小开河灌区挖泥船清淤及远距离管道输沙探讨

鲍建平，张海霞，郝 浩，张翠萍

（滨州市引黄灌溉服务中心，山东 滨州 256600）

滨州市小开河引黄灌区位于山东省北部、黄河下游左岸，是国家大型引黄灌区，总长94.2 km，设计灌溉面积7.3 万hm2，设计引水流量60 m3/s，涉及滨州市黄河以北所有县区，承担着区域生活、生产、生态用水重任，向滨州市提供重要淡水水源。

1 灌区面临的突出问题

1.1 沉沙池清淤弃土无处堆放问题

黄河是多泥沙河流，引黄必然引沙。小开河引黄灌区采用大比降、长距离输沙技术，沉沙池建在距离渠首51.3 km处，采用集中沉沙方式，以挖待沉，由于年年清淤，弃土场堆积了大量泥沙［1］。小开河沉沙池南北长4.16 km，渠底东西最宽处320 m，呈梭形结构，包括上游连接段、扩散段、等宽段和收缩段。上游连接段长度500 m，扩散段长度1 200 m，等宽段长度1 800 m，收缩段长度655 m。小开河沉沙池断面要素，详见表1。

表1 小开河沉沙池断面要素

正常情况下，小开河沉沙池清淤在每年10 月下旬—11 月下旬利用灌区停水间隙进行，主要采用泥浆泵人工清淤，时长约1 月。绝大部分泥浆排放在西南岸500 m 范围内的清淤弃土场内沉淀晾晒，弃土场面积约30 hm2。1998 年运行至今已堆放清淤泥沙约170 万m3，平均高度5～6 m，已基本淤满。2000—2016年，沉沙池年均清淤量约38 万m3，2018年清淤39.13 万m3，2019 年清淤52.9 万m3，2020 年清淤50 万m3，伴随灌区用水量的增多，泥沙淤积量越来越大，亟待寻找新的清淤弃土堆放场地。

1.2 灌区引水时间延长与沉沙池清淤的矛盾

近年来，随着黄河来水来沙条件发生变化，黄河主河槽下切严重，同等流量条件下灌区引水能力降低，引水时间大幅延长。2002—2019 年，位于小开河引黄闸下游约2 km 处的兰家断面黄河主河槽平均刷深2.35 m，小开河引黄闸引水能力下降近70%，黄河兰家断面河槽高程（黄海高程）成果详见表2。

表2 黄河兰家断面河槽高程成果

小开河设计流量与灌区现状流量对比，详见表3。

表3 灌区设计流量与现状流量对比

因引水困难，为满足灌区用水需求，只能采取延长引水时间的方法。2000—2013 年，小开河灌区年均引水时间为125 d，2014 年后年引水时间逐渐增加，2017 年引水时间长达249 d，长时间引水造成沉沙池放空清淤的时间非常有限。随着灌区用水量增加、黄河水沙条件变化等影响，未来沉沙池清淤量、时长、频率均会增加，灌区引水与沉沙池清淤的矛盾会越来越突出。

2 探索挖泥船清淤新模式

2.1 挖泥船清淤方案比选

为解决以上两个难题，小开河灌区开展了利用挖泥船清淤的探索，分别采用了冲吸式及绞吸式挖泥船进行了试验。

2.1.1 冲吸式挖泥船清淤

冲吸式挖泥船清淤，效果不理想。主要原因有：①沉沙池内淤积泥沙黏性较高，功率小的冲吸船难以冲刷搅动，出泥率低；②经验不足，沉沙池内水位变化较大，灌区停水时未及时清出足够深度存水形成“船窝”，导致挖泥船搁浅，无法正常施工。

2.1.2 绞吸式挖泥船清淤

绞吸式挖泥船清淤效果较好，可以顺利打出输水通道，为灌区引水提供保障。绞吸式挖泥船通过绞刀的旋转，将淤泥挖掘并与水混合成泥浆，再利用泥浆泵将泥浆经管道输送到清淤弃土场。清淤方案包括以下几个方面。

（1）清淤范围。主要为部分沉沙池扩散段，长度约700 m，宽度55～230 m，面积约10.4 hm2，此段为泥沙重点淤积区域，平均淤积深度3 m，在此位置以挖待沉，能有效防止沉沙池入口被淤平，保障灌区正常引水。

（2）相关设备参数。该挖泥船为拼装式，长20 m，宽6 m，吃水深度0.8 m，采用泰安鲁泰泵业生产泥浆泵，功率220 kW，清水流量1 200 m3/h；绞刀直径1.1 m，功率70 kW，架臂长13 m。泥浆一次运距1 km左右，出泥率10%左右。输泥管道采用直径300 mm的钢管和锦塑软管结合，封闭性能好，对周边环境影响小。

（3）清淤弃土场。在小开河沉沙池周边2 km 范围内，存在有3处砖窑厂挖掘深坑，利用挖泥船泥浆泵结合管道，一次性输泥到位。

（4）疏挖方法。采用扇形竖向开挖方法，分条、分块开挖，根据本工程所采用挖泥船参数，确定分条宽度为20 m，为保障开挖质量，每条之间设置2 m 重叠开挖区，在远端适当位置设置主桩，利用挖泥船自带绞盘牵引前进，清淤完成1 条后，再开挖第2 条，1 个断面换桩1次。

2.2 绞吸式挖泥船清淤相对于人工泥浆泵清淤的优势

2.2.1 带水作业，对灌区引水无影响

人工泥浆泵清淤需干槽作业，灌区需要关闸停水，而挖泥船可带水作业，能有效缓解沉沙池清淤与灌区引水之间的矛盾。

2.2.2 人机少，密闭好，对周边环境影响小

人工泥浆泵清淤需结合围堰分区块施工，并需要开挖清水沟，所需人员、机械多，时间长，对环境影响较大。挖泥船清淤需要人员、机械少，减少了对周围环境的影响，避免了多套设备施工时挖沟埋管、破坏环境。同时，挖泥船清淤不需要排空沉沙池，一定程度上保护了部分水生动植物，降低了对沉沙池生物多样性的影响。再者，挖泥船输泥管道数量少，密闭性好，稳定性高；泥浆泵清淤管线纵横交错，排泥管跑冒滴漏现象频发。

2.2.3 泥浆一次性运送距离远

人工泥浆泵一次性运距0.5～1 km，而较大功率挖泥船可达2～3 km 甚至更远。小开河沉沙池周边2 km 范围内，有大量废弃坑塘，若加以利用可节省清淤弃土侵占空间，缓解泥沙无处堆放问题。后期如果加装接力泵，泥浆运输距离可达十几公里甚至更远［2］。

2.2.4 经济效益好

挖泥船清淤干扰少，需要人工少，可24 h不间断施工。粗略计算，泥浆运距1 km 时，采用泥浆泵清淤成本大约为5～6 元/m3，挖泥船不到4 元/m3。

2.3 挖泥船清淤注意事项

（1）根据灌区用水需求，沉沙池水位变化较大，挖泥船要在沉沙池水位较高时进场抓紧施工，将船周围清理出一定深度存水，防止船体搁浅。

（2）注意水流流速，当流速小于0.5 m/s 时，采用顺流开挖；当流速大于0.5 m/s 时，采用逆流开挖［3］。沉沙池引水期间平均流速大于0.5 m/s，采用挖泥船泥浆泵逆流清淤方案，可以提高出泥率。

（3）控制好清淤深度，密切观察含泥量变化，及时移动铰刀位置，防止出现超挖。可在绞刀架杆上安装水尺，随时观测并及时调整开挖深度［3］。

（4）注意施工安全。施工区域内岸上、水上都要设置各种警示、提示信号，水上作业要穿好救生衣，注意用电安全，严格按照规程布置电缆，注意接头的绝缘保护，并加强现场操作人员管理培训。

（5）规范设备养护操作，防止环境污染。大部分引黄灌区为饮用水源保护地，小开河灌区沉沙池还是“国家湿地公园”核心区域，要注意规范操作，特别是添加机械油液时要尤其注意。

3 船泵（挖泥船和加压泵站）结合远距离管道输沙改良盐碱地探讨

第二次全国土壤普查数据显示，山东省共有盐碱地59.3 万hm2，占山东总面积的3.78%。黄河三角洲地区的滨海盐碱地主要集中在滨州、东营和潍坊市，三市盐碱地的全省占比超过75%［4］，具有极大的开发利用潜力。盐碱地土壤质地黏重、紧实，结构不良，而黄河泥沙有助于土壤盐分的淋洗，相对降低土壤含盐量，增加土壤肥力，对盐碱土改良效果明显［5］。自2013年开始，小开河灌区在沉沙池西南岸选取4.33 hm2盐碱地开展掺沙改良种植水稻试验，采取无公害管理手段，施用农家有机肥，稻谷产量达7 500 kg/hm2，水稻收割后种植的冬小麦产量达4 500 kg/hm2。2016 年又在“渤海粮仓”选取23 hm2盐碱地开展掺沙种植小麦试验，平均亩产提高60%，效果显著。

滨州、东营两市引黄灌区众多，年引沙量巨大，可试点采用挖泥船与加压泵站结合进行远距离输沙改良盐碱地的探索。“船泵”结合管道远距离输沙已经成为一项相对成熟的技术，2006 年在济南标准化堤防建设中，由吸泥船和三级加力泵站结合，可将泥沙输送到11 km 外的淤区，单船日输沙能力可达到3 000 m3以上［2］。小开河灌区沉沙池距最下游的无棣县北海新区仅30 km，而北海新区有大面积的可利用盐碱荒地。未来通过管道向黄河三角洲北部盐碱地输送黄河泥沙，具有极高可行性。

通过盐碱地合理掺沙，一是可改善盐碱土壤理化性状，达到农业增产增效的目的；二是能够“水沙齐送”，缓解北部沿海地区淡水资源缺乏现状，改善生态；三是能进一步拓展城镇发展空间，确保耕地总量动态平衡，对国家坚守土地红线、保障粮食安全、促进黄河下游引黄灌区可持续和高质量发展具有重要战略意义。