三义寨引黄涵闸泥沙综合治理与发展前景分析

李艳丽，张俊萍，齐龙涛，杨文志，胡新玲

（1.开封供水分局，河南 开封 475003；2.开封市黄河河务局，河南 开封 475003；3.兰考县水利局，河南 兰考 475300）

0 引言

黄河是著名的多泥沙河流，其中黄河河南河段多年平均含沙量为35kg/m3，平均每年进入河南河段的泥沙量达16 亿t，居黄河各河段首位。 黄河泥沙80%以上来自汛期，又集中在几场暴雨中，于是常常形成高含沙洪水。 黄河泥沙年内分配不均，年际变化也很大，如：1933 年，进入河南境内的泥沙量高达39.1 亿t，而1928 年沙量最低仅为4.9 亿t[1]。

黄河河南段下游河道河床宽阔，比降平缓，属于强烈的堆积性河流，泥沙冲淤变化剧烈。 当来沙多时，年最大淤积量可达20 kg/m3。 洪水期间，大洪水到来，水位上涨，漫入滩地，主槽内因水深、流速大，易发生急剧冲刷，而滩地水浅、流速小，泥沙易于沉积。 泥沙沉淀后，清水回归主槽，加速主槽的冲刷。较小的洪水，通常不出槽。当洪水含沙量超过河水挟沙能力时，就发生淤积。 因此，在河南境内形成“二级悬河”。 “二级悬河”极易发生串沟、斜河和滚河现象，危及堤防及渠首闸的供水安全。

1 泥沙对渠首闸、渠道及对供水效益的影响

1.1 泥沙对渠首闸和渠道的影响

目前，黄河河南段大部分渠首闸依靠引渠引水，引渠在引水的同时，也引来了大量的泥沙。 就黄河引水口的地形条件而言，无论是依据泥沙运动的基本理论，还是根据引黄工程实践技术，都不可能将泥沙全部远距离输送走。 尤其是较粗的沙粒，更难以输送走，均集中淤积于引渠口、渠道等关键部位。

1.2 泥沙对供水效益的影响

闸前引渠淤积后，为了保证正常供水，每年都需要清淤，从而增加了供水成本、降低了供水效益。三义寨渠首闸闸前引渠淤积对供水效益产生的影响如表1 所示。

表1 三义寨渠首闸2003～2010 年引渠淤积情况与清淤费用统计表Table 1 Statistics of guiding the canal deposition and desilting cost of Sanyizhai first sluice from 2003～2010

通过表1 可以看出，三义寨渠首闸2003 年至2010年闸前引渠连年淤积，严重影响了正常的供水工作。其清淤费用最高达90 万元，增加了渠首闸供水成本，对打造和谐供水局面、扩大供水区域、提高供水效率极为不利。

2 引渠淤积带来的负面影响

三义寨渠首闸始建于1958 年，担负着商丘市、兰考县9 个县区的农业灌溉任务。 目前，商丘灌区开工建设了民权县电厂、虞城县第二水厂以及林七水库、郑阁水库的引蓄黄河水项目。 所以，三义寨渠首闸将由单一的农业供水向为工业及环境用水服务转变。 但是由于泥沙淤积，不能满足灌区及用水户需求，从而产生了负面影响。

2.1 农业经济损失

三义寨灌区以沙碱地为主，主要种植小麦、水稻、玉米、花生、棉花等农作物。 由于引渠严重淤积，影响引水，不能及时给灌区提供农业灌溉用水，致使灌区作物不同程度地出现减产。 据调查统计，2003～2010 年与2000 年以前相比，三义寨灌区小麦、水稻、玉米、棉花、花生分别年平均减产20%、25%、30%、35%、28%等，农业经济损失总计8.17 亿元。

2.2 地下水资源开发过度

随着人口的增长和经济的发展，特别是工业的快速发展，需水量大幅度增加，致使水资源供需失衡，地下水超采严重。 尽管地方政府下文有计划地禁采或限采地下水资源，但为了局部和眼前利益，超采地下水的现象愈演愈烈，水层越采越深。 地下水的长期超采，使地下水位大幅下降(地下水埋深由20 世纪80 年代的5m 下降到目前的平均10 m 以下)，导致耕地沙化，主要用水区地下水位漏斗面积逐年扩大。 其中，开封、商丘市中心的浅层地下水漏斗发展迅速，中心地下水埋深超过20 m，天气干旱时，40 m 深的水井抽不出水。 如果引黄供水能满足工农业用水需求，就可以在一定程度上减少地下水的开采量，也能补充地下水位。

2.3 水体污染严重，生态环境恶化

河南沿黄地区降雨量较少，又缺少入境水的注入，大部分河道基本常年干涸。 又由于工业、生活废水的排放，使该区一些河水污染严重，水质在V 类以上，基本上失去了水的功能。 由于地表水污染严重、污水下浚，致使城镇浅层地下水受到污染，水质不符合生活饮水标准。 其中，开封、商丘两市区地下水污染较为严重，而且含氟和致癌物质严重超标，居民的饮水安全受到威胁，水环境、生态环境受到了严重挑战。商丘睢县城湖、睢阳区城湖、虞城县利民湖、民权县东西湖由于得不到黄河水的及时补充，已经失去了往日碧波荡漾的风貌。 如果引黄渠道畅通，能及时为沿黄区域河道注入景观水，就可以美化环境，提高居民生活质量，促进区域经济的可持续发展。

2.4 补源经济损失

商丘市水文水资源资料显示，近年来黄河流域降雨偏少，气候干旱，需要引用黄河水资源来补充地下水。 但由于三义寨渠首闸闸前引渠淤积，黄河水资源不能及时补充，致使地下水开采量增加，地下水位连年下降。 据商丘市水利建筑勘测设计院的调查研究结果，当地引黄补源的效益为300 元/hm2，2003 年以来，累计缩小补源面积64 万hm2，补源效益损失达到4.92 亿元。

综上所述，引渠泥沙淤积已成为制约渠首闸工程顺利引水的瓶颈，急需解决。 有效地治理黄河泥沙，充分利用泥沙资源，兴利除害，对黄河泥沙的治理开发具有极其重要的意义。

3 黄河泥沙治理措施

要想从根本上解除引黄灌区清淤堆沙危害，应结合引黄灌区实际情况，从源头入手，切断堆沙来源[1]。然而，将灌区渠系泥沙淤积量降低为零,从技术上讲是不可能实现的。 我们所能做的是尽量减少泥沙在灌区沉沙池和引水河道、渠道中的淤积，其根本途径是努力实现泥沙的长距离输送，增大输入田间的泥沙的比例。 具体措施分为工程措施和管理措施两类。 工程措施的出发点是在灌区设计、运行等技术环节上，充分重视渠道断面形态、纵比降、糙率等水力因子的优化调整，以期获得渠道最大的输沙能力。通常采用的工程措施有:灌区设计中渠道断面优化设计，工程技术改造中衬砌渠道、缩窄渠道底宽、调整渠道纵比降等。 管理措施主要是依据灌区水沙运动机理，优化水沙调度，减轻渠道淤积。 常用的管理措施包括:大流量集中引水、避免高含沙量时引水、减少汛期引水、加强用水管理等。

3.1 引黄供水防淤减淤工程措施

3.1.1 建设黄河滩区引黄沉沙供清工程

黄河水利委员会根据其以 “维持黄河健康生命”为终极目标的治河新理念，提出了“稳定主槽、调水调沙、宽河固堤、政策补偿”的黄河下游治河方略。 在连续10 年开展调水调沙实验获得成功后，黄河下游已经形成了固定的主河槽，在河槽两岸，形成了广阔的黄河滩地。 加上有关部门加快了黄河标准化堤防建设和河道整治工程建设，能够保证黄河滩区的基本安全。 2011 年，黄河最大流量达到4840 m3/s，没有发生漫滩现象，充分说明了下游主河槽的过洪能力。 在黄河滩区建设引黄沉沙供水工程，将泥沙分级分层进行沉淀，然后采用远距离输送的方法进行输沙。 工程建成后，粗沙可以作为建筑材料，细沙可以用来烧砖、淤地等。 如，三义寨渠首闸，可以在黄河三义寨引黄涵闸上游的开封县刘店至兰考县夹河滩段建引黄沉沙供水工程。 从目前看，该地段属低滩区，土地利用率低，开挖土方量小，具有一定的可利用条件。 根据商丘灌区引黄供水的需要，配合黄河治理的方略，更好地开发利用黄河泥沙，将给沿黄区域经济发展带来新的机遇和空间。 工程的实施，既能提高黄河水和黄河泥沙的利用率，也可以减少商丘每年投资近百万元的渠道沉沙清淤费用，减少大量人力、物力、财力的投入，从根本上解决清淤问题。 这无疑是一项利国利民的工程。

3.1.2 在引渠口设立鱼嘴或拦沙堰阻沙、分沙

三义寨闸闸前引渠长800 m，在引水过程中容易落沙淤积，可以利用鱼嘴工程的分流分沙功能及拦沙堰的拦沙功能，从源头上减少或降低泥沙淤积。鱼嘴工程基本作用是分流和分沙，前面尖细部位迎水流布置，纵向部分顺水流方向，使水流自然顺势分向两边，控制两侧的分流、分沙比，对流态有一定改变[2]。 拦沙堰置于引水口所要求的位置，直立或倾斜，置于水中，起拦沙作用。 关闸停水时，直立于引水口静水之中的拦沙堰隔断大河与引水渠之间的水流交换，防止引水渠及引水口的淤积；开闸引水时，水的流速及上下游水位差所产生的水平力将拦沙堰推向下游，并倾斜置于水中。 又由于浮力的作用，拦沙堰堰顶没入水面以下一定的深度，处于力的平衡状态。这样,表层水流越堰而过，含沙大的中、底层水流被阻于大河之中顺流而下，起到拦沙作用，从而减轻河道淤积，保障引黄供水。

3.2 引黄供水防淤减淤管理措施

3.2.1 渠系输沙减淤

由于黄河下游沿黄地面坡降平缓，引水河道及渠道淤积非常严重。 为减少淤积，可采用如下方法：（1）在进行引渠清淤开挖时，选用可靠的设计参数，使设计渠道的纵横断面同时满足输水输沙要求。 在财力许可的情况下，尽可能进行衬砌，以提高输水输沙能力。 （2）在运行过程中，应抓住黄河水位高、含沙量相对较低的有利时机，进行调控运用，尽可能利用水流本身的能力减淤。 （3）在水流动力无法满足输沙要求时，需采用机械措施辅助输沙[3]。 （4）进行人工清淤。

3.2.2 浑水灌溉、输沙入田

黄河下游具有可分散处理泥沙的广阔平原。 将黄河泥沙尤其是较细颗粒的泥沙分布到田间，既能减轻几种处理泥沙措施的负担，又能起到良好的改良土壤结构、增加土壤肥力的作用，是一种最为经济的泥沙处理方式[3]。

4 泥沙综合利用前景

对黄河泥沙进行综合利用，不仅能使大量的泥沙变废为宝，带来一定的经济效益，而且能够改善环境、减少土地资源的浪费，产生积极的社会效益。

4.1 改良土壤

黄河泥沙尤其是汛期泥沙含有植物生长的多种元素，具有改良土壤、改碱、压盐、平整土地、改善土壤结构等多重功效[4]，是改善所在流域土壤的优质肥料。 有计划地分滞泥沙，淤高两岸地面，可以提高汛期洪水的调蓄能力，实现对丰富泥沙资源的可持续利用，减少汛期发生堤防险情的可能性。

4.2 作为建筑材料，发展第三产业

用黄河河道中挖出的泥沙烧制砖、烧结石等［5]，可减少天然资源的破坏，减缓河道淤积抬升的速度。 兰考县用黄河泥沙烧结而成的多孔节能“黄河砖”，重量轻、强度高、隔热保温性能好，是很好的黏土砖替代品，可提高房屋的抗震性能，改善居住环境。 该项目每年可为黄河清除淤泥480 万m3。 利用黄河泥沙烧结固化人工石的技术正在研究之中。 烧结石可以代替天然石料，用于防汛抢险和工程建设，起到挖沙降河的作用，其经济效益、社会效益、环境效益和生态效益十分显著。 渠首闸管理单位可以同地方合作，选择有利的地形和合适的利用途径，将黄河泥沙有效利用起来，变害为宝，为社会造福。

4.3 引水淤滩，减少河道淤积

利用黄河下游滩区，有计划地引水入滩，淤堵引黄闸前串沟、潭坑。 这样做既能够抬高滩地，又冲刷河道主槽，增大了河槽的过流能力，减缓横河、斜河和顺堤行洪发生的可能性，减少各类险情发生的几率，确保黄河防洪和引黄供水安全。

5 结语

由于黄河泥沙多，引黄进入工农业用水系统，景观河道及城湖蓄水的同时，大量泥沙带来了一系列负面影响。 渠首闸管理单位如果能立足自身和当地实际情形，充分发挥黄河泥沙资源优势，开发利用黄河泥沙资源，将水沙和谐地加以利用，既可节省土地，又能有效减轻河道淤积，增强黄河工程的抗洪能力，提高引黄工程的供水效率，促进地方及黄河经济的高效发展。

[1] 张长英，刘宝玉，张治昊，等. 黄河口引黄灌区清淤泥沙对环境的危害方式与治理措施 ［EB/OL］.[2010-09-19]. 水利科技与经济，http://www.china5e.com.

[2] 浅谈水利工程的泥沙影响及其补偿措施 ［EB/OL］.[2010-02-23].http://www.china5e.com.

[3] 史红玲，戴清，袁玉平,等. 引黄灌区泥沙处理措施及提水设施的减淤作用［EB/OL］.[2003-3-14].http://www.chinawater.net.cn.

[4] 赵悦，许云磊，李召,等.黄河下游引黄灌区泥沙的防治与利用研究.[EB/OL].[2010-07-20].http://www.studa.net.

[5] 王延贵，胡春宏. 引黄灌区水沙综合利用及渠首治理［EB/OL］.［2010-02-21］http://www.hwcc.com.cn.