黄河下游引黄灌区的水文问题及解决途径,水利工程论文

黄河下游引黄灌区的水文问题及解决途径,水利工程论文黄河引水历史悠久，上游的宁蒙地区引黄灌溉历史可追溯到秦汉，但直至20世纪，黄河下游引黄灌溉的记载鲜有出现。20世纪50年代以来，黄河下游引黄灌溉事业经历了弯曲复杂发展的历程。当前，黄河下游大型引黄灌区有95处，是我们国家最大的连片自流灌区，牵涉豫、鲁两省18个地〔市〕87个县区,覆盖总土地面积500.2万hm2,设计灌溉面积343万hm2,有效灌溉面积223.4万hm2,受益人口5271万人。治理黄河的主要问题在于治沙，引黄灌溉的发展也从未忽略黄河的泥沙问题。黄河下游在两岸大堤建闸，自流无坝引水向两侧平原输送。由于受黄河携带泥沙含量高和下游平原地区地势平缓的影响，引黄灌区渠系普遍存在严重的泥沙淤积问题。一、黄河下游引黄灌区发展与泥沙治理1.灌区建设与泥沙处理阶段新中国成立后，黄河下游引黄灌溉从试办中小型灌溉工程开场逐步发展起来。1953年8月人民胜利渠灌区作为试点，借助引黄入卫工程遗址张菜园闸全部修建完成，是黄河下游第一个兴黄河水沙资源之利的灌区。1955-1957年，河南省的花园口和黑岗口两个引黄工程先后兴建，山东省建设虹吸工程24个,期间兴建打渔张引黄闸。在引黄灌溉初期，由于工程建设严格按设计要求，获得了较好的灌溉效果和改碱效果。其后，黄河下游在1957-1961年间共兴建引黄闸22座,设计引水能力高达3361m3/s,设计灌溉面积到达536.53万hm2.由于灌区实行大引、大蓄、大灌的运行方式，加之灌溉工程不配套、管理粗放，只灌不排致使灌区地下水水位上升，土壤次生盐碱化和内涝灾祸加重，黄河下游引黄灌区全面停灌〔仅保存人民胜利渠1.33万hm2引黄灌溉面积作为试验〕。1965年黄河下游发生严重干旱，山东打渔张灌区首先恢复了灌溉。在全面总结经历体验的基础上，研究了适宜的灌溉制度、灌溉技术、泥沙处理方式方法和技术、防治盐碱技术等，黄河下游引黄灌区走上健康发展的道路。黄河河床高于两岸，历史上沿黄两岸有大量低洼盐碱荒地，可用于自流沉沙，同时改进为高产农田。在引黄灌溉初期，对于引黄泥沙问题的解决途径主要是集中在两个方面：一是渠首引水防沙，减少引沙量；二是入渠泥沙的集中淤沉处理，主要采用沉沙池沉沙的方式。2.灌区发展与泥沙治理利用阶段20世纪70、80年代，随着引黄灌溉事业的蓬勃发展，下游地区引水量的需求不断增加，至1980年,已实现有效灌溉面积60.93万hm2的规模。在这里期间，大多数引黄灌区存在用水定额偏高问题，仍以自流漫灌为主要灌溉形式，水资源浪费严重，灌区发展不平衡，上下游用水矛盾日益激化，加之引沙量的累积增加也特别迅速，泥沙处理难度较大。由于灌区泥沙淤积特别严重，而且分布不均，68.5%的泥沙淤积在渠首和渠系,给灌区带来严重问题。尤为严重的是，黄河下游引黄灌区沉沙洼地已基本用尽，多数灌区采取以挖待沉的运作方式，清淤泥沙大量堆积在渠首地区，带来占压耕地、土地沙化、风沙灾祸等不利影响，甚至构成泥沙灾祸。因而，灌区开展泥沙治理势在必行。除此之外，对于引水条件便利的灌区，过度引黄使灌区过度排水，导致平原排水河道淤积，防洪与排涝能力降低，甚至出现次生盐碱化等问题。泥沙作为土壤流失的产物，具有一定的养分，而且可用于填充坑塘洼地和作为建筑材料原料。针对渠首清淤泥沙带来的众多问题，堆沙治理与利用措施和技术在这个阶段大量涌现并得以发展。泥沙处理利用的方式主要包括淤改、稻改、淤临淤背、建材加工、农业和生活用土等。据统计，到1990年年底，黄河下游地区共放淤改进土地23.2万hm2.放淤、稻改和淤背固堤给黄河沿岸带来了宏大的经济、社会和环境效益。3.灌区节水与泥沙输送阶段随着引黄灌溉的发展，泥沙淤积问题持续存在。除此之外，由于水资源的紧缺，灌区时常面临需水期引水条件差、非需水期引水条件好的问题，采取引黄蓄水、利用汛期含沙量较高浑水等措施，将使泥沙输移和安置问题更为突出。灌区泥沙集中处理和渠首堆沙的利用措施，只是缓解渠首泥沙问题，不能从根本上解决灌区水资源浪费、泥沙淤积多、水沙分布不均等问题。因而，应将泥沙集中淤积在渠首沉沙池及输水干渠渠道沿线的点线式泥沙处理方式,转换为分散淤积到支渠下面或田间的面式处理方式，尽量减少渠首集中沉沙、淤沙，不使渠首地区因清淤造成累计性堆沙灾祸。随着对灌区渠道水流输沙规律认识的不断深切进入，提高渠道输沙能力的技术也获得进步，人们逐步认识到，解决灌区泥沙问题的根本源头在于实现灌区泥沙的远距离输送。围绕20世纪90年代开展的节水灌溉和大型灌区配套改建措施，将泥沙处理利用和节水灌溉规划严密结合，是实现泥沙远距离输送的重点途径。泥沙远距离输送的详细技术包括优化断面形态、加大渠道的纵比降、水沙优化调度措施等。4.灌区泥沙资源化与水沙配置阶段进入21世纪以来,黄河下游干流径流量和输沙量明显减少。一方面，可引水量的减少使得下游灌区水资源紧缺的形势越发严峻；另一方面，下游引黄灌区引水含沙量也明显减少，入渠泥沙堆积问题有所缓解。尽管如此，随着小浪底水库拦沙库容的淤满，黄河下游灌区引水含沙量也会随之加大，灌区泥沙问题仍然不容忽视。在实现灌区可持续发展的要求下，为解决水资源紧缺问题，灌区水资源的优化配置需要进一步细化和精到准确，以建立节水型灌区为主要目的；为解决泥沙问题，则需要对泥沙进行全面、统筹的考虑和安置，泥沙作为资源在整个灌区的配置愈发重要，即有意识地合理配置泥沙，减少泥沙灾祸，建设生态型灌区。由于水流与泥沙的不可分割性，灌区在配置水资源的同时也是对泥沙资源的配置。但是，在当下灌区以用水为主要需求的前提下，水量调度并不以合理配置泥沙资源为转移，因而，灌区水沙资源联合配置的需求也愈加紧迫。灌区水沙资源优化配置是实现泥沙资源化的关键技术，也是建设节水型生态型灌区和可持续发展灌区的基础，更具有科学意义。我们国家对水沙资源优化配置的研究主要具体表现出在建立了水沙资源优化配置的理论，总结水沙优化配置关键技术等方面。在水资源与泥沙资源联合优化配置模型研究方面也做了进一步的探寻求索，我们国家建立适用于多沙河流的水沙资源优化配置数学模拟技术走在世界前沿。水沙联合优化配置数学模型比拟有代表性的是将水沙动力学模型与泥沙资源优化配置模型进行整合，以水沙动力学模型的计算结果作为泥沙优化配置模型的约束条件，进而实现水资源与泥沙资源联合优化配置的非耦合计算。二、黄河下游引黄灌区面临的主要水沙问题黄河下游引黄灌区经太多年的发展，在发现问题、解决问题的探寻求索实践中，构成了各具特色的调控形式。在外界条件变化的影响下，各灌区受客观条件的制约，仍存在下面主要水沙问题：1.引水引沙不易调控黄河是受人类活动影响较大的河流。受黄河流域水量调度的约束，下游引黄灌区引水灌溉，无论在引水量还是在引水机会上，均不能完全根据灌区的运行方式来调控。例如，受黄河来水量和引水期的制约，近年大流量引水的概率明显减小，集中水流输送泥沙的高水位、大流量、速灌速停的运行方式难以做到。除此之外，为了不加重黄河下游河道的淤积，灌区最初确立的引取表层水流以减少引沙量的引水防沙理念不再提倡；加之，黄河径流量减少，可引用水资源量也相应缩减，甚至出现灌区需水期无水可引的局面，为保证灌区用水，有时不得不引取汛期含沙量较高水流。2.地理条件制约水沙输移对于入渠水沙的调控，应当以提高渠道输水效率、避免淤沙阻水为目的。当前行之有效的方式还是实现灌区泥沙的远距离输送。灌区渠道纵比降平缓是影响泥沙远距离输送效果的主要因素。然而，广大的黄河下游灌区位处黄河冲积平原，地势平缓，河南、山东两省境内沿黄灌区地面比降分别在1/4000~1/5000和1/6000~1/10000之间，灌区调整加大渠道比降的潜力非常有限。3.泥沙淤积固然近年灌区引入泥沙量有所减少，泥沙堆积问题有所缓解，但灌区长时间以来的淤积和堆沙问题仍会持续存在。除此之外，不难预测，随着小浪底水库拦沙库容的淤满，黄河下游干流含沙量将随之增加，灌区引水含沙量也会随之加大，灌区将重新面临挑战。从引黄灌溉发展历史看，灌区泥沙问题仍然不容忽视。灌区水沙资源优化配置是解决黄河下游引黄灌区上述主要水沙问题的根本途径。三、灌区水沙资源优化配置目的和方式方法施行灌区水沙资源配置的目的是协调配置灌区的水资源与泥沙资源，既知足灌区对水资源和泥沙资源的实际需求，又接近灌区在经济社会和生态环境等方面的发展目的。灌区水沙资源配置经过中，要求将水资源与泥沙资源作为平等的资源进行优化配置，水资源与泥沙资源的关联性能够通过水流泥沙运动规律建立联络，在配置这两种平等资源的经过中，具体表现出互相的动力制衡和约束，这也是灌区水沙资源优化配置得以实现的基本原理。实现不同资源在空间或时间上的最优分配，从多目的规划的角度上讲，能够将各资源根据其在配置单元的重要程度，进行分级加权与逐级优化，最终实现不同资源在不同配置单元的最优状态。因而，对灌区水沙资源优化配置的模拟，有效的方式方法是采用多目的规划方式方法。多目的规划的目的函数是通过目的约束的正、负偏差变量和赋予相应的优先等级来构造的。正是利用多目的规划方式方法引入的正、负偏差变量，避开了两种以上不同类型配置变量单位不协调、数值比例不协调的困难；通过建立只与正、负偏差变量相关的目的函数，将不同类型的相关配置变量共同配置；配置经过中，既受决策目的的约束，也受配置变量的互相制约。多目的规划方式方法的主要特征是，合理地把定性与定量的决策结合起来，根据思维的规律将决策经过层次化、数量化，知足灌区将水、沙两种不同类型但互相关联制约的资源〔配置变量〕互相耦合、共同优化配置的要求。四、结论①黄河下游引黄灌区发展在不同时期均面临不同的泥沙淤积问题，并采取了不同的解决措施，主要有4个历史时期，分别是灌区始建探寻求索与渠首引水防沙、集中淤沉泥沙处理阶段，灌区蓬勃发展与泥沙治理利用阶段，灌区节水改造与泥沙远距离输送阶段，灌区泥沙资源化与水沙配置阶段。②当前黄河下游引黄灌区仍然面临较为严峻的水沙问题，主要具体表现出在引水引沙不易调控、地理条件制约水沙输移和灌区泥沙淤积等方面。③灌区水沙资源优化配置是应对和解决灌区主要水沙问题的主要途径。配置目的是共同协调配置灌区的水资源与泥沙资源；可利用多目的规划方式方法解决水、沙不同性质资源共同配置的问题。以下为参考文献:[1]黄河水利委员会,勘测