镫口扬水灌区骨干渠道淤沙处理对策

卢 斐，王虎刚

（1.内蒙古自治区镫口扬水灌区管理局，014000,包头；2.内蒙古水土保持工作站，010000,呼和浩特）

镫口扬水灌区地处内蒙古土默川平原，位于包头市、呼和浩特市之间，涉及包头市东河区、土默特右旗和呼和浩特市土默特左旗3个旗区的农业灌溉任务，设计灌溉面积116万亩(1亩=1/15 hm2,下同)，实际灌溉面积67万亩。

一、灌区现状与问题

镫口扬水灌区由镫口扬水站、总干渠灌区、民生渠灌区、跃进渠灌区和哈素海灌区组成，扬水站由临河式东、西泵站两部分组成，分别建于1975年和1969年，装机总容量5 780 kW，设计总提水能力63m3/s，年均提水量2.5亿m3左右。灌区骨干渠系工程由总干渠、民生渠、跃进渠三大干渠组成。灌区种植作物主要有玉米、小麦、葵花及其他作物，种植比例为80%、15%、4.8%、0.2%，作物总产量为28 844万kg，总产值为54 972.29万元。灌区农田年均灌溉三次，其中夏季二次、秋季一次。除农业灌溉供水以外，镫口扬水灌区泵站同时负责向呼和浩特哈素海生态补水任务，每年补水量为2 500万m3左右。灌区地貌形态为现代黄河冲积平原地貌，地形平坦。灌区西起包头市东河区镫口地区，东至呼和浩特市大黑河永顺渠，长约100 km，北依京包铁路，南与黄河接壤，宽约20 km，西高东低，呈不规则三角形状，其正处于黄河南岸“十大孔兑”中下游。

根据《黄河内蒙古镫口扬水灌区续建配套与节水改造规划》，灌区农业灌溉取水总量为2.9亿m3/a，其中哈素海灌区和生态补水0.7亿m3/a，镫口一级扬水灌区2.2亿m3/a，按照最新统计，黄河内蒙古镫口扬水灌区近几年实际引黄水量平均为2.387亿m3/a。灌区现状渠系水利用系数为0.55，灌区现状亩灌溉定额495m3。现状用水已采取支斗口计量按方收费，一级扬水灌区平均成本价0.0812元/m3（核减了财政补助收入），现行水价按照2019年自治区发改委核准价格0.0812元/m3收取。二级扬水灌溉水源是通过镫口扬水站提水后，经镫口灌区总干渠、民生渠进入哈素海，再由哈素海提水灌溉，长期以来水价与供水成本背离，现状成本水价0.197元/m3，农业灌溉执行水价0.111/m3元。

灌区存在的主要问题包括：一是灌区渠道淤积严重。灌区由于多年的运行加之扬水站进水口较低，大量粗颗粒泥沙经扬水泵站进入渠道，加之干渠长期高水位、小流量运行，渠道比降降低，渠道流速减小，加速泥沙沉积，造成灌区渠道泥沙淤积严重,干渠平均淤积高度0.4～0.7 m。二是灌区灌溉水利用效率低。灌区渠道的淤积使得渠道水流流量变小、流速降低，渠道的渗漏、蒸发水量增加，干渠水利用系数仅为0.73，灌溉水利用系数仅为0.401。三是渠道清淤使水管单位管理费用增加。由于灌区内渠道淤积严重，每年干渠的清淤量约为30万m3，清淤费用高达135万元，而灌区水管单位水费多年平均收益为946万元，清淤费用占水费收入的14.27%，每年的清淤费用给水管单位带来沉重的经济负担。四是灌区续建配套与节水改造投资不足。近年来为降低灌区管理和维护成本，提高灌区灌溉水利用效率，保障地区的水资源可持续利用与发展，国家和地方加大投资力度，对灌区骨干水利工程进行续建配套和节水改造，但灌区支渠及以下渠系续建配套与节水改造投入不足，支渠及以下渠系淤积严重，输水能力下降，从而导致干渠只能高水位小流量运行，加重了干渠淤积。

二、成因分析

1.入渠泥沙来源及特征分析

根据灌区渠首泵站取水口前黄河泥沙淤积状况及影响因素分析，得到如下结论：一是近几年灌溉期间，泵站提水运行天数85～115天，引水量2.05亿～3.06亿m3，带入干渠的泥沙总量为43.68万t～53.97万 t，带入干渠的泥沙粒径 2～50 μm的占 70%左右，粒径＞50 μm的粗沙约占20%左右，粒径＜2 μm约占10%。二是从时间分布上来看，夏灌二水来沙量最大，主要原因是夏灌期与黄河夏汛时间重合，黄河来水来沙量增大；同时夏灌二水的引水量也大于其他灌水期。三是从每年泵站提水量来看，提水量与带入干渠的泥沙量没有直接关系；如2011年共计从黄河提水量2.05亿m3，取水泥沙总量约为45.38万t，而2015年从黄河提水量3.06亿m3，与2011年相比提水总量高了49%，而带入干渠泥沙总量为43.68万t，低于2011年泥沙总量。四是根据泵站出水口含沙量和流量变化过程分析，入渠的推移质泥沙含量随着流量的增大而提高，泵站流量越大，对淤积泥沙的抽吸能力越强，停水时取水口淤积厚度越小，进入渠道的推移质泥沙越多。五是泵站所处的位置和抽水时间影响干渠泥沙淤积总量。由于泵站位于黄河主要沙源“十大孔兑”的下游，8～10月汛期高含沙洪水使得黄河的含沙量明显增多，造成秋灌引水时含沙量较高；同3～4月份黄河开河期槽蓄水量下泄，流量增大，河岸冻土融化，强度降低，造成河岸坍塌，黄河含沙量增大，从而导致春灌引水含沙量高。

2.干渠淤积情况及泥沙特性分析

一是在时间上，各灌水期淤积量与引水量、黄河来沙量等因素有关，但春灌期由于泵站对进水口前淤积粗颗粒泥沙的抽吸作用，是同等流量下淤积最为严重的灌水期，也是导致干渠淤积的主要原因。二是在空间上，总干渠淤积严重的渠段主要为土合气桥—五当沟断面和泵站出水口—东富桥渠段。根据含沙量沿程变化与流量关系，得到不同来水、来沙条件下总干渠冲淤平衡临界水力条件如下：当来沙量＜1.0 kg/m3，要求总干渠保持两台泵流量即Q＞12m3/s时不发生淤积；含沙量1～1.5㎏/m3时渠道流量应该保持在3台泵以上不发生淤积；含沙量在1.5～2.5㎏/m3时保证4台泵流量为总干渠不发生淤积；含沙量在2.5～4.0 kg/m3时保证5台泵运行流量总干渠不发生淤积，经分析总干渠不发生淤积的条件为流量为4台泵运行流量24 m3/s。三是从细颗粒泥沙颗粒级配来看，80%以上的泥沙为不参与造床作用的冲泻质，因此细颗粒泥沙不是造成渠道淤积的主要原因。

从粗颗粒泥沙级配来看，70%以上泥沙为粒径小于0.05 mm砂粒，且该部分泥沙沿程逐渐降低，表明在渠道内发生淤积，因此粗颗粒泥沙是导致干渠淤积主要原因，提高该部分泥沙的输移率或降低该部分泥沙的入渠量是解决干渠淤积的关键。春灌和秋灌含沙量高且垂向分布变化大，这两个时期泥沙粒径分布不均匀，是导致干渠泥沙淤积的主要时期。

3.干渠泥沙输移特性及冲淤平衡分析

通过对干渠挟沙能力计算，影响各断面挟沙力的因素以及冲淤计算，对干渠泥沙输移特性及冲淤平衡分析如下：

（1）采用张红武水流挟沙力公式计算近三年断面的水流挟沙能力。计算发现，渠道各断面的水流挟沙能力与总干渠流量有一定的相关性，总体趋势表现为在同一断面下，流量越大，水流挟沙能力越强。但由于水流挟沙力还受其他因素的影响，因而断面的水流挟沙能力与流量的变化趋势并不表现为绝对的单向性。同时通过比较不同断面的挟沙能力、含沙量与流量的关系，发现渠道基本表现出一种类似“汛冲枯淤”的总体规律。即引水量较大时，渠道总体表现为冲刷状态，引水量流量较小时，渠道总体表现为淤积状态。

（2）影响水流挟沙力的因素众多，对渠纵比降、流量和粒径对干渠水流挟沙能力的影响进行了分别分析。结果发现当总干渠的实际流量接近设计流量、渠道纵比降为1/7 000、泥沙粒径小于0.07 mm时，用比值挟沙力计算出的挟沙力值与实际的总干渠的挟沙力值最为接近。

（3）根据计算得到近三年总干渠冲淤情况，由计算结果可以看出，每年份总干渠都发生了不同程度的淤积。同时过对输沙效率指标的计算，发现当流量介于23～33 m3/s时，三个年份总干渠淤积强度的变化趋势一致，即渠道从淤积状态逐渐趋向冲刷状态。进一步分析发现，三个年份由淤积转向冲刷的临界引水流量有较大差别，差别的存在与渠道的床沙组成、水流含沙量以及水流特征等因素有关。当流量介于15～23 m3/s时，各个年份的渠道均出现强度很大淤积。

三、对策建议

针对镫口扬水灌区干渠淤积原因，为保障干渠正常运行，恢复灌区功能，建议从工程和管理两个方面解决干渠淤积问题。

1.工程措施

干渠泥沙防治的工程措施主要有泵站进水口前的防沙工程和干渠上的输沙措施。由于进入干渠的泥沙大部分来自于泵站进水口前黄河河道泥沙的淤积，因此根据其他灌区泥沙防治经验， 为防止淤积在进水口前的泥沙由于水泵的抽吸作用进入干渠，可在泵站进水口前设置叠梁闸门，从而保障进入总干渠的水流为表层的低含沙水流。建议将叠梁闸门的顶部设置在距自由水面1.6 m以下，既可以极大地减少泥沙进入到泵站，又可以获得较好的水流流态，防止水泵空化、气蚀。另外，又可以通过冲沙、拉沙措施搅动泵站前的水流，从而使淤积在河床的床沙从推移质变成悬移质，通过黄河水流带到下游，达到降低泵站进水口前淤积高程目的。干渠的防御措施主要为提高水流挟沙能力，而水流挟沙能力与干渠水流流速有关。因此，在保证引水流量不变的情况下，要改变干渠渠道坡降、断面及糙率提高干渠水流流速。

2.管理措施

科学调水配水，合理调度流量；避开黄河沙峰引水；节水减淤。严格管理制度，禁止抬高干渠下游水位，杜绝小流量高水位运行，减少人为的渠道淤积；将干渠内淤积的泥沙排进沉沙池后，利用淤积泥沙制砖或其他建筑材料。