對河道增淤影響的作用就越低。

　�。�3）實(shí)際上，當(dāng)分流比很大時(shí)，分沙比是變化的，這種情況下引水對河道可能減少淤積，但由于河道流量減少，過水面積減小，泥沙淤在河槽內(nèi)，使河道萎縮，這種影響更為嚴(yán)重。

　　5.2 上段河道灌溉引水對下游河道沖淤的影響

　　關(guān)系式為

　�。é�W′s2-3-ΔWs2-3）/Ws2=（1-q）α2[1-Ps32（1-q）α3-α2]-（1-Ps32）

　�。�3）

　　由（3）式可以看出：上河段灌溉引水對下河段的沖淤影響主要與河段原來的沖淤狀況（P�﹕32）、上河段的分流比（q）及流量指數(shù)α2，α3有關(guān)。采用公式（2）和（3）計(jì)算1980～1984年實(shí)測黃河下游引水引沙對下游河道沖淤影響。這有兩種情況：一是三門峽、黑石關(guān)和小董以上灌溉用水引起的影響，該時(shí)期灌溉年用水量162.7億m3，引沙0.54億t，使下游河道增淤0.2億t；二是三門峽、黑石關(guān)和小董以下同時(shí)引水量106億m3，引沙量1.02億t，使下游河道增淤0.38億t.引黃灌溉對下游河道沖淤影響，還曾用水動力學(xué)泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算1974年7月至1992年6月的水沙系列，計(jì)算結(jié)果是下游河道平均增淤0.2億t.這樣，黃河流域灌溉用水268.8億m��3，使下游河道每年增淤約0.5億t左右，影響還是比較大的。

　　6 幾點(diǎn)認(rèn)識

　　1.黃河下游河道是嚴(yán)重淤積的 “地上懸河”，兩岸引水灌溉具有足夠的水位，不需要修建樞紐抬高水位引水，也不允許修建樞紐攔沙，把泥沙放在河道里，故目前均為無壩引水；下游來沙主要是顆粒較細(xì)的懸移質(zhì)，沿水深分布較均勻，若采用人工環(huán)流或表層取水來減少入渠泥沙會有一定作用，同時(shí)，近20～30年來黃河下游來沙量明顯減少，入渠沙量也有所減少，但年均入渠沙量有1.0億多t.說明黃河下游在目前情況下，灌溉引水必引沙，灌區(qū)要充分加以利用，變害為利。

　　2.黃河下游灌區(qū)處理泥沙希望把泥沙送到田間，既可以防止渠道泥沙的淤積，又可以肥田發(fā)展生產(chǎn)，但由于黃河兩岸地勢平坦，目前除少數(shù)灌區(qū)可以把大部分沉沙送到田間外，大部分灌區(qū)無法送到田間，幾十年來的經(jīng)驗(yàn)表明，利用兩岸低洼、鹽堿、沙荒地修建沉沙池是處理泥沙、解決渠系泥沙淤積的有效途徑，同時(shí)還可改良土壤，改善生態(tài)環(huán)境。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到1990年已經(jīng)改良土地達(dá)20萬hm��2.必須指出，由于長期灌溉沉沙，原來的鹽堿洼地已經(jīng)不多了，采用“以挖待沉”的方法處理泥沙，不僅費(fèi)用高，并且從沉沙池清理出來的泥沙，堆積占壓農(nóng)田，如不及時(shí)處理，可能給周圍環(huán)境帶來沙化問題，給灌區(qū)泥沙處理帶來新的問題。

　　3.人民治黃以來，通過引黃灌溉發(fā)展兩岸生產(chǎn)，同時(shí)淤高地面，據(jù)1983年以前實(shí)測資料分析表明，黃河下游大部分堤段的臨背高差維持不變或略有減小�？梢哉J(rèn)為，在兩岸一定寬度內(nèi)有計(jì)劃淤高地面，造成“相對地下河”是有可能的。當(dāng)然對這類問題的研究，不僅是技術(shù)問題，還有政策導(dǎo)向、 管理運(yùn)用等問題。

　　4.黃河下游引黃灌溉，有發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和改善環(huán)境的綜合效益，也有加重河道淤積的影響，特別是水量的減少，以致發(fā)生斷流的嚴(yán)重現(xiàn)象，對河道萎縮的影響是嚴(yán)重的，這是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，有必要進(jìn)行研究，供宏觀決策參考。

　　參 考 文 獻(xiàn)

　　[1] 張永昌，楊文海等。黃河下游引黃灌溉供水與泥沙處理。黃河水利出版社，1998.

　　[2] 趙文林。黃河泥沙。黃河水利出版社，1996.

　　[3] 張瑞瑾，謝鑒衡等。河流泥沙動力學(xué)，水利電力出版社，1988.

　　[4] 錢意穎，程秀文等。黃河流域灌溉用水與河流環(huán)境問題。‘95全國水力學(xué)與水工水力學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集。

　　[5] 佟二勛。黃河下游引黃供水泥沙問題。中美黃河下游防洪措施學(xué)術(shù)討論會論文集，中國環(huán)境科學(xué)出版社，1989.

黃委會水利科學(xué)研究院·程秀文，尚紅霞，陳發(fā)中，錢意穎