黄河中下游沿线新增输送泥沙通道构想

苏东喜，孙钦兰，端木灵子，郑微微

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州450003；2.河南省水资源环境工程技术研究中心，河南郑州450003）

人民治黄以来，一直在探索治理黄河泥沙的方法，并取得了巨大成就。20世纪70年代，山东黄河齐河修防段试验成功挖泥船，用泥浆泵和管道输沙淤背固堤[1]。到了90年代，生产中采用管道输沙距离达数十千米，放淤可使泥沙含量达到700 kg/m3[1]。2006年黄河水利科学研究院开展了“小浪底水库库区管道排沙技术及装备研究”，2007年又开展了“小浪底水库泥沙起动输移方案研究”，利用压力管道输送小浪底水库高含沙水流至下游，形成黄河下游“一河一管网”格局，以解决泥沙在黄河下游河道的淤积问题[2]。2013年，河南黄河河务局承担水利部公益性行业科研项目“高含沙水流远距离管道输送技术试验研究”，对水面抽沙平台及输沙管线的固定和移动技术、输沙管道平面布置、水下抽沙施工工艺等进行了研究[3]。黄河下游河道淤积主要是高含沙洪水造成的，韩其为等[4]分析了黄河下游含沙量大于300 kg/m3的高含沙洪水的特点，得到了洪水输沙能力公式。

1 下游河道输送泥沙方式及存在问题

按修筑堤防对水流泥沙的影响，黄河下游可分为自然漫流期和固定河道下泄期。自然漫流期，黄河以多条汊道在华北平原上四散分流，淤地造陆，流道以落淤、抬升、漫溢、迁徙的规律循序演变，陆地泥沙滞留量大于入海泥沙量[5]。固定河道下泄期，下游由多股分汊河道演变成为单股河道[5]，水流基本在约束的防洪堤间运行，泥沙随引水少量向两岸分流，小部分沿河床落淤，大部分随水流输入大海。修建三门峡水库前，陕县水文站30 a径流泥沙资料显示，黄河多年平均天然径流量580亿m3，年平均输送泥沙量16亿t，其中入海泥沙量12亿t，沿河落淤泥沙近4亿t[6]。

修筑堤防保护了沿河的工农业生产安全，也产生了新的矛盾，主要有4个方面：一是沿单股河道输沙，形成了下游的地上悬河，堤防约束难，存在洪灾风险；二是河流自然功能被改变，泥沙不能回到平原淤土改造地形，回归自然难；三是河道内泥沙呈线状沉积，收集利用难；四是长期看，黄河水能总体小于搬运泥沙入海所需要的动能，维持河道冲淤平衡的水沙关系难。

2 分沙输沙思路与管道输送优势

2.1 分沙输沙的意义

20世纪90年代以来，黄河中下游水沙量明显减少。有研究资料表明，和20世纪50年代相比，利津站年径流量和泥沙量90年代分别减少31.2%和31.3%，21世纪初分别减少21.9% 和11.2%[7]。水沙变化与流域降雨时空分布、沿线工业化及城镇化发展用水增加、区域工程逐步发挥作用等因素有关，但从长期看，客观的气候条件和黄土高原的黄土性质决定了黄河多沙的特性很难改变，中游工程措施拦滞和调节泥沙数量是有限的。分沙输沙可以借助丰富的电力资源，提高黄河水力搬运泥沙的能力，减少输沙水量。分沙可以减小下游河道水流含沙量，改变水沙关系，对保持现有河道位置长期不变有利，对改变现状河道存在问题有利。

2.2 分沙输沙思路

黄河中游尾段是泥沙的自然聚集区，有形成高浓度含沙水流的天然条件，在该处利用已建枢纽工程的拦蓄作用，滞留泥沙，分设提沙站点，将泥沙分离出河。各提取点抽提组合，形成高含沙水流，沿两侧河岸输沙管道，依靠水沙重力和分级加压动力向下游沿线用沙点及大海输送。

集中输沙工程措施有多种，可选择渠道式、无压箱涵式、管道式、混合式等，从保持水头、实施难易、挟沙稳定性和占压土地等方面综合分析，管道式加压输送优势明显。

2.3 管道输沙优势分析

与单一河道输沙方式相比，管道集中输沙有以下优势：①能利用电力补充水流输移泥沙过程中水动能的不足；②挖沙、输送和利用泥沙相结合，可根据面上需要，及时变动挖沙位置，及时在输送干管上开、关分沙口；③一定量的泥沙，采用管道集中输送所需水量小于河道输沙所需水量。

3 管道输沙方案描述

3.1 输沙系统布置

黄河下游管道输沙系统包括泥沙采集区、输沙管道系统、分沙利用区、入海区四大部分。泥沙采集区起点为黄河小北干流段，终点至西霞院水利枢纽，采集点分布在小北干流河段、三门峡水库库区、小浪底水库库区和西霞院水库库区。输沙主管道从小北干流至入海口，沿黄河两岸布置。泥沙利用分水口布置在沁河口以下至入海口段，根据面上泥沙需求，确定分沙口数量和规模，大致有放淤改土口和泥沙加工利用口两类，可随时调整。入海口位置可灵活移动，沿海岸线变化。布置示意见图1。

图1 集中泥沙输送系统示意

3.2 输沙规模

以远期规划入黄沙量8亿t[6]控制，管道动力系统年输沙量应与下游水沙平衡状态下输水入海挟沙量、两岸引水引沙量、调水调沙量协调分担。

入海沙量，统计1987—2004年利津站实测入海泥沙量，18 a总计62.1亿t，年均3.45亿t[7]。

灌溉用水主要集中在春秋两季，中游水库控制下泄水流含沙量小，2003—2013年下游年均灌溉引水量72.44亿m3，以宁蒙河段年均含沙量7.86 kg/m3[8]估算，下游年平均引沙量为0.58亿t。

2002—2016年，黄河进行19次调水调沙，输沙10亿t，平均年输沙量为0.53亿t。

那么，剩余给管道动力输送的泥沙量为年均3.44亿t（见表1）。考虑动力系统清除中游已有河道、水库及渭河等一级支流淤积，近期规划输沙量以富余量控制，年均管道输沙规模约为4亿t。

表1 入黄沙量分配规划 亿t

4 管道输沙方案关键参数分析

4.1 系统参数

（1）含沙量。综合分析挟沙流速、长距离沿程水头损失、耐久性、运行安全等多方面因素，水流含沙量不宜过大。结合相关试验和工程经验，挟沙流速为2 m/s左右，对应管道水流含沙量300 kg/m3，运行整体效果较好。输沙系统每年运行300 d，年均流量51 m3/s，则年输沙用水量为13.33亿m3。与河道输沙相比，集中输沙用水量小，有一定的置换水资源潜力。

（2）泥沙粒径。分沙口集中在中游下部，以三门峡库区断面为代表，分析抽取泥沙的中值粒径d50。根据三门峡库区1960—2003年大断面淤积物粒径分析结果（见表2）[9]，其中泥沙粒径大于0.05 mm的含量接近50%，故选其作为中值粒径。

表2 三门峡库区大断面1960—2003年淤积物粒径

（3）挟沙流速。流速是关键的设计参数，在满足输沙要求前提下，结合泥沙粒径、拟选管径，与经验值对比，尽量选小值。从不同途径分析选取如下：①对于清水，长距离供水，《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》（CECS193—2005）要求：压力输水管道的设计流速不宜大于3 m/s，经济流速一般为0.8～1.4 m/s。②小浪底高含沙水流远距离管道输送技术试验研究表明，中值粒径为0.040 9～0.061 2 mm、含沙量为950 kg/m3（体积浓度 Cv=35.85%）时，流速为1.50～2.08 m/s，管道排沙效果最佳[3]。③王英杰开展的管道输送泥沙试验研究表明，选用泥沙密度2.74 g/cm3，粒径为0.01～0.2 mm，中值粒径为0.061 3 mm，满足挟沙且水头损失较小，含沙体积浓度Cv=15%（400 kg/m3）时，流速为 2 m/s（见图 2）[10]。 ④按二相流淤限流速挟沙经验公式[11]计算，将结果点绘成VL—ρ关系图（见图3）。Durand定义淤限流速VL相当于泥沙全部悬移二相流与有推移质运动之间的边界流速，基本与最小水头损失时的流速相等[12]：

式中：VL为淤限流速，m/s；d为泥沙中值粒径，mm；D为管径，cm；ρm为浑水密度，g/cm3；μm为运动黏滞系数，cm2/s；s为浑水与清水的密度比；g为重力加速度。

综合以上分析，重点考虑输沙和减小沿程水头损失，选定管道流速为2 m/s。

4.2 管道及加压泵站参数

综合考虑黄河中游泥沙特点和经济性，来设计远距离输沙管道及动力系统。经初步计算分析，左、右岸各布置7根输沙管，每根管道平均输水流量为3.67 m3/s。

图2 不同含沙量的流速与水头损失

图3 淤限流速与含沙量的关系

（1）管材及管径。目前，国内外常用的管材有钢管、铸铁管、预应力钢筒混凝土PCCP管、夹沙玻璃钢管等。以耐磨和强度为主要控制因素，选用PCCP管。管径计算采用管道恒定流公式：

式中：Q为流量，m3/s；A为管道过流面积，m2；v为流速，m/s；D 为管道直径，m。

经计算，单根PCCP管道直径为1.5 m。

（2）沿程水头损失。以单根入海输沙管为例，计算起点选黄河下游起点桃花峪，输水管长采用河线长度786 km。管内水流为紊流的阻力平方区，由计算雷诺数Re=2 307 692和相对黏滞度Δ/d=0.000 5（Δ为混凝土管道壁面当量粗糙度，mm），查Moody图[13]得沿程水头损失系数λ值。

式中：hf为沿程水头损失，m；λ为沿程水头损失系数；l为单根输沙管长，m；D为管道直径，m；g为重力加速度，g=9.8 m/s2。

计算结果见表3。

表3 单管沿程水头损失计算结果

（3）加压泵站数量。输沙沿线布置泵站加压，以加压泵单级扬程300 m估算，入海线路需设12级泵站，以便保证输沙流速。

4.3 运行成本分析

仅考虑工程运行的输沙成本，主要体现在水泵加压维持流速耗费电能方面。耗电量计算公式如下。

式中：E为年耗电费用，万元；k为电价，元/（kW·h）；h为水头损失，m；ρ为含沙水密度，kg/m3；T为年提水总时间，h；η为装置效率。

按平均输沙至下游河道中间位置控制，水头损失1 764.5 m，单管输水流量3.67 m3/s，全年所需电量为62 124万kw·h，输送0.14亿m3泥沙的费用为3.11亿元，输送1 m3泥沙耗电成本约为22.86元，见表4。

表4 输沙耗电成本计算结果

4.4 需进一步研究的问题

管道集中输送黄河泥沙，方便转移运输和应用，有利泥沙资源的市场化，更好地实现治黄社会效益和经济效益的互补。输沙工程沿线占压土地呈线状，对环境产生严重影响的可能性不大。因工程采沙区长度超过300 km，采沙点分散，用沙点也存在较多的变化，在采沙、用沙、对河势影响及建筑物安全方面存在一些复杂问题，需要统筹研究，如中游采集泥沙的精细控制、与其他泥沙治理措施间的协调、泥沙市场开发运行、工程建设管理等。

5 结 语

黄河下游河道单一的河流输送泥沙方式已很难平衡自然与社会发展持久需求的关系，增加新的输沙方式客观上是必要的，技术上也积累了很多相关经验。水能、电能并用，中游分离泥沙，下游管道集中输运，作为泥沙综合治理的具体措施，从局部试验到生产应用，将对解决黄河的泥沙难题有重要贡献，也有利于实现泥沙资源的价值回归。

致谢：端木礼明、周丽艳对本文给予指导，在此表示感谢。