黄河下游引黄灌区水沙调控模式及其特点分析

田庆奇，苏佳林，史红玲

（1.水利部国际合作与科技司，北京100053；2.水利部水文局，北京100053；3.中国水利水电科学研究院泥沙研究所，北京100048）

黄河下游引黄灌区水沙调控模式及其特点分析

田庆奇1，苏佳林2，史红玲3

（1.水利部国际合作与科技司，北京100053；2.水利部水文局，北京100053；3.中国水利水电科学研究院泥沙研究所，北京100048）

黄河挟带大量泥沙，沿岸地区进行引水灌溉不能忽略引入泥沙的处理问题。自20世纪50年代黄河下游发展引黄灌溉事业以来，目前不同灌区已基本形成适宜自身地理特点和灌溉需求的引水输水类型和入渠泥沙处理方式。本文根据引黄灌区所处河道位置和地域条件，结合灌区灌溉类型和泥沙处理方式，归纳提出了4种黄河下游引黄灌区水沙调控模式，即，沉沙输水模式、输水沉沙模式、分水滞沙模式和输水输沙模式；根据不同水沙调控模式的形成条件、调控效果和存在的水沙问题，分析了适合不同水沙调控模式的输水输沙关键技术和重点调控目标，分别为沉粗排细调控、远距离输沙调控、分沙入支渠调控和泥沙入田调控；泥沙远距离分散输送技术是实现灌区水沙资源优化配置的重点。

黄河下游引黄灌区；灌溉类型；泥沙处理方式；水沙调控模式

1 研究背景

黄河下游引黄灌区在长期引水灌溉实践中，根据其地形条件、工程特点，不断探索，形成了适用于本灌区的引水输水类型和泥沙处理方式。其中，对水资源的分配主要通过渠道采取的输水的方式来实现，逐步形成了自流灌溉、提水灌溉、自流与提水相结合灌溉、引黄蓄水提灌、井渠结合灌溉以及引黄补源灌溉等灌溉方式［1-3］。引水必引沙，灌区引入的大量泥沙会使渠道或分水口门发生淤积，严重影响了灌区的输水效率，因此，泥沙处理是提高引黄灌溉效率的有效手段。黄河下游灌区对泥沙资源的调控则主要体现在灌区所采取的泥沙处理方式上。主要的泥沙处理方式为渠首沉沙、集中处理；远距离输沙、集中处理；远距离输沙、分散处理等方式［3-5］。其中，集中沉沙的沉沙区采取“轮换沉沙”或“以挖待沉”的主要运作形式，将大量清淤泥沙堆积沉沙地区，致使引黄灌区可用沉沙洼地越来越少，沉沙困难越来越突出；同时对集中沉沙区的生态和环境造成不同程度的泥沙危害［6-7］。

文献［1］详细分析了灌区的引水方式、灌溉方式和泥沙处理方式，提出了9类引黄供水灌溉模式。本文根据黄河下游河道特点和引黄灌区地形特征，并结合下游引黄灌区采取的不同灌溉类型和泥沙处理方式，归纳总结了4种较为全面的水沙调控模式，为不同灌区应采取的合理调控技术和应关注的重点调控目标提供依据。

2 黄河下游引黄灌区水沙调控模式划分

黄河下游引黄灌区水资源和泥沙资源的分布，主要受到河道特征、灌区地势特点以及灌区所采取的灌溉模式和泥沙处理方式的影响。

2.1引水及地形条件黄河下游为平原淤积型河段，堤防一般高出堤背地面5～7 m，使黄河下游成为地上悬河，下游两岸具有良好的自流引水条件。由黄河下游河道形态（图1）可见，桃花峪至高村的河南河段为游荡型河段，河道比降为1.8/10000，其引黄两岸地面比降也较陡，在1/4000～1/6000之间；高村以下的山东河段过渡性河段（高村—艾山）河道比降约为1.2/10000，减小到弯曲性河段（艾山—利津）的1/10000，山东河段两岸引黄灌区的地面比降也较小，通常为1/6000～1/10000；而利津以下的河口区地面比降多在1/10000以下。

图1 黄河下游河道形态［8］

2.2 泥沙处理条件文献［4］统计1958—1990年黄河下游引黄灌区泥沙淤积分布状况，见表1。由表1可知，河南省引入泥沙能够输送入田间的占43.3%，而山东省进入田间的泥沙只占引入沙量的8.8%，淤积在渠道以上的泥沙占84.7%。值得说明的是，河南省大多数灌区未设置沉沙池或仅在建立之初的部分时段使用了沉沙池，通常采取浑水灌溉的方式将泥沙直接输送入田；而山东省主要大型灌区则设置沉沙池，引入泥沙在沉沙池集中处理，只有部分小型且无沉沙条件的灌区不设置沉沙池。

表1 1958～1990年黄河下游典型灌区泥沙分布比例

2.3 水沙调控模式划分根据引黄灌区所处河道位置和地域条件，结合各灌区引水输水类型和入渠泥沙的处理方式，经统计，黄河下游引黄灌区水沙调控模式基本可划分为下列4种模式，即，沉沙输水模式、输水沉沙模式、分水滞沙模式和输水输沙模式［9］，见表2。

表2 黄河下游引黄灌区主要水沙调控模式对照

3 黄河下游引黄灌区水沙调控模式

3.1 沉沙输水模式由于引黄灌溉引水含沙量较大，引黄灌区往往采用先沉沙后输水的方式，将引进的含沙水流首先引入在渠首设置的沉沙池，使大部分泥沙（较粗颗粒）在渠首沉沙池集中淤沉，将淤沉后含沙量较小且含沙粒径较细的水流向下游输送，既保证各级渠道的输水效率又防止粗沙入田。这种先在渠首地区集中沉沙再高效输水输沙的模式即为沉沙输水模式，是黄河下游引黄灌区建设阶段的主要模式。该模式泥沙处理方式为渠首集中沉沙“点”式处理；灌溉方式在渠首或上游地区基本为自流灌溉，中下游地区则根据灌区条件和供水需求而不同。

沉沙输水模式通常借助黄河水头较高的优势，以引水口下游紧邻沉沙池或较短距离输沙渠连接沉沙池为渠道系统的标志，工程布设特点为取水口—沉沙池—输水渠系（自流或提水）或取水口—输沙渠—沉沙池—干渠（自流或提水）。沉沙池采取以挖待沉或轮换沉沙的运行方式，清淤堆沙通常需要进行再处理。典型灌区为位山灌区和簸箕李灌区（见图2（a））。

3.2 输水沉沙模式当渠首没有合适的沉沙位置，为了减少入渠泥沙中对农田有害的粗沙，利用灌区偏向下游地区的低洼地设置沉沙池，引水在入沉沙池之前减少分水灌溉量，一是保证足够的水流输送泥沙入沉沙池，二是减少粗颗粒泥沙入田；经过沉沙池淤沉大部分粗颗粒泥沙后的水流再进行分水输水灌溉。这种经集中输水输沙——沉沙——输水灌溉的水流泥沙分配模式即为输水沉沙模式。该模式将泥沙主要分布于渠尾小部分沉沙区域及输水渠道沿线，泥沙在灌区内以“点”式和“线”式处理；在灌溉方式上则根据灌区实际特点，可以采取自流灌溉，也可以采取提水灌溉的方式。

输水沉沙模式以渠首引水口下游连接长距离输水输沙渠，沉沙池置于灌区中下游处为标志。工程布设特点：取水口—长渠段输水输沙渠—扬水站—沉沙池。为保证沉沙池的沉沙库容，沉沙池通常需要清淤。典型的灌区为潘庄灌区、小开河灌区（见图2（b））等［5，10-11］。

3.3 分水滞沙模式灌区没有适用于集中处理粗颗粒泥沙的大面积沉沙区域，但分水支渠附近或下游有多处小型沉沙洼地，或利用支渠入口渠段分散淤沉部分泥沙，淤沉后的水流输送至支渠以下及田间渠道进行灌溉。小型沉沙洼地附近可建设淤沙砖厂、砖窑等，将清淤泥沙用作建筑原料。这种将入渠泥沙从输水输沙主干渠道分离出来，分散至分干或支渠以下的多处小型沉沙池，或分干、支渠入口渠段沉沙，再输水灌溉的模式即为分水滞沙模式。该模式泥沙淤积呈条带状分布于骨干渠道两侧、部分泥沙能够输移至支渠以下区域，泥沙是以沿渠道“线”淤积和支渠以下区域“面”分散处理的；为了做到分散处理泥沙，在灌溉类型上通常采用提水灌溉的方式。

分水滞沙模式是以支渠以下地区布置多处沉沙池或利用部分支渠对粗颗粒泥沙进行淤沉处理为标志，工程布设特点：取水口—输水输沙渠—干渠—提水泵站—分干、支渠或沉沙池。淤积下来的泥沙或直接以建蓄水水库等被利用，或清淤后能够被及时处理和利用，通常不构成堆沙问题。典型灌区如曹店、麻湾灌区等（见图2（c））。

3.4 输水输沙模式黄河下游不少引黄灌区充分利用地形坡降较陡的有利条件，不设沉沙池沉沙，将引入泥沙沿输沙渠或干渠、支渠依次输送至田间，进行浑水灌溉，即为输水输沙模式。该种模式灌区主干渠道允许小部分淤沙，但需保持一定时间段内冲淤平衡；支渠以下地区粗沙淤沙零散分布，或粗细泥沙均输送入田。也就是粗颗粒泥沙在灌区内是以“面”式处理的。

输水输沙模式以灌区不设沉沙池或无固定的沉沙部位为标志，工程布设特点：取水口—输水输沙渠—干渠—支渠。可利用部分干渠、支渠渠段，甚至斗渠、农渠的入口处沉积粗沙，沉沙部位通常能够保持年内冲淤平衡，支渠以下渠道淤积泥沙因分散、量少，能被当地农民自行消化利用。典型灌区如人民胜利渠灌区（见图2（d））。

4 不同水沙调控模式的关键技术

为了实现渠系高效输水，减少泥沙的堆积灾害，灌区采取不同水沙调控模式是在其固有的地形地势等必要条件的基础上形成的；不同水沙调控模式均有其各自的调控效果、存在的优势和问题，不同模式需采取的关键调控技术不同，实现的水沙调控重点目标亦不相同。

4.1 沉沙输水模式——沉粗排细，容沙调控沉沙输水模式形成的必要条件是灌区渠首或上游地区有适宜沉沙的坑塘洼地或盐碱荒地。该模式因首先对泥沙进行沉沙处理，一方面防止粗沙、多沙进入农田，降低了灌区土壤沙化的风险，另一方面自沉沙池下泄的低含沙水流有利于提高输水效率，在地势相对平缓的渠道中输移亦能够输送较远，适用于规模较大的灌区。但由于灌区渠首可用沉沙洼地有限，并且沉沙池通常是采取以挖待沉或轮换沉沙的方式，在沉沙池周边形成堆沙高地，沉沙困难是该类模式的主要缺点。

图2 不同水沙调控模式灌区示意图

沉沙池的沉沙调控是灌区实施沉沙输水模式的关键技术。沉沙池的功能是沉积对农作物有害的粗颗粒泥沙，将含养分细沙随水流向下输移。沉沙池的运行主要有两个方面的技术要求，一是为避免沉沙池周边累积堆沙带来的危害，应加强清淤泥沙的再处理，即清淤泥沙资源化技术，包括淤临淤背、淤筑高地、建筑材料转化等；二是为维持沉沙池的有效库容，提高沉沙池的容沙能力，在一定时间段内减少沉沙量，动态调整库容。主要技术有，通过沉沙池出口调控沉沙池的输沙能力，冲刷部分前期淤沙；在大含沙量引水条件下淤沉泥沙，在小含沙量引水条件下冲刷沉沙池，使淤沉泥沙所占的容积得以恢复，成为可调节的长期使用容积；开挖沉沙池中的输沙通道，加大沉沙池的输沙能力而使沉沙池少沉沙甚至不沉沙。

在目前渠首地区已基本无可扩展的可用沉沙洼地情况下，沉沙输水模式的首要调控目标是延长沉沙池的使用寿命，进行沉沙池“沉粗排细”、动态容沙调控。

4.2 输水沉沙模式——集中输水，远距离输沙调控输水沉沙模式形成的原因是充分利用灌区下游或渠尾地区的坑塘洼地或盐碱荒地，集中沉沙，处理后的低含沙水流进行清水灌溉。为实现引入泥沙远距离输送，通常要求灌区渠道具有较大比降，当渠道比降较为平缓时，则需要在适当位置布设适当的水沙调控工程，例如节制闸和扬水站等。该模式将大量泥沙集中、远距离输送至灌区中下游，一方面缓解了渠首地区堆沙与占地的矛盾，另一方面对于下游有较大面积盐碱荒地的灌区（如黄河三角洲灌区），粗颗粒泥沙可起到抬高地面，有利于压碱洗盐。但由于泥沙输送距离较长，同时大部分灌区受地形条件所限，渠道比降平缓，渠道淤积严重是该类模式的主要缺点。

提高输水干渠的输沙能力是灌区实施输水沉沙模式的关键技术。灌区输水输沙渠的主要功能是输送水流和泥沙，在灌区泥沙远距离输送过程中允许渠道少量淤积；干渠的主要功能是输水，对于没有输水输沙渠的灌区，干渠也承担部分输沙渠的功能。为提高渠道的输沙能力，从渠道自身条件看，主要体现在适宜的渠道断面形态、较陡的渠道比降和较小的渠道阻力（糙率）等，可以在以上方面采取适当的工程改造措施，例如，渠道衬砌、改造渠道断面形态等；此外，利用已有工程、或新建水沙调度设施，采取合理水沙调控措施，例如集中输水，大流量、短历时输水输沙等关键技术。

输水沉沙模式的调控目标是集中输水，实现输沙渠道泥沙的长距离输送，并保持输沙渠年内或年际的冲淤平衡。

4.3 分水滞沙模式——分沙入支渠调控分水滞沙模式是在灌区无较大范围可用沉沙区域，只有利用零星分散的小型坑塘洼地或支渠部分渠段分散淤积部分泥沙，而后将较低含沙水流用来灌溉农田。大型灌区引入泥沙相对较多，要求有相对较大的沉沙区域，同时多口分水分沙不易操作，因此，采取分水滞沙模式的灌区通常灌溉规模不宜太大。对于自流灌溉，通常要求支渠具有较大渠道比降，便于分流；对于提水灌溉，则要求灌区有较高的调控管理水平。该模式将泥沙分散处理，避免了集中淤沙带来的诸多问题，是今后灌区处理泥沙的发展方向之一。为了使泥沙能够分散进入各支渠，既要注意提高支渠的分水分沙能力，又要考虑支渠分水势必影响干渠泥沙输送，引起干渠淤积。

提高支渠分水分沙能力同时不增加干渠淤积是分水滞沙模式的关键技术。自流灌溉渠道两侧支渠取水口多为涵闸式引水，取水口底板略高于干渠渠底。为了提高支渠分水分沙能力，应按设计流量尽可能大流量引水，能加快支渠水流流速，增强挟沙能力，让更多的泥沙进入田间；提水灌溉一般用泵站和抽水机械取水，即可提取底部含沙量相对较高的水流，使得进入支渠泥沙较多、较粗，又可加大干渠水面比降，增加干渠输沙能力，减少分水带来的淤积。此外，提水灌溉易于控制水流，减少水资源浪费，提高水资源的利用效率。

分水分沙模式既希望尽量多的泥沙能够分散入支渠或沉沙池，又希望减小输水输沙干渠的淤积。调控目标是干渠分沙能力调控。

4.4 输水输沙模式——泥沙入田调控采用该模式应具备一定的必要条件，首先，灌区渠道在物理特性上应具备有利的渠道的比降、优佳的断面以及渠道衬砌减阻等，具有一定的输沙能力；灌区渠道应有较陡的地面坡降，具有较好的输沙能力；其次，灌区还应有先进的灌溉管理水平和调控经验，例如避开沙峰引水，减小引水含沙量技术等。由于该模式对水沙调控要求较高，通常只适用于引水量小、灌溉规模不大的灌区。输水输沙模式直接将泥沙输送到田间，有效地解决了引黄灌区的泥沙问题，是该模式最大的亮点和优势。粗颗粒泥沙应在入田前尽量分散解决，既不引起土壤沙化，也不引起清淤问题。

提高整个渠系输水输沙能力及合理调控灌区水沙分布是该模式的关键技术。输水输沙模式结合了输水沉沙模式和分水滞沙模式的技术特点，既要求泥沙能够远距离输送入田，又要求泥沙能够分散入田。除输水沉沙和分水滞沙模式需采取的关键技术外，输水输沙模式在灌溉管理上，更注重整个灌区水沙的调控，如，集中用水，实施科学的轮灌组合，使分流后的流量不致过小；避开沙峰引水，尽量减少引水的含沙量等技术。

输水输沙模式的调控目标是既远距离输水输沙又沿程分水分沙，实现泥沙入田调控。

综上所述，黄河下游引黄灌区各类水沙调控模式的形成条件各具特色，采取的关键技术存在一定的重复和交叉，但侧重点各有不同，调控的效果也各有优劣之处，详见表3。此外，不同水沙调控模式的泥沙处理、工程布设特点与水沙调控技术、调控目标是相辅相成的，随着灌区自身条件的改变或调控目标的调整，不同水沙调控模式是可以相互转换的。例如，人民胜利渠灌区，在1986年之前，一直采取沉沙输水的水沙调控模式，在采取了调整渠道比降、加大干渠输水能力等工程改造后，人民胜利渠转变为输水输沙的水沙调控模式。但如果渠系泥沙淤积给农业、生态等带来了很大的危害，再次恢复渠首沉沙池的运用，则灌区的水沙调控模式又转变为沉沙输水的模式。文献［12］提出了恢复渠首沉沙池的设想：将粒径大于0.05 mm的泥沙（约占入渠泥沙30%左右）截留入沉沙池，集中处理利用。

表3 黄河下游引黄灌区不同水沙调控模式特点

4 结论

根据引黄灌区所处河道位置和地域条件，结合灌区采取的不同灌溉类型和泥沙处理方式，归纳了4种灌区水沙调控模式，即位于黄河下游山东省上中段两岸的沉沙输水模式、山东省中下段两岸的输水沉沙模式、黄河河口区的分水滞沙模式和河南省河段两岸输水输沙模式。

沉沙输水模式是先沉沙处理泥沙再高效输水的模式，如簸箕李灌区；输水沉沙模式是先集中输水输沙再沉沙处理的模式，如小开河灌区；分水滞沙模式是在支渠以下多处分散沉沙的模式，如麻湾灌区；输水输沙模式为不设置沉沙池，实施浑水灌溉的模式，如人民胜利渠灌区。

不同水沙调控模式的泥沙处理特点、工程布置特点、采取的关键技术和所实现的水沙调控的重点目标均不相同，其中，沉沙输水模式采取沉粗排细调控；输水沉沙模式采取集中输水、远距离输沙调控；分水滞沙模式采取分水分沙调控；输水输沙模式采取泥沙入田调控。泥沙远距离分散输送技术是实现灌区水沙资源优化配置的关键技术。

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Analyses on the water and sediment regulation patterns of the irrigation district in the Lower Yellow River

TIAN Qingqi1，SU Jialin2，SHI Hongling3
（1.Department of International Cooperation，Science and Technology，Ministry of Water Resources，Beijing100053，China；
2.Bureau of Hydrology of Ministry of Water Resources，Beijing100053，China；
3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100048，China）

The Yellow River is a well-known high sediment laden river，and the diversion from the Yellow River will definitely attract lots of sediment in the irrigation district.Since the 1950’s，the irrigation dis⁃tricts in LYR have set up their own different irrigation types and sediment treatment forms to fit for their own geography characteristics and water distribution demand.Combined with the irrigation forms and sedi⁃ment deal with forms，the 4 patterns of water resources and sediment resources regulation are put forward. They are the sediment deal with in settling base as soon as diversion and then the low sediment flow use to irrigation（sediment deal first pattern），the high sediment flow delivered firstly by long stem channel and then deposition and then irrigation（sediment deliver first pattern），the sediment deposition scatter in branch channel and then the lower sediment flow for irrigation（sediment scatter pattern），and no settling base for sediment deal with and the sediment laden flow irrigation directly（sediment laden flow irrigation pattern）.Based on analyses the features about the sediment deal with，the projects layout forms and the key techniques adoptions，the targets for different controlling patterns are different，they are coarse sedi⁃ment depositing and fine sediment transporting，sediment long distance transport，dividing more sediment to branch channel，and deliver more sediment directly to farm field.

diversion irrigation district along the lower yellow river；irrigation types；sediment disposal forms；water and sediment regulation patterns

TV143

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.04.005

1672-3031（2016）04-0267-07

（责任编辑：李福田）

2016-01-26

国家自然科学基金项目（51309255）；中国水科院专项（SC0145B192014；沙集1230）

田庆奇（1973-），男，河南台前人，高级工程师，主要从事科技项目管理和泥沙研究工作。

E-mail：tianqq@mwr.gov.cn