人民胜利渠灌区泥沙处理实践与研究

1、灌区简介

　　人民胜利渠是新中国引黄灌溉第一渠。灌区位于河南省北部，总面积1183km².主要浇灌新、焦两市的8县（市、区）45个乡（镇）的土地，并承担新乡市城市用水的任务。设计灌溉面积88.6万亩，实灌面积60万亩。设计引水流量60m³/s.

　　灌区有渠灌、排水、沉沙、井灌四套工程系统。1987年以前有沉沙池，自流沉沙，目前，已被迫浑水灌溉。开灌以来，人民胜利渠从黄河引水294.95亿m³，引沙43451.63万t， 年均引沙量924.50万t，平均含沙量14.73kg/m³.其中农业灌溉引水年平均引沙量539万t.

　　人民胜利渠40余年来，灌区泥沙淤积分布，主要分三个时段：第一时段：由开灌初的1952年-1981年，整个时段沉沙池以处理泥沙为主要措施。第二时段由1981年～1986年，这一阶段沉沙池是二次复淤，与第一阶段相比拦沙率下降，处理泥沙主要是利用沉沙池和输沙至田并举。第三阶段：由1986年以来，原来的沉沙池都已还耕停用，不能集中处理泥沙。所以，这一阶段引进的泥沙主要淤积在渠道内和田间，其中灌溉渠道内约50％，田间约34％。

　　2、灌区泥沙处理措施

　　人民胜利渠开灌以来，根据泥沙的处理方式不同大体上可分为两个阶段。

　　2.1 结合沉沙改土处理泥沙的措施

　　2.1.1 渠首引水防沙

　　要想解决灌区的泥沙问题，首先是要考虑在渠首尽可能的少引沙。人民胜利渠开灌初期，闸前防沙主要是利用环流理论，采取一系列工程措施，如凹岸建闸，锐角引水、修建拦沙潜堰、安设导流系统等，这些工程措施，使入渠含沙量减少10-30％，引沙比为0.9-0.7.之后，由于黄河主流南移，又摸索出一套有效的办法。即：在引水渠淤死时，用4PL—250型泥浆泵代替人工挖淤；在引水口门局部淤死或即将淤死时，用配备喷枪的机船将淤沙冲起，同时开闸拉渠；每次引水结束前，在机船尾部挂上拖具在引水渠中往返行使，拖起泥沙，浚深引水渠，延长停水期间的回淤时间。同时在防止拉滩，避沙峰引水及控制引水量等方面都有其很好的效果。

　　2.1.2 渠系合理配水

　　在灌区内合理配水，是减轻和防止渠道淤积的有效措施，经过系统的观测研究，分析了不冲不淤流量与来水含沙量的关系，能够计算出不同来水含沙量情况下，各渠道的不淤最小流量。当实际流量远小于这一流量时，就关闸停灌；当枯水期渠首引水少，不够分时，实行集中用水。同时，通过合理配水，将细颗粒泥沙输送到田间，起到改良土壤的作用。

　　2.1.3 结合黄河大堤淤背处理泥沙

　　黄河大堤淤背固堤缺乏土源。所以在80年代初期，利用灌区上游紧临黄河大堤的有利地势，修筑两条专用沉沙池，轮换使用处理粗沙，再将池内的淤沙用4PL-250型泥浆泵抽至黄河大堤淤背区，既起到了加固堤防的作用，又处理了灌区泥沙。

　　2.1.4 合理调控使用沉沙池

　　沉沙池是人民胜利渠灌区在1987年前解决泥沙问题的主要手段。最早使用的沉沙池是湖泊型，后改为条型沉沙池，同时在管理上进行改进，在含沙量大时根据情况让浑水全部或部分流经沉沙池，在含沙量较小时可部分或完全不经沉沙池。沉沙池运行管理中的几项技术指标如下：

　　（1）可不经过沉沙池处理的来水含沙量

　　灌区引水含沙量较小时，可不经沉沙池处理，直接进行灌溉，其上限值的确定以沉沙池下游渠道不淤积为条件。若要不经沉沙池直接灌溉，来水含沙量应小于7kg/m3.

　　（2）允许出池的含沙量、粒径上限值

　　当引水含沙量较大，需经沉沙池处理时，沉沙池出口含沙量亦应控制在7kg/m3以下。出池泥沙颗粒粒径应与高产农田土壤颗粒相近，控制在0.03mm以下。

　　（3）最佳拦沙率

　　从经济观点和拦粗排细的要求出发。对多种因素进行综合分析，得出沉沙池的最佳拦沙率为40～50％。

　　（4）前期运用中的清浑水掺和比

　　在沉沙池前期运用中，由于实际拦沙率远远高于最佳拦沙率，总干渠配水枢纽在调配水时，可让适当比例的水经沉沙池处理，其余水量则直接送下，清浑水掺合后的含沙量以总干、干渠不淤或少淤为条件，根据具体灌溉放水情况，按有关计算公式确定。

　　（5）沉沙池中后期的调控运用方式

　　在沉沙池运行的中后期，由于淤积高度已达到了一定的程度，因此在出口要根据具体情况用叠梁闸板进行调控，既能使拦沙率接近最佳拦沙率，又能满足出池含沙量和粒径的限制条件。所以在不同的运用时期都要根据具体情况按照分析所得的关系式求出合理的调节高度，以便管理人员操作。沉沙池在还耕前，要利用汛期泥多沙少的特点，放淤0.3m左右的细泥覆盖层，以利耕作和高产。

　　2.2 用浑水灌溉解决引黄灌溉中的泥沙问题

　　使用沉沙池来处理引进灌区的泥沙无疑是一个很好的办法，但在80年代后期，沉沙池实际上已失去了作用。其原因之一是二次复淤阻力大；其二是二次复淤代价高昂。所以自1987年以来灌区实际上已走上浑水灌溉的道路。

　　开展浑水灌溉是灌区实现可持续发展的一条新思路。因此在前期的工作中首先开展了浑水灌溉边界条件及管理措施的研究。提出了在高含沙量引水条件下，各级渠道保证正常灌溉所应控制的最大引水含沙量、不冲不淤的纵横断面形态、渠道比降和管理上采取的措施等。以科技为先导，在不断探索和总结经验的基础上，从工程条件的改善和加强用水管理两方面着手，妥善处理泥沙，确保浑水灌溉的正常进行。

　　2.2.1 采取的工程措施

　　灌区实行浑水灌溉，含沙量较高，因此就必须设法提高渠道的挟沙能力。从人民胜利渠灌区的具体情况来看，全灌区地面坡降约为1／4000，灌区中部与黄河河底高差约15～20m， 因而有调整渠道比降，加大渠道纵坡的水头可供利用，所以在保证骨干输水渠道少淤或不淤的情况下，把较细颗粒送入支渠以下各级渠道以及将细颗粒泥沙送入田间是完全可以的。因此，在技术改造中首先对淤积十分严重的总干输水工程进行改造，利用渠道上的2#～3#跌水间原有的跌差，采取加高加固提防的办法，通过加大放水流量，来自然调整渠道比降，以此提高其输水输沙能力。工程实施后，除了能够满足正常的灌溉要求外，同时还克服了过去年年清淤的被动局面。

　　在对骨干输水渠道进行改进的同时，还对支、斗、农三级渠道，在灌区内开展了以U型砼衬砌为中心的技术改造，改造以后，淤积量比原土渠减少了41％。

　　2.2.2 管理措施

　　（l）实行井渠结合灌溉：一方面，在灌区不是普遍干旱的情况下，渠首尽量不引水，而采取井灌，以减少引水引沙量，另一方面，在渠道来水含沙量较大，斗、农渠严重淤积时，将井水和渠水混合起来，降低渠水含沙量，减少渠道淤积也是一种有效的办法。

　　（2）实行集中用水的管理办法：集中用水、分组轮灌是人民胜利渠四十余年来减少渠道淤积的经验总结，根据实践经验，当实际放水流量达到渠道设计流量的70％以上时，渠道基本上能够达到设计挟沙能力，若小于70％，则挟沙能力减少很多。在灌溉管理中，如果渠首水量较小，就要集中用水，分组轮灌，以防止渠道严重淤积。

　　3 适应浑水灌溉的灌区技术改造

　　所谓浑水灌溉，就是将从渠首引进的含泥沙浑水，不经或稍经处理，直接送入田间灌溉。

　　3.1 浑水灌溉的边界条件

　　3.1.1 渠首引水含沙量

　　在渠首采取引水防沙措施，使引水含沙量小于相应时间黄河来水平均含沙量。引水防沙前面已经讲过，在目前人民胜利渠情况下，稳定引水渠，避免单独拉引水渠，避沙峰引水是主要办法。一般来说，含沙量超过35kg/m3，汛期70kg/m3时应停止引水。

　　3.1.2 控制引水泥沙粒径

　　泥沙颗粒的粗细，直接影响渠道的冲淤变化和输沙到田的可能性。据测试，引沙平均粒径：汛期0.014-0.032mm，非汛期0.03-0.045mm.高产农田取土样分析，土壤颗粒平均粒径为0.024-0.032mm.对于浑水灌溉，允许斗、农渠有一定淤积，因此，进入田间的泥沙粒径不会大于土壤的平均粒径。为避免支渠以上渠道淤积，就必须集中处理粒径在0.05mm以上的粗颗粒泥沙。处理办法是设专用沉沙池，处理泥沙数量占引沙量的20％左右。

　　3.1.3 渠道挟沙能力

　　渠道挟沙能力应以冲淤平衡为原则。对支渠以上的骨干渠道，含沙量大时应允许有所淤积，含沙量小时应允许有所冲刷，年内保持冲淤平衡。对于支渠允许通过的最大含沙量控制在19kg/m³，允许渠道淤积5％；对于斗、农渠，将最大含沙量控制在12kg/m³，允许淤积20％。

　　3.1.4 渠道断面形态

　　浑水灌既渠道首先要防淤，维持渠道冲淤平衡。因此断面设计应满足水流连续方程，水流阻力方程，水流挟沙能力，水力半径和水深的关系。

　　渠道的纵断面形态可用比降来反映。渠道比降主要以地形条件和水位来确定。地形允许应采用较大的比降，地形坡度较小，可采取衬砌渠道，提高集中处理泥沙的比例等措施。表2是人民胜利渠灌区实行浑水灌溉时，应满足的渠道宽深比和纵比降。

　　3.2 灌区技术改造

　　按照上述浑水灌溉的边界条件进行渠道纵横断面的重新设计，并对土渠进行砼全断面衬砌（支渠及其以下断面最好为U型），使渠道的输水挟沙能力满足总干、干渠不淤，支渠及其以下稍淤，大部分泥沙输送到田间的要求。

　　修建专用沉沙池，将20％左右粒径在0.05mm以上的粗颗粒泥沙进行处理，并引进灰砂砖制砖等先进技术，变泥沙为建筑材料。25％的较细颗粒泥沙淤积在支、斗、农渠中。其余55％的细颗粒泥沙输送到田间。

　　渠道工程改造后，再按上述浑水灌既的管理措施加强灌区的管理，即可实行浑水灌溉。

　　人民胜利渠灌区技术改造设计已经完成，总干渠技术改造已得到批复。