黃河下游引黃灌區(qū)的水文問題及解決途徑,水利工程論文

黃河下游引黃灌區(qū)的水文問題及解決途徑,水利工程論文黃河引水歷史悠久，上游的寧蒙地區(qū)引黃灌溉歷史可追溯到秦漢，但直至20世紀，黃河下游引黃灌溉的記載鮮有出現(xiàn)。20世紀50年代以來，黃河下游引黃灌溉事業(yè)經(jīng)歷了彎曲復(fù)雜發(fā)展的歷程。當前，黃河下游大型引黃灌區(qū)有95處，是我們國家最大的連片自流灌區(qū)，牽涉豫、魯兩省18個地〔市〕87個縣區(qū),覆蓋總土地面積500.2萬hm2,設(shè)計灌溉面積343萬hm2,有效灌溉面積223.4萬hm2,受益人口5271萬人。治理黃河的主要問題在于治沙，引黃灌溉的發(fā)展也從未忽略黃河的泥沙問題。黃河下游在兩岸大堤建閘，自流無壩引水向兩側(cè)平原輸送。由于受黃河攜帶泥沙含量高和下游平原地區(qū)地勢平緩的影響，引黃灌區(qū)渠系普遍存在嚴重的泥沙淤積問題。一、黃河下游引黃灌區(qū)發(fā)展與泥沙治理1.灌區(qū)建設(shè)與泥沙處理階段新中國成立后，黃河下游引黃灌溉從試辦中小型灌溉工程開場逐步發(fā)展起來。1953年8月人民勝利渠灌區(qū)作為試點，借助引黃入衛(wèi)工程遺址張菜園閘全部修建完成，是黃河下游第一個興黃河水沙資源之利的灌區(qū)。1955-1957年，河南省的花園口和黑崗口兩個引黃工程先后興建，山東省建設(shè)虹吸工程24個,期間興建打漁張引黃閘。在引黃灌溉初期，由于工程建設(shè)嚴格按設(shè)計要求，獲得了較好的灌溉效果和改堿效果。其后，黃河下游在1957-1961年間共興建引黃閘22座,設(shè)計引水能力高達3361m3/s,設(shè)計灌溉面積到達536.53萬hm2.由于灌區(qū)實行大引、大蓄、大灌的運行方式，加之灌溉工程不配套、管理粗放，只灌不排致使灌區(qū)地下水水位上升，土壤次生鹽堿化和內(nèi)澇災(zāi)禍加重，黃河下游引黃灌區(qū)全面停灌〔僅保存人民勝利渠1.33萬hm2引黃灌溉面積作為試驗〕。1965年黃河下游發(fā)生嚴重干旱，山東打漁張灌區(qū)首先恢復(fù)了灌溉。在全面總結(jié)經(jīng)歷體驗的基礎(chǔ)上，研究了適宜的灌溉制度、灌溉技術(shù)、泥沙處理方式方法和技術(shù)、防治鹽堿技術(shù)等，黃河下游引黃灌區(qū)走上健康發(fā)展的道路。黃河河床高于兩岸，歷史上沿黃兩岸有大量低洼鹽堿荒地，可用于自流沉沙，同時改進為高產(chǎn)農(nóng)田。在引黃灌溉初期，對于引黃泥沙問題的解決途徑主要是集中在兩個方面：一是渠首引水防沙，減少引沙量；二是入渠泥沙的集中淤沉處理，主要采用沉沙池沉沙的方式。2.灌區(qū)發(fā)展與泥沙治理利用階段20世紀70、80年代，隨著引黃灌溉事業(yè)的蓬勃發(fā)展，下游地區(qū)引水量的需求不斷增加，至1980年,已實現(xiàn)有效灌溉面積60.93萬hm2的規(guī)模。在這里期間，大多數(shù)引黃灌區(qū)存在用水定額偏高問題，仍以自流漫灌為主要灌溉形式，水資源浪費嚴重，灌區(qū)發(fā)展不平衡，上下游用水矛盾日益激化，加之引沙量的累積增加也特別迅速，泥沙處理難度較大。由于灌區(qū)泥沙淤積特別嚴重，而且分布不均，68.5%的泥沙淤積在渠首和渠系,給灌區(qū)帶來嚴重問題。尤為嚴重的是，黃河下游引黃灌區(qū)沉沙洼地已基本用盡，多數(shù)灌區(qū)采取以挖待沉的運作方式，清淤泥沙大量堆積在渠首地區(qū)，帶來占壓耕地、土地沙化、風(fēng)沙災(zāi)禍等不利影響，甚至構(gòu)成泥沙災(zāi)禍。因而，灌區(qū)開展泥沙治理勢在必行。除此之外，對于引水條件便利的灌區(qū)，過度引黃使灌區(qū)過度排水，導(dǎo)致平原排水河道淤積，防洪與排澇能力降低，甚至出現(xiàn)次生鹽堿化等問題。泥沙作為土壤流失的產(chǎn)物，具有一定的養(yǎng)分，而且可用于填充坑塘洼地和作為建筑材料原料。針對渠首清淤泥沙帶來的眾多問題，堆沙治理與利用措施和技術(shù)在這個階段大量涌現(xiàn)并得以發(fā)展。泥沙處理利用的方式主要包括淤改、稻改、淤臨淤背、建材加工、農(nóng)業(yè)和生活用土等。據(jù)統(tǒng)計，到1990年年底，黃河下游地區(qū)共放淤改進土地23.2萬hm2.放淤、稻改和淤背固堤給黃河沿岸帶來了宏大的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。3.灌區(qū)節(jié)水與泥沙輸送階段隨著引黃灌溉的發(fā)展，泥沙淤積問題持續(xù)存在。除此之外，由于水資源的緊缺，灌區(qū)時常面臨需水期引水條件差、非需水期引水條件好的問題，采取引黃蓄水、利用汛期含沙量較高渾水等措施，將使泥沙輸移和安置問題更為突出。灌區(qū)泥沙集中處理和渠首堆沙的利用措施，只是緩解渠首泥沙問題，不能從根本上解決灌區(qū)水資源浪費、泥沙淤積多、水沙分布不均等問題。因而，應(yīng)將泥沙集中淤積在渠首沉沙池及輸水干渠渠道沿線的點線式泥沙處理方式,轉(zhuǎn)換為分散淤積到支渠下面或田間的面式處理方式，盡量減少渠首集中沉沙、淤沙，不使渠首地區(qū)因清淤造成累計性堆沙災(zāi)禍。隨著對灌區(qū)渠道水流輸沙規(guī)律認識的不斷深切進入，提高渠道輸沙能力的技術(shù)也獲得進步，人們逐步認識到，解決灌區(qū)泥沙問題的根本源頭在于實現(xiàn)灌區(qū)泥沙的遠距離輸送。圍繞20世紀90年代開展的節(jié)水灌溉和大型灌區(qū)配套改建措施，將泥沙處理利用和節(jié)水灌溉規(guī)劃嚴密結(jié)合，是實現(xiàn)泥沙遠距離輸送的重點途徑。泥沙遠距離輸送的詳細技術(shù)包括優(yōu)化斷面形態(tài)、加大渠道的縱比降、水沙優(yōu)化調(diào)度措施等。4.灌區(qū)泥沙資源化與水沙配置階段進入21世紀以來,黃河下游干流徑流量和輸沙量明顯減少。一方面，可引水量的減少使得下游灌區(qū)水資源緊缺的形勢越發(fā)嚴峻；另一方面，下游引黃灌區(qū)引水含沙量也明顯減少，入渠泥沙堆積問題有所緩解。盡管如此，隨著小浪底水庫攔沙庫容的淤滿，黃河下游灌區(qū)引水含沙量也會隨之加大，灌區(qū)泥沙問題仍然不容忽視。在實現(xiàn)灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展的要求下，為解決水資源緊缺問題，灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置需要進一步細化和精到準確，以建立節(jié)水型灌區(qū)為主要目的；為解決泥沙問題，則需要對泥沙進行全面、統(tǒng)籌的考慮和安置，泥沙作為資源在整個灌區(qū)的配置愈發(fā)重要，即有意識地合理配置泥沙，減少泥沙災(zāi)禍，建設(shè)生態(tài)型灌區(qū)。由于水流與泥沙的不可分割性，灌區(qū)在配置水資源的同時也是對泥沙資源的配置。但是，在當下灌區(qū)以用水為主要需求的前提下，水量調(diào)度并不以合理配置泥沙資源為轉(zhuǎn)移，因而，灌區(qū)水沙資源聯(lián)合配置的需求也愈加緊迫。灌區(qū)水沙資源優(yōu)化配置是實現(xiàn)泥沙資源化的關(guān)鍵技術(shù)，也是建設(shè)節(jié)水型生態(tài)型灌區(qū)和可持續(xù)發(fā)展灌區(qū)的基礎(chǔ)，更具有科學(xué)意義。我們國家對水沙資源優(yōu)化配置的研究主要具體表現(xiàn)出在建立了水沙資源優(yōu)化配置的理論，總結(jié)水沙優(yōu)化配置關(guān)鍵技術(shù)等方面。在水資源與泥沙資源聯(lián)合優(yōu)化配置模型研究方面也做了進一步的探尋求索，我們國家建立適用于多沙河流的水沙資源優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模擬技術(shù)走在世界前沿。水沙聯(lián)合優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型比擬有代表性的是將水沙動力學(xué)模型與泥沙資源優(yōu)化配置模型進行整合，以水沙動力學(xué)模型的計算結(jié)果作為泥沙優(yōu)化配置模型的約束條件，進而實現(xiàn)水資源與泥沙資源聯(lián)合優(yōu)化配置的非耦合計算。二、黃河下游引黃灌區(qū)面臨的主要水沙問題黃河下游引黃灌區(qū)經(jīng)太多年的發(fā)展，在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的探尋求索實踐中，構(gòu)成了各具特色的調(diào)控形式。在外界條件變化的影響下，各灌區(qū)受客觀條件的制約，仍存在下面主要水沙問題：1.引水引沙不易調(diào)控黃河是受人類活動影響較大的河流。受黃河流域水量調(diào)度的約束，下游引黃灌區(qū)引水灌溉，無論在引水量還是在引水機會上，均不能完全根據(jù)灌區(qū)的運行方式來調(diào)控。例如，受黃河來水量和引水期的制約，近年大流量引水的概率明顯減小，集中水流輸送泥沙的高水位、大流量、速灌速停的運行方式難以做到。除此之外，為了不加重黃河下游河道的淤積，灌區(qū)最初確立的引取表層水流以減少引沙量的引水防沙理念不再提倡；加之，黃河徑流量減少，可引用水資源量也相應(yīng)縮減，甚至出現(xiàn)灌區(qū)需水期無水可引的局面，為保證灌區(qū)用水，有時不得不引取汛期含沙量較高水流。2.地理條件制約水沙輸移對于入渠水沙的調(diào)控，應(yīng)當以提高渠道輸水效率、避免淤沙阻水為目的。當前行之有效的方式還是實現(xiàn)灌區(qū)泥沙的遠距離輸送。灌區(qū)渠道縱比降平緩是影響泥沙遠距離輸送效果的主要因素。然而，廣大的黃河下游灌區(qū)位處黃河沖積平原，地勢平緩，河南、山東兩省境內(nèi)沿黃灌區(qū)地面比降分別在1/4000~1/5000和1/6000~1/10000之間，灌區(qū)調(diào)整加大渠道比降的潛力非常有限。3.泥沙淤積固然近年灌區(qū)引入泥沙量有所減少，泥沙堆積問題有所緩解，但灌區(qū)長時間以來的淤積和堆沙問題仍會持續(xù)存在。除此之外，不難預(yù)測，隨著小浪底水庫攔沙庫容的淤滿，黃河下游干流含沙量將隨之增加，灌區(qū)引水含沙量也會隨之加大，灌區(qū)將重新面臨挑戰(zhàn)。從引黃灌溉發(fā)展歷史看，灌區(qū)泥沙問題仍然不容忽視。灌區(qū)水沙資源優(yōu)化配置是解決黃河下游引黃灌區(qū)上述主要水沙問題的根本途徑。三、灌區(qū)水沙資源優(yōu)化配置目的和方式方法施行灌區(qū)水沙資源配置的目的是協(xié)調(diào)配置灌區(qū)的水資源與泥沙資源，既知足灌區(qū)對水資源和泥沙資源的實際需求，又接近灌區(qū)在經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境等方面的發(fā)展目的。灌區(qū)水沙資源配置經(jīng)過中，要求將水資源與泥沙資源作為平等的資源進行優(yōu)化配置，水資源與泥沙資源的關(guān)聯(lián)性能夠通過水流泥沙運動規(guī)律建立聯(lián)絡(luò)，在配置這兩種平等資源的經(jīng)過中，具體表現(xiàn)出互相的動力制衡和約束，這也是灌區(qū)水沙資源優(yōu)化配置得以實現(xiàn)的基本原理。實現(xiàn)不同資源在空間或時間上的最優(yōu)分配，從多目的規(guī)劃的角度上講，能夠?qū)⒏髻Y源根據(jù)其在配置單元的重要程度，進行分級加權(quán)與逐級優(yōu)化，最終實現(xiàn)不同資源在不同配置單元的最優(yōu)狀態(tài)。因而，對灌區(qū)水沙資源優(yōu)化配置的模擬，有效的方式方法是采用多目的規(guī)劃方式方法。多目的規(guī)劃的目的函數(shù)是通過目的約束的正、負偏差變量和賦予相應(yīng)的優(yōu)先等級來構(gòu)造的。正是利用多目的規(guī)劃方式方法引入的正、負偏差變量，避開了兩種以上不同類型配置變量單位不協(xié)調(diào)、數(shù)值比例不協(xié)調(diào)的困難；通過建立只與正、負偏差變量相關(guān)的目的函數(shù)，將不同類型的相關(guān)配置變量共同配置；配置經(jīng)過中，既受決策目的的約束，也受配置變量的互相制約。多目的規(guī)劃方式方法的主要特征是，合理地把定性與定量的決策結(jié)合起來，根據(jù)思維的規(guī)律將決策經(jīng)過層次化、數(shù)量化，知足灌區(qū)將水、沙兩種不同類型但互相關(guān)聯(lián)制約的資源〔配置變量〕互相耦合、共同優(yōu)化配置的要求。四、結(jié)論①黃河下游引黃灌區(qū)發(fā)展在不同時期均面臨不同的泥沙淤積問題，并采取了不同的解決措施，主要有4個歷史時期，分別是灌區(qū)始建探尋求索與渠首引水防沙、集中淤沉泥沙處理階段，灌區(qū)蓬勃發(fā)展與泥沙治理利用階段，灌區(qū)節(jié)水改造與泥沙遠距離輸送階段，灌區(qū)泥沙資源化與水沙配置階段。②當前黃河下游引黃灌區(qū)仍然面臨較為嚴峻的水沙問題，主要具體表現(xiàn)出在引水引沙不易調(diào)控、地理條件制約水沙輸移和灌區(qū)泥沙淤積等方面。③灌區(qū)水沙資源優(yōu)化配置是應(yīng)對和解決灌區(qū)主要水沙問題的主要途徑。配置目的是共同協(xié)調(diào)配置灌區(qū)的水資源與泥沙資源；可利用多目的規(guī)劃方式方法解決水、沙不同性質(zhì)資源共同配置的問題。以下為參考文獻:[1]黃河水利委員會,勘測