人民勝利渠灌區(qū)泥沙處理實踐與研究

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1、灌區(qū)簡介

　　人民勝利渠是新中國引黃灌溉第一渠。灌區(qū)位于河南省北部，總面積1183km².主要澆灌新、焦兩市的8縣（市、區(qū)）45個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）的土地，并承擔新鄉(xiāng)市城市用水的任務(wù)。設(shè)計灌溉面積88.6萬畝，實灌面積60萬畝。設(shè)計引水流量60m³/s.

　　灌區(qū)有渠灌、排水、沉沙、井灌四套工程系統(tǒng)。1987年以前有沉沙池，自流沉沙，目前，已被迫渾水灌溉。開灌以來，人民勝利渠從黃河引水294.95億m³，引沙43451.63萬t， 年均引沙量924.50萬t，平均含沙量14.73kg/m³.其中農(nóng)業(yè)灌溉引水年平均引沙量539萬t.

　　人民勝利渠40余年來，灌區(qū)泥沙淤積分布，主要分三個時段：第一時段：由開灌初的1952年-1981年，整個時段沉沙池以處理泥沙為主要措施。第二時段由1981年～1986年，這一階段沉沙池是二次復(fù)淤，與第一階段相比攔沙率下降，處理泥沙主要是利用沉沙池和輸沙至田并舉。第三階段：由1986年以來，原來的沉沙池都已還耕停用，不能集中處理泥沙。所以，這一階段引進的泥沙主要淤積在渠道內(nèi)和田間，其中灌溉渠道內(nèi)約50％，田間約34％。

　　2、灌區(qū)泥沙處理措施

　　人民勝利渠開灌以來，根據(jù)泥沙的處理方式不同大體上可分為兩個階段。

　　2.1 結(jié)合沉沙改土處理泥沙的措施

　　2.1.1 渠首引水防沙

　　要想解決灌區(qū)的泥沙問題，首先是要考慮在渠首盡可能的少引沙。人民勝利渠開灌初期，閘前防沙主要是利用環(huán)流理論，采取一系列工程措施，如凹岸建閘，銳角引水、修建攔沙潛堰、安設(shè)導(dǎo)流系統(tǒng)等，這些工程措施，使入渠含沙量減少10-30％，引沙比為0.9-0.7.之后，由于黃河主流南移，又摸索出一套有效的辦法。即：在引水渠淤死時，用4PL—250型泥漿泵代替人工挖淤；在引水口門局部淤死或即將淤死時，用配備噴槍的機船將淤沙沖起，同時開閘拉渠；每次引水結(jié)束前，在機船尾部掛上拖具在引水渠中往返行使，拖起泥沙，浚深引水渠，延長停水期間的回淤時間。同時在防止拉灘，避沙峰引水及控制引水量等方面都有其很好的效果。

　　2.1.2 渠系合理配水

　　在灌區(qū)內(nèi)合理配水，是減輕和防止渠道淤積的有效措施，經(jīng)過系統(tǒng)的觀測研究，分析了不沖不淤流量與來水含沙量的關(guān)系，能夠計算出不同來水含沙量情況下，各渠道的不淤最小流量。當實際流量遠小于這一流量時，就關(guān)閘停灌；當枯水期渠首引水少，不夠分時，實行集中用水。同時，通過合理配水，將細顆粒泥沙輸送到田間，起到改良土壤的作用。

　　2.1.3 結(jié)合黃河大堤淤背處理泥沙

　　黃河大堤淤背固堤缺乏土源。所以在80年代初期，利用灌區(qū)上游緊臨黃河大堤的有利地勢，修筑兩條專用沉沙池，輪換使用處理粗沙，再將池內(nèi)的淤沙用4PL-250型泥漿泵抽至黃河大堤淤背區(qū)，既起到了加固堤防的作用，又處理了灌區(qū)泥沙。

　　2.1.4 合理調(diào)控使用沉沙池

　　沉沙池是人民勝利渠灌區(qū)在1987年前解決泥沙問題的主要手段。最早使用的沉沙池是湖泊型，后改為條型沉沙池，同時在管理上進行改進，在含沙量大時根據(jù)情況讓渾水全部或部分流經(jīng)沉沙池，在含沙量較小時可部分或完全不經(jīng)沉沙池。沉沙池運行管理中的幾項技術(shù)指標如下：

　?。?）可不經(jīng)過沉沙池處理的來水含沙量

　　灌區(qū)引水含沙量較小時，可不經(jīng)沉沙池處理，直接進行灌溉，其上限值的確定以沉沙池下游渠道不淤積為條件。若要不經(jīng)沉沙池直接灌溉，來水含沙量應(yīng)小于7kg/m3.

　?。?）允許出池的含沙量、粒徑上限值

　　當引水含沙量較大，需經(jīng)沉沙池處理時，沉沙池出口含沙量亦應(yīng)控制在7kg/m3以下。出池泥沙顆粒粒徑應(yīng)與高產(chǎn)農(nóng)田土壤顆粒相近，控制在0.03mm以下。

　?。?）最佳攔沙率

　　從經(jīng)濟觀點和攔粗排細的要求出發(fā)。對多種因素進行綜合分析，得出沉沙池的最佳攔沙率為40～50％。

　?。?）前期運用中的清渾水摻和比

　　在沉沙池前期運用中，由于實際攔沙率遠遠高于最佳攔沙率，總干渠配水樞紐在調(diào)配水時，可讓適當比例的水經(jīng)沉沙池處理，其余水量則直接送下，清渾水摻合后的含沙量以總干、干渠不淤或少淤為條件，根據(jù)具體灌溉放水情況，按有關(guān)計算公式確定。

　?。?）沉沙池中后期的調(diào)控運用方式

　　在沉沙池運行的中后期，由于淤積高度已達到了一定的程度，因此在出口要根據(jù)具體情況用疊梁閘板進行調(diào)控，既能使攔沙率接近最佳攔沙率，又能滿足出池含沙量和粒徑的限制條件。所以在不同的運用時期都要根據(jù)具體情況按照分析所得的關(guān)系式求出合理的調(diào)節(jié)高度，以便管理人員操作。沉沙池在還耕前，要利用汛期泥多沙少的特點，放淤0.3m左右的細泥覆蓋層，以利耕作和高產(chǎn)。

　　2.2 用渾水灌溉解決引黃灌溉中的泥沙問題

　　使用沉沙池來處理引進灌區(qū)的泥沙無疑是一個很好的辦法，但在80年代后期，沉沙池實際上已失去了作用。其原因之一是二次復(fù)淤阻力大；其二是二次復(fù)淤代價高昂。所以自1987年以來灌區(qū)實際上已走上渾水灌溉的道路。

　　開展渾水灌溉是灌區(qū)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一條新思路。因此在前期的工作中首先開展了渾水灌溉邊界條件及管理措施的研究。提出了在高含沙量引水條件下，各級渠道保證正常灌溉所應(yīng)控制的最大引水含沙量、不沖不淤的縱橫斷面形態(tài)、渠道比降和管理上采取的措施等。以科技為先導(dǎo)，在不斷探索和總結(jié)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，從工程條件的改善和加強用水管理兩方面著手，妥善處理泥沙，確保渾水灌溉的正常進行。

　　2.2.1 采取的工程措施

　　灌區(qū)實行渾水灌溉，含沙量較高，因此就必須設(shè)法提高渠道的挾沙能力。從人民勝利渠灌區(qū)的具體情況來看，全灌區(qū)地面坡降約為1／4000，灌區(qū)中部與黃河河底高差約15～20m， 因而有調(diào)整渠道比降，加大渠道縱坡的水頭可供利用，所以在保證骨干輸水渠道少淤或不淤的情況下，把較細顆粒送入支渠以下各級渠道以及將細顆粒泥沙送入田間是完全可以的。因此，在技術(shù)改造中首先對淤積十分嚴重的總干輸水工程進行改造，利用渠道上的2#～3#跌水間原有的跌差，采取加高加固提防的辦法，通過加大放水流量，來自然調(diào)整渠道比降，以此提高其輸水輸沙能力。工程實施后，除了能夠滿足正常的灌溉要求外，同時還克服了過去年年清淤的被動局面。

　　在對骨干輸水渠道進行改進的同時，還對支、斗、農(nóng)三級渠道，在灌區(qū)內(nèi)開展了以U型砼襯砌為中心的技術(shù)改造，改造以后，淤積量比原土渠減少了41％。

　　2.2.2 管理措施

　?。╨）實行井渠結(jié)合灌溉：一方面，在灌區(qū)不是普遍干旱的情況下，渠首盡量不引水，而采取井灌，以減少引水引沙量，另一方面，在渠道來水含沙量較大，斗、農(nóng)渠嚴重淤積時，將井水和渠水混合起來，降低渠水含沙量，減少渠道淤積也是一種有效的辦法。

　?。?）實行集中用水的管理辦法：集中用水、分組輪灌是人民勝利渠四十余年來減少渠道淤積的經(jīng)驗總結(jié)，根據(jù)實踐經(jīng)驗，當實際放水流量達到渠道設(shè)計流量的70％以上時，渠道基本上能夠達到設(shè)計挾沙能力，若小于70％，則挾沙能力減少很多。在灌溉管理中，如果渠首水量較小，就要集中用水，分組輪灌，以防止渠道嚴重淤積。

　　3 適應(yīng)渾水灌溉的灌區(qū)技術(shù)改造

　　所謂渾水灌溉，就是將從渠首引進的含泥沙渾水，不經(jīng)或稍經(jīng)處理，直接送入田間灌溉。

　　3.1 渾水灌溉的邊界條件

　　3.1.1 渠首引水含沙量

　　在渠首采取引水防沙措施，使引水含沙量小于相應(yīng)時間黃河來水平均含沙量。引水防沙前面已經(jīng)講過，在目前人民勝利渠情況下，穩(wěn)定引水渠，避免單獨拉引水渠，避沙峰引水是主要辦法。一般來說，含沙量超過35kg/m3，汛期70kg/m3時應(yīng)停止引水。

　　3.1.2 控制引水泥沙粒徑

　　泥沙顆粒的粗細，直接影響渠道的沖淤變化和輸沙到田的可能性。據(jù)測試，引沙平均粒徑：汛期0.014-0.032mm，非汛期0.03-0.045mm.高產(chǎn)農(nóng)田取土樣分析，土壤顆粒平均粒徑為0.024-0.032mm.對于渾水灌溉，允許斗、農(nóng)渠有一定淤積，因此，進入田間的泥沙粒徑不會大于土壤的平均粒徑。為避免支渠以上渠道淤積，就必須集中處理粒徑在0.05mm以上的粗顆粒泥沙。處理辦法是設(shè)專用沉沙池，處理泥沙數(shù)量占引沙量的20％左右。

　　3.1.3 渠道挾沙能力

　　渠道挾沙能力應(yīng)以沖淤平衡為原則。對支渠以上的骨干渠道，含沙量大時應(yīng)允許有所淤積，含沙量小時應(yīng)允許有所沖刷，年內(nèi)保持沖淤平衡。對于支渠允許通過的最大含沙量控制在19kg/m³，允許渠道淤積5％；對于斗、農(nóng)渠，將最大含沙量控制在12kg/m³，允許淤積20％。

　　3.1.4 渠道斷面形態(tài)

　　渾水灌既渠道首先要防淤，維持渠道沖淤平衡。因此斷面設(shè)計應(yīng)滿足水流連續(xù)方程，水流阻力方程，水流挾沙能力，水力半徑和水深的關(guān)系。

　　渠道的縱斷面形態(tài)可用比降來反映。渠道比降主要以地形條件和水位來確定。地形允許應(yīng)采用較大的比降，地形坡度較小，可采取襯砌渠道，提高集中處理泥沙的比例等措施。表2是人民勝利渠灌區(qū)實行渾水灌溉時，應(yīng)滿足的渠道寬深比和縱比降。

　　3.2 灌區(qū)技術(shù)改造

　　按照上述渾水灌溉的邊界條件進行渠道縱橫斷面的重新設(shè)計，并對土渠進行砼全斷面襯砌（支渠及其以下斷面最好為U型），使渠道的輸水挾沙能力滿足總干、干渠不淤，支渠及其以下稍淤，大部分泥沙輸送到田間的要求。

　　修建專用沉沙池，將20％左右粒徑在0.05mm以上的粗顆粒泥沙進行處理，并引進灰砂磚制磚等先進技術(shù)，變泥沙為建筑材料。25％的較細顆粒泥沙淤積在支、斗、農(nóng)渠中。其余55％的細顆粒泥沙輸送到田間。

　　渠道工程改造后，再按上述渾水灌既的管理措施加強灌區(qū)的管理，即可實行渾水灌溉。

　　人民勝利渠灌區(qū)技術(shù)改造設(shè)計已經(jīng)完成，總干渠技術(shù)改造已得到批復(fù)。