黄河位山灌区沉沙池通道输沙的应用

戴 清 ，胡 健 ，李春涛 ，高 超 ，蒋如琴

（1.中国水利水电科学研究院，100048，北京；2.山东省聊城市位山灌区管理处，252000，聊城；3.山东省聊城市测绘院，252000，聊城）

位山灌区是黄河下游大型引黄灌区之一,全国第五大灌区，控制聊城8个县(市、区)85个乡(镇)的大部分耕地。设计引水流量240 m3/s，加大流量380 m3/s，设计灌溉面积540万亩 （36万hm2）， 计划最大灌溉面积1145 万亩（76.3 万 hm2）。灌区采用“集中沉沙与远距离输沙相结合，自流沉沙与以挖待沉相结合，机械化清淤施工与高地开发治理相结合，泥沙利用与扶贫相结合”的原则，探索解决制约灌区发展的泥沙问题，以适应灌区泥沙处理要求。

一、灌区清淤情况

时段划分方法综合考虑了灌区运行的具体情况，不同时段清淤情况与输沉区范围工程建设情况具体说明如下。

①复灌初期1970—1983年的13年。复灌初期引水规模不大，灌区引、输水条件相对较差，工程建设情况为1970—1983年西沉沙池1～5号池建设和1973年完成东沉沙池1～3号池建设。灌区13年来清淤部位主要为闸前和东西输沙渠及部分干渠。清淤总量为3518.6万m3，年均清淤量为270.7万m3。清淤方式为人工作业。投入工日1827.13万个，人工清淤率平均为每个工日1.93 m3。

②改建期1984—1993年。改建期灌区规模扩大，引水进沙量增加，大河引水条件相对较好，工程建设情况为1985年东输沙渠渠首段3.5 km、西输沙渠渠首段9.7 km渠道衬砌和1993年西输沙渠渠首段9.7 km边坡加高，下游至沉沙池入口渠道衬砌及总干渠道衬砌。灌区11年来闸前已基本不清淤，清淤部位主要为沉沙池及输沙干渠。清淤总量7401.5万m3，年均清淤量672.9万m3。清淤方式仍为人工作业。投入工日3660余万个，人工清淤效率平均为每个工日2.02 m3。

③浑水引黄期1994—1999年。受黄河下游供需矛盾尖锐及经常断流影响，下游灌区经常汛期引用浑水。灌区沉沙池及输沙干渠泥沙处理负担加重，工程建设情况为1996年西沉沙池6号池建设和1999年东输沙渠下游至沉沙池入口渠道衬砌。灌区 6年来清淤总量4844.0万m3，年均清淤量807.3万m3。为提高效率，争取时间及解决投劳人工调派困难，清淤采取机械方式。

④小浪底运用初期2000—2003年。小浪底1999年年底投入运行，清水下泄。位山灌区总体引水含沙量减小，粒径偏粗。泥沙处理负担未明显改善。清淤部位主要为沉沙池，输沙干渠亦进行大规模清淤，如2001年西输沙渠清淤507.7万m3。4年来清淤总量为3201.7万 m3，年均清淤量 800.4万m3。清淤采取机械方式。

⑤引水条件改变期2004—2006年。自2004年开始，黄河下游山东河段河床明显下切，同流量进水，沙量明显减少。清淤部位主要为沉沙池。3年来清淤总量1261.4万m3，年均清淤量420.5万m3，清淤量的减小也与东沉沙池试验采取通道输沙方式有关，年均清淤量为小浪底运用初期4年平均年清淤量的52.5%。清淤采取机械方式。

⑥通道应用期2007—2009年。西沉沙池通道输沙应用，沉沙池仍开挖输沙通道，清淤泥沙堆放在通道两侧形成挡水堤，加大通道过水能力。工程建设情况为2007年对西输沙渠全渠段进行缩窄改造。灌区3年来清淤总量为142.4万m3，清淤量减小原因主要为西沉沙池采取通道输沙方式，而其中2009年按未清淤计算，年均清淤量为47.5万m3，清淤采取机械方式。

以年清淤量500万m3计算，按2007年年底机械清淤单价计算，200 m以内就近和200 m以外远送取费分别为 4.0元/m3和6.5元/m3。由此得到灌区每年支付的清淤费用达2000万～3250万元。如果按人工清淤每个工日清淤量2 m3计算，灌区仅能支付单工日费用10元左右，这在当今是不可想象的。因此灌区自1993年以来一直采用机械清淤。这只是单项清淤费，以后治理费用及有限的沉沙填沙场地征用问题，必然随着运行时间的延长而越来越突出。因此，寻求泥沙长距离输送调水运行方式，减少沉沙池淤积是当务之急。

二、通道形态及实施过程

1.通道清淤方式与传统清淤方式对比

以实测断面资料对比，说明两种清淤方式的不同及形态差异，如1、5号池17＋500桩号断面。2003年4月实测断面形态，如图1所示。断面形态运行后自然形成中间主槽两边滩地的断面形态，按传统空库清淤，竣工后如2003年7月断面形态，池底高程34.8 m，池底宽约220 m。2007年11月实测断面形态为：右侧为主槽，左边形成滩地，但2007年12月清淤只到16＋850桩号，该断面未清淤。至2008年9月，断面形态变化不大，略有抬升，右侧仍保持为一过水主槽。2008年10月采取修筑通道方式清淤，在中间偏左开挖底高程34.8 m、底宽40 m的沟槽，挖出的泥沙堆放于沟槽两侧，形成高程39.2 m、顶宽约25.0 m的两道土堤。由前可知，经过2009年灌期运行，2009年9月实测，通道形态基本保持不变。右侧通道堤外原沟槽略有淤积。再经2010年灌期运行，到2010年4月，通道变得更加窄深，深泓点高程降到34.4 m，右侧沟槽基本淤平。

传统清淤方式下，采用泥沙全部清出空池方式，堆放于池外某一侧的堆沙场。沙堆土质松软，随着水分流失蒸发，颗粒变得松散，风吹日晒，如不及时处理即二次平整治理，则会形成人造风沙沙源。亦有池两侧无条件堆沙池段，将清淤泥沙放置池内一侧，池内淤筑高台，占据了部分容积，相对来说二次治理难度减小。

2.实施过程概况

图1 沉沙池清淤方式及形态对比

东沉沙池于2003年夏进行传统的空库清淤，清淤量为171.6万m3。随着小浪底运行闸前引水条件变化，引水含沙量减小，沉沙池淤积体自上而下缓慢发展。至2005年冬，为适应大流量引水机会减小而中小流量增加、历时加长的引水现状，灌区决定改变以往的空库清淤方式，探索在沉沙池淤积体上开挖通道，形成底槽，保持高滩，即采用通道输沙方式。东沉沙池通道经2006年灌期和2007年灌期运行检验，淤积明显减小，且过流条件变化不大，仍能满足灌区引水要求，而且并未造成下游干渠的淤积加重问题。西沉沙池2007年11月决定试验性采取通道输沙方式，具体情况见后文所述。

三、应用效果

1.分析方法

由灌区清淤报表及沉沙池各测次断面测量结果，分析不同清淤方式工况下的沉沙池容积变化及输水输沙条件变化。

①观测布置及测时：观测沿主泓线布置导线，间隔50 m或100 m布设一个断面。每年灌溉引水运行后对沉沙池形态进行观测。

②计算方法：计算39.5 m高程以下断面形态，得到测时容积。计算37.0 m高程以下断面形态，分析得到测时平均输水输沙形态参数。参见图1。容积计算考虑了通道两侧筑堤带来的减小。过水形态还包括通道外沟槽。

③沉沙池清淤量结果：由灌区工程科提供的历年清淤部位、方量报表，整理沉沙池运行情况及测前清淤量。

④回淤量估算：测前清淤量与沉沙池容积增加量之差或测前清淤量与沉沙池容积减小量之和。

2.效果分析

对比近年灌区运行、清淤情况及测验分析结果，概述如下：

①第一种工况为1、5号沉沙池传统清淤结果。2001年冬按传统方式清淤，清淤量291.83万m3。清淤后经过2003年灌期运行 （2002年冬灌和2003年春灌），2003年4月进行断面测量，测时容积361.05万m3，以此作为传统清淤效果分析的起始形态。由测时输水输沙条件分析结果可知，测时过水面积较大，池底高程较低，仍具备输水运行条件。但按传统轮灌方式要求，分别于2003年夏及2005年夏对沉沙池进行了两次传统方式清淤，清淤量为446.92万m3。这期间经过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）运行。2007年11月进行断面测量，与2003年测量结果对比，容积增大85.87万m3，如粗略考虑两次清淤泥沙均清出沉沙池，堆沙于池外，与实际容积增大之差可知回淤量为361.09万m3。

②第二种工况为1、5号沉沙池应用通道清淤结果。由2007年11月实测结果分析，试验采用通道清淤方式，于2007年12月沉沙池上游段初次开挖通道（15＋000～16＋850），清淤量14.37万m3。清淤后经过2008年灌期运行 （2007年冬灌和 2008年春灌），2008年9月进行断面测量，测时容积362.24万m3，容积减小84.68万m3。接着于2008年10月对全池进行通道开挖，清淤量为55.03万m3。不采取轮灌方式而仍用1、5号沉沙池，经过2009年灌期运行（2008年冬灌和2009年春灌），2009年9月进行断面测量，测时容积353.98万m3，容积减小8.26万m3。沉沙池维持通道状态，因此2009年不清淤，持续沿用该沉沙池，检验运行效果，经过2010年灌期运行（2009年冬灌和2010年春灌），2010年4月进行断面测量，测时容积329.93万m3，容积减小24.05万 m3。仍沿用前述回淤量估算方法，得到三次测时回淤量分别为99.05万 m3、63.29万m3和24.05万m3。

③第三种工况为6号沉沙池采用传统清淤方式沉沙池观测效果。2002年冬按传统方式清淤，清淤量420.0万m3。清淤后经过2004年灌期运行 （2003年冬灌和2004年春灌），2004年4月进行断面测量，测时容积437.97万m3，以此作为传统清淤效果分析的起始形态。由测时输水输沙条件分析结果可知，测时过水面积较小，池底高程较高，已不具备输水运行条件。因此于2004年夏对沉沙池进行了传统方式清淤，清淤量为311.0万 m3。而后经过2006年灌期（2005年冬灌和2006年春灌）运行，2006年11月进行断面测量，与2004年测量结果对比，容积增大100.03万m3，回淤量为210.97万m3。测时过水面积较大，池底高程较低，完全具备输水运行条件，但仍按传统清淤方式分别于2007年夏对沉沙池进行了清淤，清淤量为204.0万m3。清淤后断面测量结果表明，沉沙池容积增大150.19万m3。 测时容积达到 688.2万 m3，基本恢复为空池状态。

从上述3种工况效果对比，可以得到以下认识：

①传统清淤方式清淤时机保守。清淤时沉沙池尚具备输水输沙条件，但仍清淤。由2003年4月与2009年9月两次测验结果表明，2003年输水输沙条件与2009年接近，但2003年清淤空池，清淤量244.6万m3（2005年清淤228.8万m3），而2009年没有清淤，经1个灌期的运行，到2010年4月仍具备输水输沙条件。

②传统清淤方式清淤量越大回淤量也越大，且增大池外堆沙环境及处理负担。1、5号沉沙池清淤446.96万m3，回淤361.96万m3；6号沉沙池清淤 311.0万 m3， 回淤 210.97万 m3。1、5号沉沙池两次清淤量和6号沉沙池三次清淤量分别为738.8 m3和935.0 m3，池外累计堆沙量达到1663.79万m3。如果按6 km长、2道100 m宽的场地填放，那么将形成约14 m高的一堵沙墙。

③通道清淤方式沉沙池使用时间长、清淤量小且无池外弃沙。开挖通道清淤泥沙就近堆放在沟两侧，筑成挡水堤，增加了通道行水能力。大大减小了灌区清淤量，1、5号沉沙池清淤两次通道清淤量仅 69.4万 m3，2009年实现了零清淤。经过2009—2010年3个灌期运行，仍可满足输水输沙要求。无沙清出池外，因此极大地减轻了输沉区沙化环境治理的负担。

④通道清淤方式回淤量小，适当维护可保持输水输沙条件。运行情况表明通道输沙回淤量小，3个灌期后总回淤量仅为186.39万m3，从各次淤积分布看，2007年11月时19＋000桩号下游段基本为空池，2008年灌区运行泥沙回淤于此。2008年10月全池通道清淤，2009年灌区运行通道有泥沙淤积，但沿程两侧各处堤质不同，未进行加固处理，主流上滩甚至改道冲毁挡水堤，通道外滩面淤积亦占很大比例。随着淤积发展，今后适时对挡水堤进行简单修补加固，尽量减小漫溢上滩机会。通道清淤恢复施工快，因此，两池轮换间隔大大加长，闲置年限增长，不仅增加了沉沙池及周边占地的使用寿命，而且可以考虑他用，合理规划发挥土地资源的价值。

四、结 语

位山灌区自1970年复灌以来，40年骨干渠道清淤泥沙量超过2.0亿m3，多年平均年清淤量为509.2万m3。东西沉沙池清淤占骨干渠道清淤量的54.26%，即 1.1亿 m3，形成面积 1.9万亩 （0.127 hm2）、 高 8.68 m的沙质高地。从清淤量不同时段变化看，小浪底运行前几年及运行初期，位山灌区泥沙处理负担最重，年清淤量达800万m3。2004年以后，进沙减少，淤积减轻。与灌区其他措施综合作用结果，2004—2006年年均清淤量减到420.5万m3，为前期年均清淤量的52.5%。为减少输沉区泥沙淤积，2007年西沉沙池采取通道输沙方式，经3年运行，观测分析表明，年清淤量降为多年平均值10%以下，甚至实现2009年零清淤的理想效果。

位山灌区输沙渠、沉沙池、干渠骨干渠道及沿程支渠形成一个庞大的输水输沙工程系统，相互关联，沉沙池减淤措施仍需要更深入地研究，如粗细沙运行机理、冲淤规律及通道形态影响等。本次研究成果也为其他灌区甚至中小型水库等水利工程维持和发挥应有的作用提供技术支持。当水资源和土地资源日益匮乏，异常气候环境造成不同区域和范围地区性缺水概率增大时，水利工程减少泥沙淤积的实际作用就是增加蓄水调水容积及能力，意义更为重大。

[1]戴清，史红玲.灌区系统输沙计算模型及引黄灌溉对策研究报告[R].中国水利水电科学研究院，2002.12.

[2]戴清，傅建国.引黄灌区农业水利成本和水利农业效益分析[J].中国水利，2009（11）.

[3]戴清，张治昊，胡健，蒋如琴.黄河下游引黄灌区渠系工程技术问题及解决对策[J].中国水利，2008（13）.

[4]戴清，刘春晶，张治昊，王艳华.浅淡引黄灌区区域泥沙资源化实践中的若干问题[J].水利经济，2007（1）.

[5]戴清，曹文洪，史红玲，王艳华.引黄灌区有关问题与实现水沙配置的效益分析[J].中国水利水电科学研究院学报，2007（1）.