黄河水沙变化对簸箕李灌区的影响

郑乾坤,毛伟兵*,孙玉霞,傅建国,杨庆贺

黄河水沙变化对簸箕李灌区的影响

郑乾坤1,毛伟兵1*,孙玉霞1,傅建国2,杨庆贺1

1. 山东农业大学 水利土木工程学院, 山东 泰安 271018 2. 滨州市小开河引黄灌溉管理局, 山东 滨州 256600

为了研究小浪底水库运行后，黄河水沙变化对簸箕李灌区的影响。本文采用实测资料分析和理论探讨相结合的方法，分析了小浪底运行前后黄河水沙变化对簸箕李灌区引水引沙，引沙粒径，泥沙输送能力等方面的影响。研究结果表明：小浪底运行后，随黄河水含沙量的减少，簸箕李灌区引沙量明显降低，1999~2012年簸箕李灌区的平均引沙量为164万m3，相比1984~1998年小浪底运行前的301万m3，降低了45.37%。引水量与引沙量相关性明显减小。但是引沙粒径呈现逐年增加的趋势，从小浪底运行前中值粒径D50为0.0212 mm，增大到1999~2012年中值粒径D50为0.0398 mm。由此可知，小浪底运行之前，造成簸箕李灌区泥沙淤积的主要原因是引沙量的增加，而在小浪底运行之后，造成簸箕李灌区泥沙淤积的主要原因是引沙粒径D50的增大。

簸箕李灌区; 小浪底工程; 水沙变化; 中值粒径; 泥沙输送

长期以来，引黄泥沙不仅是黄河三角洲引黄灌区面临的主要问题之一，也是影响各引黄灌区健康运行的工程技术难题[1]。小浪底水库运行后，采用了蓄水拦沙的运用方式，黄河下游来沙量减少，使黄河下游河道长期处于持续冲刷状态[2]，使黄河下游主槽河底高程逐年下降，导致黄河三角洲各引黄灌区同流量闸前水位降低，灌区引水能力下降[3]。由于引黄闸在低水位、小流量的情况下长期引水，产生的引水拉沙现象使进入灌区的泥沙颗粒变粗[4]，泥沙输送困难，导致渠系淤积严重，不仅加重了灌区的清淤负担，也增加了泥沙资源的利用难度[5]。因此，研究此新形势下，黄河三角洲引黄灌区的水沙变化，对科学管理和合理利用引黄泥沙资源，减少黄河水沙变化对灌区带来的负面影响，已是当前黄河三角洲各引黄灌区面临的一个十分紧迫和必须解决的问题[6]。本文研究了小浪底水库运行前后簸箕李灌区的水沙变化特点，以及引沙粒径的变化和输移规律，提出了黄河三角洲引黄灌区实现泥沙输送和解决泥沙问题的途径，为实现引黄灌区健康运行和泥沙资源的高效利用提供基础支持。

1 研究区概况

簸箕李引黄灌区位于黄河下游，滨州市最西部，该灌区位于东经117°14′31″至117°58′44″，北纬37°07′41″至38°14′57″之间，设计控制面积3010 km2，占滨州市总土地面积的31.84%，是我国的大型引黄灌区之一。簸箕李灌区建有东、西两个引黄闸，设计总引水流量125.0 m3/s，设计灌溉面积2452.5 hm2，占滨州市总灌溉面积的36.1%。经过多年建设和工程改造，簸箕李灌区已形成了较为完善的引水工程、输水工程、蓄水工程和灌溉示范工程等四大工程体系。其中核心的骨干渠道主要由沉沙条渠、总干渠、一干渠、二干渠4部分组成，总干渠长36.43 km，一干渠长46.38 km，二干渠全长65.7 km。

2 结果与分析

2.1 引水量与引沙量的关系变化

小浪底水库运行前的1984~1998年，簸箕李灌区年均引沙量与引水量呈高度一致性，相关系数达0.85（图1）。这说明小浪底水库运行前，簸箕李灌区的年引沙量随引水量的增加而增加，当引水量减少时，引沙量也随之降低。小浪底水库运行后（1999~2005），簸箕李灌区的年均引沙量与引水量的变化出现一定差异，引沙量的减少大于引水量的减少，黄河来水的含沙量大幅度降低，簸箕李灌区的引沙量必然大幅度减少[8]，两者的相关系数降低为0.56。到2006年以后，受黄河年用水指标的控制，簸箕李灌区每年的引水量基本保持在一个相对稳定的范围内，所以引沙量也逐渐趋于稳定，但是引沙量的变化与引水量的变化已经不具有明显的相关性，两者的相关系数仅为0.11。

图 1 簸箕李灌区引水量与引沙量关系

2.2 引沙量与引水含沙量的关系变化

黄河水含沙量是决定簸箕李灌区引沙量高低的关键因素[9]。在小浪底运行前（1984~1998年），簸箕李灌区的引沙量随着引水含沙量的变化而变化，两者保持一致性，相关系数为0.79（图2a）。1999~2005年期间，由于小浪底的运行，拦截了大量泥沙，导致黄河下游的含沙量大幅度下降，在1999~2005期间含沙量降低64.8%，簸箕李灌区的引沙量虽然随着含沙量的降低而降低，降低了80%。两者的相关性明显减弱，相关系数仅为0.28（图2b），此阶段为小浪底运行后的调水调沙初期阶段，水沙不平衡导致引沙量和含沙量的相关性降低。由图2c可以看出，2006~2012年，由于小浪底多年的调水调沙，使水沙达到平衡，簸箕李灌区的引沙量随着含沙量的变化而变化，两者相关性极高，相关系数达到了0.95。

图 2 不同时间段簸箕李灌区引沙量与含沙量的关系

2.3 簸箕李灌区引沙粒径的变化

由图3a可见，1993~1999年，簸箕李灌区渠首引黄闸的年平均引沙粒径在0.009~0.032 mm之间，且引沙粒径逐渐减小。2000~2012年小浪底水库运行后，簸箕李灌区渠首引黄闸的年平均引沙粒径在0.026~0.06 mm之间，相比小浪底运行前明显增大，且引沙粒径逐渐呈增大趋势，引沙粒径逐年粗化。在2011，2012年年平均引沙粒径都达到0.05 mm。对簸箕李灌区引沙中值粒径进行单因素方差分析，结果表明，1993~1999年簸箕李灌区引沙粒径在0.01~0.053 mm的范围内，且每年的引沙粒径大小没有明显差异（>0.05），说明小浪底运行之前，引沙粒径大小基本保持稳定；2000~2012年小浪底运行后，簸箕李灌区引沙粒径稳定在0.013~0.076 mm的范围内，引沙粒径之间产生极显著差异（<0.01），引沙粒径变化大，说明小浪底的运行，对簸箕李灌区引沙粒径产生显著影响。

图 3 簸箕李灌区不同时间段引沙中值粒径D50的变化

2.4 对簸箕李灌区泥沙输送能力的影响

图 4 1993~2011年簸箕李灌区内各站点多年平均中值粒径D50沿程变化

由图4可见，1993~1998年小浪底运行之前，簸箕李灌区内各测站多年平均悬移质泥沙中值粒径D50沿程变化不大，粒径范围在0.02~0.023 mm之间，基本能实现泥沙的远距离输送。2000~2005年小浪底运行后，灌区内悬移质泥沙中值粒径D50由引黄闸到陈谢站粒径逐渐变粗，其中泥沙粒径由二干首的0.066 mm增大到陈谢站的0.101 mm。这是由于在实行调水调沙期间，二干首到陈谢站段河道发生严重冲刷，泥沙粒径沿程粗化，泥沙的输送能力显著增加。2006~2011年期间，灌区内引黄闸处泥沙中值粒径D50均值为0.0398 mm，泥沙输送能力降低，造成泥沙淤积。

3 结论

（1）小浪底运行以后，簸箕李灌区的引水量与引沙量都发生降低，且引沙量的降低幅度大于引水量，两者之间的相关性也发生降低；

（2）簸箕李灌区的引沙量与引水含沙量的关系分为三个阶段：1984~1998年引沙量随着引水含沙量的变化而变化，两者相关性较高；1999~2005年，引沙量随着引水含沙量的降低而降低，两者相关性显著降低；2006~2012年，引沙量随着引水含沙量成波动变化，两者极为显著；

（3）小浪底运行后，簸箕李灌区的引沙中值粒径D50逐年变粗，且在2011，2012年两年平均引沙粒径D50都达到了0.05 mm；

（4）小浪底运行前，1993~1999年簸箕李灌区引沙粒径D50均值为0.021 mm，由于粒径较小，因此能够实现泥沙的远距离输送。小浪底运行后，2000~2005年由于引沙粒径较小，且引沙量降低，泥沙的输送能力增强；2006~2011年，簸箕李灌区内的引沙粒径D50均值为0.086 mm，由于引沙粒径的增大，导致泥沙淤积。

4 讨论

（1）黄河水沙新形势下引黄灌区泥沙问题的变化

小浪底水库运行前，由于黄河水含沙量较高，导致引黄灌区引沙量巨大，对巨量引黄泥沙的合理处理和高效利用，是黄河三角洲各引黄灌区面临的最主要问题。小浪底水库运行后，由于引水含沙量明显降低，簸箕李灌区引沙量也大幅度下降。但是随着引沙粒径的逐年增加，干渠输沙能力下降，引黄灌区的泥沙问题又集中表现在沉砂池和干、支渠系的严重淤积，影响灌区正常输水和运行。所以在引黄灌区运行管理中，解决粗颗粒泥沙的高效利用，将是各引黄灌区的主要研究和工作内容。

（2）黄河三角洲引黄灌区解决泥沙问题的有效措施

水沙新变化是导致簸箕李灌区泥沙淤积的关键因素之一。根据簸箕李灌区的运行经验，在引沙粒径逐年增加的情况下，也可以通过加大引水流量，增加渠道衬砌、合理的支渠引水调度等措施，尽可能增加粗颗粒泥沙的远距离输送，减少渠系的泥沙淤积，以保证引黄灌区的正常运行[10]。但是这需要各引黄灌区在引水过程中，进行大量的工程试验，以确定每个灌区适宜的水沙资源的优化调度方案。

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The Influence of the Change of Yellow River Water and Sediment on the Bojili Irrigation District

ZHENG Qian-kun1, MAO Wei-bing1*, SUN Yu-xia1, FU Jian-guo2, YANG Qing-he1

1.271018,2.256600,

In order to study the impact of the Yellow River water and sediment variation on Bojili Irrigation District after the Xiaolangdi reservoir project was put into operation. in this paper, combination of measured data analysis and theoretical discussion is used to analyze the effects of changes in the Yellow River water and sediment before and after the operation of Xiaolangdi project on the water and sand diversion, sediment particle size, sediment transport capacity, and other aspects.Results show that after the Xiaolangdi was put into operation, with the decrease of the sediment concentration of the Yellow River, the amount of sediment diversion in the Bojili Irrigation District was significantly reduced. From 1999 to 2012, the average amount of sediment diversion in the Bojili Irrigation District was 1.64 million m3, compared with 3.01 million m3before operation (Xiaolangdi in 1984-1998), this value decreased by 45.37%. The correlation between the amount of water diversion and the amount of sediment diversion is significantly reduced.However, the sand particle size showed an increasing trend year by year. The median particle size D50 before Xiaolangdi reservoir operation was 0.0212mm, and it was increased to 0.398mm in 1999.It can be seen that before the operation of Xiaolangdi project, the main cause of siltation in the irrigated area was the increase of sediment diversion. After the operation of Xiaolangdi project, the main cause of siltation in the irrigated area was the increase of the particle size D50.

Bojili Irrigation District; Xiaolangdi Project; water and sediment changes; median grain size; sediment transport

TV882.1

A

1000-2324(2018)06-1055-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.06.030

2017-06-10

2017-07-23

国家自然科学基金项目:引黄泥沙对黄河三角洲粘质盐土物理性状的改良研究(41471184)

郑乾坤(1991-),男,硕士研究生.主要从事农业水土方面的研究. E-mail:1412675042@qq.com

Author for correspondence. E-mail:maoweibing316@126.com