引黄济青工程渠首沉沙池泥沙优化利用研究

侯 奔 鲍 芳 刘恒洋

(山东省调水工程运行维护中心滨州分中心, 山东 滨州 256600)

引黄济青工程渠首沉沙池原规划为9条,采用自流与扬水相结合的沉沙方式,循环使用,每条可用4～5年,规划沉沙区可用40年[1]。自1989年投入运行以来首先使用的是2号沉沙池,因沉沙池征地问题迟迟得不到解决,因此未新建沉沙池。为确保引水工作的顺利进行,自1993年以来一直采用“以挖待沉”的方式延续沉沙池使用寿命。在目前不能新建沉沙池的情况下,探索研究沉沙优化利用的新路子,实现沉沙池循环可持续性开发使用的目的,具有十分重要的意义。

1 渠首沉沙池规划设计

引黄济青工程利用打渔张引黄闸引水,在打渔张灌区总干渠右岸设引黄济青进水闸,进水闸自流进入低渠;建泵站进口闸,通过打渔张泵站扬水进入高输沙渠,建低渠节制闸,自流进入低输沙渠。高、低输沙采用三堤两河的型式,高、低输沙渠下端接沉沙条渠。引黄济青工程渠首沉沙池采用条渠形沉沙池。规划沉沙区面积36km2,共划分为9个沉沙条渠[2]。山东省引黄济青渠首沉沙池总体布置见图1,每个条渠面积为4.42～3.54km2,长度为8.92～5.51km,分期分条按顺序使用。按引黄济青工程设计供水年水平自流沉沙时每个条渠可用1.5～2年,扬水沉沙每个条渠可用2.5～3年,每个条渠总共可用4～5年规划,沉沙区可用40年。

图1 山东省引黄济青渠首沉沙池规划布置

引黄济青渠首沉沙池第一期修建2号条渠,于1989年建成并投入使用,因迁占及资金困难,渠首段工程未再新建沉沙条渠。2号沉沙条渠[3],起于张寨村西北高低输沙渠的末端,下端接输水河。条渠设计长度6.09km,平均宽度571.5m,沉沙面积3.48km2。

2 沉沙池内黄河泥沙颗粒级配分析

取用2号沉沙条渠内黄河泥沙,经过自然风干、晾晒与去杂进行室内试验。筛分试验结果见表1,颗粒级配曲线见图2[4]。

表1 引黄济青沉沙池内黄河泥沙筛分结果

图2 黄河泥沙颗粒级配曲线

3 渠首沉沙池运行情况

3.1 引水引沙情况

渠首沉沙池自1989年建成运行至2020年已有32年多,根据渠首沉沙池驻地建管单位历年实际统计的引水时间、实测的引水量和含沙量统计计算,截至2020年底,已累计运行4492天,累计引水总量63.83亿m3,累计引进泥沙量1405.09m3。渠首沉沙池历年引水引沙统计情况见表2。

表2 渠首沉沙池历年引水引沙量统计

3.2 沉沙池沉沙规律

从近几年引黄济青工程进水闸逐年逐月引水平均含沙量统计表(见表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,尤其是黄河调水调沙期间(7月),泥沙含量显著增高。因此合理选择引水时间,能起到减少引沙量的作用。

表3 引黄济青工程进水闸逐年逐月引水平均含沙量统计 单位:kg/m3

3.3 泥沙处理情况

因引黄济青工程运行初期渠首打渔张泵站未建,渠首沉沙池于1992年底已基本失去自流沉沙能力,自1993年起就因进口附近局部淤积而影响了引水工作正常进行,亟须对沉沙池进行清淤。因工程范围以外没有规划弃淤场,在当时条件下不得不把弃淤贴在沉沙池上、中游远离主溜沟的大堤内坡上,简称内贴式清淤。多年来内贴式清淤,共占用沉沙池内沉沙面积117万m2,占整个沉沙面积的30.40%,导致沉沙效率显著降低。如再无限度地继续扩大内贴面积,势必严重影响沉沙池的功能。因此自1996年开始采取“化整为零、临时占用、合理补偿、适时还耕”的方针租地,将淤积泥沙外排。渠首沉沙池自1993年开始大规模清淤,截至2020年,共清淤22次,累计清淤1190.59万m3,平均每次清淤56.90万m3。清淤方量最大年份为1993年,清淤129.71万m3。历年沉沙池沉积量和清淤量统计见表4。

表4 历年沉沙池沉积量和清淤量统计

4 渠首沉沙池泥沙处理面临的问题

引黄济青工程沉沙池自1992年实施清淤以来,工程当地建管单位的工程技术人员对泥沙处理方式和综合开发利用进行了积极的探索,共处理泥沙1190万m3,其中外排清淤593.65万m3,内贴596.35万m3。

泥沙处理对沉沙池运行带来了一定影响,面临如下问题:

a.内贴式清淤占用沉沙池面积117.20万m2(约1757亩),使沉沙池的沉沙面积减少了1/3,大大降低了沉沙能力。虽然高速公路建设从沉沙池内运走了300余万m2的淤土,但受施工方式的限制,还没能挖到原沉沙池设计高程,还没能形成有效沉沙区域。

b.外排清淤受耕地保护的限制,有一定的局限性。

c.随着经济的高速发展,胶东地区的用水量越来越大,年平均引黄河水5亿m3,是原设计引黄水平的数倍,平均每年大约50万m3的泥沙进入沉沙池,泥沙处理的压力越来越大。每年都需要进行清淤工作,否则将直接影响胶东地区的送水任务,影响胶东青烟潍威的供水安全。

5 泥沙利用建议

渠首2号沉沙池能否循环可持续利用,是渠首建管单位面临的挑战。为此,渠首建管单位组织工程技术人员对渠首沉沙池优化利用进行了广泛研究,提出以下开发利用建议。

5.1 拓展泥沙存放空间

由于内贴清淤占用沉沙池沉沙面积,影响沉沙功能,尽量不要采用;外排清淤受耕地保护的限制,有一定的局限性。泥沙处理,有足够的弃淤场地是关键。因此,要充分地利用周边可利用的洼地、原已征建设用地,建立可循环使用的泥沙临时存放地才能保证清淤工作的开展。工程建设时在高渠右侧征迁了1000余亩土地作为围筑高渠的取土场地,有670亩被渠首当地群众开发成养虾池或者林地,滨州分中心正在积极协调,通过河长办收回被占土地。这1000余亩洼地作为清淤的主要临时存放区,周边其他可用地作为补充存放区,通过泥沙的利用,可实现存放区域的循环周转使用。同时,还可进一步拓展泥沙存放空间,如将泥沙用于黄河大堤淤背建设等。

5.2 推进泥沙资源化利用

5.2.1 作为工程建设地基用土

沉沙池清淤堆放的泥沙用于道路施工的基础用土,已有成功的经验。2017年,长深高速广饶至高青段建设期间,外运土方370万m3,用于高速公路路基建设;2019年,沾临高速工程建设,又外运土方200万m3,有力地支援了高速公路建设,节省了取土占地,同时腾出了沉沙池内贴清淤占地,一举两得。还要不断多方开源,积极协调,如205国道改道工程施工、周边其他工程用土等,实现泥沙的有效利用[4]。

5.2.2 作为新型建材原材料

黄河泥沙用于建材产品的生产原材料,有过许多的探索尝试,积累了沉沙优化利用的宝贵经验。一是建设在2号沉沙池下游的山东某新型墙体材料有限公司,引进了意大利具有世界先进水平的技术设备,用黄河泥沙生产各种普通烧结砖、高档装饰砖、地砖、装饰贴片。该公司一期工程投资1.53亿元,于2006年5月投产,年生产能力2.5亿标块。公司前期生产较好,但后期由于经营、工艺等原因被迫停产。二是成立于2018年的某新型墙体材料有限公司,是占地46亩、职工30余人的小厂,利用沉沙池淤土,外加粉煤灰、矿渣生产煤矸石砖(黄河淤泥白砖),见图3,变废为宝,年产量6000余万块,所生产的砖符合环保要求和质量要求,供不应求,效益显著。年利用泥沙15万m3,为黄河泥沙利用提供了成功案例。

图3 煤矸石砖及生产车间

5.2.3 改良低洼盐碱荒地

涝洼盐碱地改良主要为淤改土地,其以促进社会生产为主要目的,同时起到利用黄河泥沙的作用。黄河泥沙中富含多种矿物质,尤其是汛期泥沙极具肥效且肥力持久。把黄河淤泥作为改良土壤、改碱、压盐、平整土地、改善土壤机构的重要原料。临时租用地方群众的瘠薄荒地,使用2～3年,在使用期内合理补偿,把瘠薄荒碱地改造成良田,还耕前在弃淤场表层覆盖厚30cm红黏土。这种方式受到当地政府和群众的支持与欢迎。1996—2006年,此途径利用泥沙593.65万m3,改良荒碱地1628亩,产生了较大的社会效益和经济效益。

5.3 减少泥沙的引进

近年来年平均含沙量平均值在1.22～1.46kg/m3,而汛期或调水调沙期间[5],含沙量可达10～20kg/m3。因此,可通过优化引黄调度,尽量避开汛期或者调水调沙时引水,减少引沙量。

6 结 语

渠首建管单位的工程技术人员,几十年来积极探索沉沙池优化利用的途径,有效延续了2号沉沙池的使用寿命,节约了大量占地资金,取得了显著的社会效益。引黄济青沉沙池沉沙优化利用的探索和尝试,为引黄灌区实现沉沙池循环可持续利用,推进调水事业乃至黄河流域高质量发展积累了成功经验。