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(duì)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(duì)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(jí)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(duì)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。
表1 黃河下游花園口～利津灌溉引水引沙情況
Situation of water and sediment diversion from the Lower Yellow
River for irrigation at Huayuankou～Lijin Reaches
時(shí) 期 耗水量（108m3） 分水比 引沙量（108t） 引水含沙量（kg/m3） 分沙比
1950～1959 21.3 0.047 0.55 25.8 0.75
1960～1969 33.4 0.064 0.53 15.9 0.67
1970～1979 84.8 0.23 1.66 19.6 0.49
1980～1989 113.0 0.27 1.31 11.6 0.62
1950～1990 64.3 1.02 15.9
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(duì)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。
表2 花園口、利津站不同粒徑含沙量沿垂線分布計(jì)算成果
Computing result of vertical distribution of sediment concentration
for different sizes at Huayuankou and Lijin gauging stations
D S* S/S*
站名
（mm） （kg/m3） ξ＝1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
0.02 26.65 0.973 0.983 0.994 1.005 1.017 1.028
花 0.025 0.955 0.973 0.990 1.009 1.028 1.047
園 0.03 0.933 0.959 0.985 1.013 1.042 1.072
口 0.04 0.877 0.922 0.970 1.022 1.079 1.140
0.06 0.733 0.818 0.919 1.039 1.185 1.364
0.015 25.48 0.982 0.989 0.996 1.004 1.011 1.019
0.02 0.965 0.979 0.993 1.007 1.021 1.036
利 0.025 0.943 0.965 0.987 1.011 1.035 1.061
0.03 0.915 0.947 0.981 1.016 1.053 1.093
津 0.04 0.846 0.901 0.961 1.027 1.101 1.182
0.06 0.678 0.774 0.893 1.042 1.230 1.476
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。
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(jí)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(duì)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。
表1 黃河下游花園口～利津灌溉引水引沙情況
Situation of water and sediment diversion from the Lower Yellow
River for irrigation at Huayuankou～Lijin Reaches
時(shí) 期 耗水量（108m3） 分水比 引沙量（108t） 引水含沙量（kg/m3） 分沙比
1950～1959 21.3 0.047 0.55 25.8 0.75
1960～1969 33.4 0.064 0.53 15.9 0.67
1970～1979 84.8 0.23 1.66 19.6 0.49
1980～1989 113.0 0.27 1.31 11.6 0.62
1950～1990 64.3 1.02 15.9
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(duì)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。
表2 花園口、利津站不同粒徑含沙量沿垂線分布計(jì)算成果
Computing result of vertical distribution of sediment concentration
for different sizes at Huayuankou and Lijin gauging stations
D S* S/S*
站名
（mm） （kg/m3） ξ＝1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
0.02 26.65 0.973 0.983 0.994 1.005 1.017 1.028
花 0.025 0.955 0.973 0.990 1.009 1.028 1.047
園 0.03 0.933 0.959 0.985 1.013 1.042 1.072
口 0.04 0.877 0.922 0.970 1.022 1.079 1.140
0.06 0.733 0.818 0.919 1.039 1.185 1.364
0.015 25.48 0.982 0.989 0.996 1.004 1.011 1.019
0.02 0.965 0.979 0.993 1.007 1.021 1.036
利 0.025 0.943 0.965 0.987 1.011 1.035 1.061
0.03 0.915 0.947 0.981 1.016 1.053 1.093
津 0.04 0.846 0.901 0.961 1.027 1.101 1.182
0.06 0.678 0.774 0.893 1.042 1.230 1.476
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。