引黄灌区泥沙淤积对生态环境的影响及对策分析

李东阳

(河南黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

水资源是人们赖以生存的重要资源，在农业、工业、生活上发挥着重要的作用[1]。黄河是中国第二大河流，流经全国9大省份，该片水域是中国西部地区农业发展的基本保证，它保障了大量人民的基本生活[2]。但是黄河由于存在大量的泥沙，加上黄河上游植被不断减少，生态环境面临巨大的问题，这也加剧了黄河水域的淤积情况[3]。较多的泥沙淤积导致水资源无法有效地运送到下游地区，造成下游地区水资源短缺，而上游的淤积又经常导致洪涝灾害，这严重影响了人们的生产和生活[4]。因此，研究黄河水域工程泥沙淤积治理对于促进供需平衡具有较大的实际价值。

河流泥沙治理在全球都是一个重要的研究课题，卢金友等[5]通过研究长江流域泥沙分布情况与河流保护之间的关系，采用水利水电联合策略，开发了多尺度、多目标的河道治理方式，促进了长江流域水资源的合理利用；Liu Xiaoning[6]将原位沉积物修复技术应用于研究水质改善(硝酸钙的修复)对河流沉积物的修复作用，结果发现只有改善水质，才能对沉积物中的间隙硝酸盐和硫酸盐浓度产生显著影响；Yin Hongbin等[7]采用2种改性黏土一起用于管理受污染河流沉积物中的泥沙淤积，并采用间歇通气作为补救，发现仅靠这2种黏土能始终有效地控制上覆水中所有的淤积泥沙；杨艳等[8]针对黄河流域的泥沙问题，提出了“人文、和谐、水蓝、树美”的河流治理方式，该模式注重在河流治理过程中关注整体的生态问题，从全局的角度进行合理设计和规划，这对于黄河流域区域居民生活质量的改善具有重要的意义；胡春宏等[9]通过对某一水文站历年输沙情况的分析，明确了黄河中下游降雨与输沙的关系，进一步解析了黄河治理中泥沙变化情况及其对未来泥沙淤泥情况的预测，这使黄河流域输沙情况可以量化，更有利于分析黄河流域泥沙淤积情况。

由此可以得出，目前对于河流泥沙治理提出了不同的策略，从整体的角度进行分析，对于治理方式也采用了合适的修复技术，但是目前的研究并没有从贴合中国城市发展的规律方面，提出符合当地实际发展的泥沙治理方式，也并没有形成完整的分析体系。本文以某黄河地区为研究对象，通过分析当地淤泥现状和成因，提出了对应的泥沙治理模式，将经济效益作为最终的考核标准，建立了完整的泥沙淤积治理和效益分析体系。研究对于改善当地环境、治理泥沙淤积具有重要的实际价值，提出的治理方式也从根本上遏制了环境的进一步恶化，保障了该地区经济的可持续性发展。

1 泥沙淤积成因分析

1.1 河流输沙情况分析

为了进一步了解该研究区域的河流泥沙淤积情况，分析了孙口水文站的实测数据，其中，图1(a)为在不同年份的不同月份合计平均流量变化情况，其中3—6月平均流量为773.9 m3/s，7—10月平均流量为1 941 m3/s，11—2月平均流量为679 m3/s，7—10月平均流量相对其他月份流量变化更大。就7—10月而言，随着时间的推移，不同年代的平均流量在不断下降，其中20世纪50年代到21世纪平均流量已经从2 858 m3/s下降到438.8 m3/s，同比下降了84.64%。图1(b)为在不同年份的不同月份合计平均径流量变化情况，与平均流量的变化趋势相同，其中20世纪70—80年代，由于大型水利工程的兴建，有效改善了黄河中上游的引水条件，同时工业用水量也在不断提高，导致该水文观测点的水量发生了明显的下降；而在90年代由于多次出现干旱年份，导致降雨偏少，该区域引水量和平均径流量发生了断崖式的下降。图1(c)为21世纪在不同降雨概率下的径流量分析结果，多年平均径流量在3—6月为64.9亿m3，7—10月为142.2亿m3，11—2月为61.9亿m3。

图1 不同月份及其全年平均净流量分析结果

将该地区的输沙量进行了分析，不同月份及其全年平均输沙流量分析结果如图2所示。

图2 不同月份及其全年平均输沙流量分析结果

该水文观测点该研究地区的输沙量在时间上分布不均匀，多年平均输沙量为8.66亿t，3—6月平均输沙量为0.95亿t，7—11月平均输沙量为6.97亿t，11—2月平均输沙量为0.74亿t。当出现水位上涨的年份，输沙量同比占比为80.5%，由于近几年平均输水量在不断下降，因此输沙量也在大幅度下降，其中7—10月份为输沙的高峰期。对比不同的年份，发现相比20世纪50年代，21世纪的输沙量从11.91亿t降低到了0.35亿t，同比下降了97.06%。在含沙量方面，也出现了同样的趋势，在7—10月，相比20世纪50年代，21世纪的河流中含沙量降低了80.56%，但是在20世纪90年代相比80年代，河流含沙量却有所提高，这主要是由于80年代在该研究区域的上游建立了水库，加大了该地区的引水量，当水量较多时，清水基流就会相对减少，从而提高了河流的含沙量。由此可以看出，研究区域的输沙量和含沙量正在逐年降低，这会有效地减少泥沙的淤积。由于该地域建设了小型水库，目前还处于建设状态，因此可能会对该区域的水量和输沙情况产生影响。不同的时段保证率下水量的预测结果如图3所示。在时段保证率为50%时，该区域的水量大约为346.4亿m3；而在时段保证率为95%时，该区域的水量大约为83.1亿m3，在7—11月最高可以达到52.9亿m3。而该水库的建设的第一阶段为拦沙运用阶段，大约会拦沙72亿t，第二阶段相比同年期会发生明显的下降，预计设计的最后阶段可以拦截100亿t。这在一定程度上会有效减少该河道的泥沙淤积情况。

图3 不同的时段保证率下水量的预测结果

1.2 泥沙淤积情况分析

不同时间不同地段引水、引沙和清淤情况如图4所示。该研究区域可以分为东部区域和西部区域，在引水量方面，2010年以前，2块区域呈现波动性的变化；2010年以后，西部地区的引水量明显高于东部地区。但是在输沙量方面，两地区均出现了波动的情况，其中在2010年和2015年期间发生了较大的波动。这主要在于该区域水库的修建，水库主要偏向西部区域，因此会大面积地降低该区域的输沙量。从不同区域的清淤量中可以看出：在东部地区和东部的沉沙区，2015年后均出现了明显的下降趋势，而东部沉沙区域的沉沙清淤情况得到明显改善；在西部区域和沉沙区出现了波动性的变化。这就说明了西部区域是将2块区域同时进行治理，而东部区域是分批治理。

图4 不同时间不同地段引水、引沙和清淤情况

引沙与沉沙含量对比分析如图5所示。将所有的年份不同区域的引水、引沙变化情况进行了汇总分析，从图5(a)和图5(b)中可以看出，西区的引水和引沙量差异较大，在治理水平上也具有明显的差异性。选取2017—2020年西部地区数据，分析不同的引水工程对于引沙和含沙量的变化情况。从图5(c)和图5(d)中可以看出，引黄济津工程引沙量和沉沙量从2017年的501万m3、380万m3降低至2020年的258万m3、160万m3，下降幅度分别为48.50%和57.89%，而引黄灌溉工程引沙量和沉沙量从2017年的401万m3、148万m3降低至2020年的365万m3、116万m3，下降幅度分别为8.97%和21.62%。这在一定程度上说明了引黄济津工程相比引黄灌溉工程具有一定的清理淤积的能力。

图5 引沙与沉沙含量对比分析

不同工程不同区域引水与含沙变化情况如图6所示，将不同工程不同区域的引水、引沙变化情况进行了汇总分析，从图6(a)和图6(b)中可以看出，引黄济津工程对该地区平均含沙量的影响呈现先升高后降低的趋势，其中8月份含量影响最为明显，平均含沙量为19.3 kg/m3，但是在引水方面2个工程的平均引水量分别为8.79亿m3、8.24亿m3，而平均的引沙量分别为558.47万m3、476.75万m3，在一定程度上反映了这2个工程引沙含量基本保持一致性。从图6(c)和图6(d)中可以看出，2个工程对于该研究区域东部的沙渠淤积率情况较为乐观，其中在东部沉沙区淤积率为31.1%，而在西部渠道和沉沙区域淤积率分别为13.2%和34.2%。在此基础上给出了2022年的预测结果，2个工程的实施使该地区的引水量、引沙量在不断下降，而在沉淀区域的年淤积量却基本保持一致。这在一定程度上说明了引黄济津工程和引黄灌溉工程对下游的泥沙淤积治理产生了一定的效果。

图6 不同工程不同区域引水与含沙变化情况

2 研究区域与方法

2.1 研究地区生态现状

主要选取了位山灌区作为主要的研究区域，该区域的水域和地理分布如图7所示。该水渠设计引水流量为240 m3/s，设计灌溉面积36×108m2，控制聊城8个县(市区)90个乡(镇)的全部或大部分耕地，是黄河下游最大的引黄灌区。该区域承接着主要的黄河治理任务，其中孙口水文观测站位为主要的水域分析观测站。该区域是黄河引水工程的关键节点，因此选取该区域进行研究，这对于后续引黄灌区水利的分析具有重要的参考意义。

图7 研究区域结构

2.2 水利泥沙治理模式

根据上述研究，发现现有的研究区域由于缺少国家投资，而地方的财力较弱，因此对于东部地区的研究区域采用了分批次的方式，而西部为整体协调推进。但是在治理效果上，西部治理效果明显较优，而且国家开发的2个河道治理工程，其中引黄济津工程和引黄灌溉工程虽然在投入和治理能力上基本持平，但是在治理效果中存在明显的差异性，主要体现在沉沙区治理效果较弱，堆沙高地的治理还耕速度较慢。针对以上问题，提出了引黄工程泥沙淤积治理方式，主要为高地治理模式[10]、沉积沙地扩容[11]、西输沙渠改造和东西沉沙连接[12]等，分为近期、中期和后期3个阶段，治理方式如图8所示。

图8 水利泥沙治理模式结示意

2.3 治理经济效益分析

评价依据：主要参考水利建设项目的经济评价规范和建设经济评价方法(第三版)，本文主要根据项目实时的经济进行计算，其中内部的经济效益分析主要公式如下：

(1)

式中，EIRR为内部经济收益率；n为计算周期；t为不同年份；(B-C)t为每年净收益；Kt为第t年的投资情况。经济净现值计算如下：

(2)

式中，ENPV为经济净现值；i为社会折现率。

3 治理效益分析

3.1 经济效益

经济指标效益分析结果如图9所示。

图9 经济指标效益分析结果

分析并预测了不同年份的主要经济指标，其中在增量效益上，随着时间的推移，该指标在不断提高，对于农业的增益每年保持在一定的水平上；在生态补偿上出现了较大范围的提高，对于减少清淤的费用指标在不断降低。这就说明了本文提出的治理方式可以有效改善生态环境，且能够在一定程度上节约成本，增加农业的收入。

3.2 社会效益

不同年份固定资产量如图10所示。通过本文提出的治理方式，在一定程度上防治了土地的沙化，环境恶化的趋势也有了一定程度的减弱；村庄的治理方面也有了明显的改善，通过实地走访，该治理模式的实施使得村庄内的风沙明显减少，且将水利淤沙围绕在一定的区域中，形成了完整的防护体系。通过对以前影响较为严重的河流区域进行实地调研，发现这些区域的河道沙发生了明显的减少，对于当地的人民生活带来了较大的便利性。在固定资产量方面，随着时间的推移，治理的资产花费在不断提高，并最终保持在一定水平。

图10 不同年份固定资产量

3.3 生态效果

生态效果分析结果如图11所示。

图11 生态效果分析结果

随机挑选了3个村庄的6个区域进行了生态效果分析，通过提出的治理方式，在一定程度上改善了该地区的生产生活水平。其中沉沙区的耕地面积不断增加，使这里的人均耕地面积从治理前的平均733 m2增加到了现在的1 067 m2，增幅超过了45%，而治理区域的粮食产量也发生了较大范围的增产情况，该地区的淤泥治理水平得到了提高。

4 结论

本文主要根据目前的引水工程，分析了黄河流域某区域的河道泥沙淤积情况，分析了内在的成因，虽然该地域的水量在下降，一定程度上缓解了河道泥沙的淤积，但是最主要还是建立了合适的治理方式。这种治理方式对不同的区域治理存在一定的差异性，对此进行了优化设计，并提出了引黄工程泥沙淤积治理方式。对这种治理方式的综合效益的分析，也证实了治理方式的有效性。本文提出了一整套的河道泥沙治理与分析体系，这对于相关的研究具有一定的参考价值，但是文中仍存在诸多不足，后续可以通过大数据分析和传感器的方式，来实现对河道淤泥的实时分析，这种方式在一定程度上会深刻影响现有的治理模式。