引黄济青渠首引水工程运行管理探讨

王均乔 鲍 芳

(山东省调水工程运行维护中心滨州分中心，山东 滨州 256600)

引黄济青工程是山东省大型跨流域、远距离调水工程，从博兴县打渔张引黄闸引取黄河水,经输沙渠与沉沙条渠连接，使黄河水经过沉淀后以清水的形式进入输水河送至青岛市。胶东地区引黄调水工程于2013年实现全线主体贯通并具备通水条件以后，适逢烟台、威海两市遭遇极端连续干旱，水资源供需矛盾十分突出。为保障烟台、威海两市基本用水需求，从2014年起引黄调水工程还承担了向烟台、威海供水的任务。引黄济青工程自1989年11月建成通水，至今已安全运行30年，截至2019年底，共引黄河水59.62亿m3,为胶东地区及工程沿线经济社会的可持续发展提供了可靠的水源保证，取得了巨大的社会效益、经济效益和生态效益。但工程经过30年的运行，已严重老化，引水能否满足需要，是面临的一个重大课题，需要对渠首引水工程运行模式进行认真总结研究，并提出相应的对策。

1 渠首引水工程设计

1.1 输沙渠设计

引黄济青进水闸后设计分为高、低输沙渠。为了使输沙渠多沙时的淤积能够在少沙时冲去，基本维持渠道纵横断面冲淤平衡状态，必须设计一个合适的输沙渠纵坡，用下列四个方程连解求得：

a.水流动力方程：

v= 1/nR2/3J1/2

(1)

b.水流连续方程：

Q=Av

(2)

c.水流挟沙能力公式：

ρ=4.6v2/Rω2/3

(3)

d.断面形态关系式：

B=3.15Q0.6

(4)

式(3)、式(4)两式根据打渔张、人民胜利渠等引黄灌区实测资料综合求得，连解以上四式可得：

J=0.239n2ω0.73ρ1.1/Q0.1

(5)

式中J——冲淤平衡比降；

n——不同含沙量浑水糙率；

ω——考虑絮凝泥沙平均沉速,cm/s；

ρ——含沙量,kg/m3；

Q——流量,m3/s。

利用上述公式对12个引水月份冲淤平衡比降进行计算，推算的冲淤平衡比降一般在1/4500～1/7500，个别的在1/10000左右，据此选定输沙渠正常沉沙运用设计比降为1/6000。

1.2 沉沙池设计

引黄济青工程沉沙池采用条渠形沉沙池。条渠出口含沙量设计采用超饱和理论计算，经用打渔张、陈垓等灌区实测资料验证，具有精度高、参数选用简单等优点，计算与实测出口含沙量误差为±4.7%。设计总沉沙面积36km2，设9个条渠分期使用，每条使用4～5年，总共可用40年。第一期修建2号条渠，为避免迁村困难，且有利于今后新村建设，2号条渠进口段进行调整，改由第一条渠进水。第一期工程修建第二、第三两隔堤，长度分别为5930m与6530m,平均宽550m，沉沙面积3.2km2。[1]

2 渠首引水工程运行方案的演变过程

2.1 原设计工程运行方式

渠首引水工程设计方案包括输沙渠和沉沙池两部分。其中输沙渠分为高、低输沙渠，高、低输沙渠平行，三堤两渠。在工程使用初期利用低输沙渠，黄河水自流进入沉沙池，随着沉沙池不断淤高，自流引水能力逐步丧失，改用泵站扬水，通过泵站和高输沙渠把黄河水送于沉沙池。沉沙条渠淤满后盖淤还耕，置换下一个沉沙条渠，依次循环。

2.2 以挖待沉方案的提出

引黄济青工程1989年11月通水，至1993年6月，经过4个引水年度的运行，2号沉沙条渠沉积泥沙530万m3，上游段(张寨桥以上段)平均高程达11.0m(黄海高程)以上(平均淤高近3.0m)，中游段(张寨桥—刘王桥之间)高程在11.0～10.0m之间，引沙量已超额完成自流沉沙任务，同时自流引水年数也已超出设计值，自流沉沙功能几乎丧失[2]。原设计修建打渔张扬水泵站，由于资金不足等原因，泵站一直处于停建状态，扬水沉沙功能不能实现。为保证工程的正常运行，必须采取工程措施才能进一步挖掘沉沙池的沉沙潜力，提高沉沙池的使用年限。随着时间的推移，各种条件都在变化，人们的认识也不断扩展变化，在泥沙处理方式上产生了一种新的观点——以挖待沉方案，即将沉沙池内的泥沙清出，腾出库容沉积泥沙。1992年下半年和1993年初，山东省引黄济青工程管理局、滨州分局组织技术人员到省内其他大型引黄灌区进行考察学习，并对各种清淤方式进行社会调查，通过反复论证，决定采用多种清淤方式组合来探索以挖待沉方案的可行性。

2.3 以挖待沉方案的实施

2.3.1 沉沙池内贴式清淤

以挖待沉方案确定以后，对于采用何种清淤方式、机具，清淤场、弃淤场如何布置，作过多种方案比较。清淤部位首先是淤积严重、影响引水沉沙的上、中游段。经过对多家挖泥船和挖塘机施工队伍考察，反复论证比较，鉴于当时弃淤场地无法解决，不得已只能在沉沙池内沿隔堤两侧各宽100m范围内贴弃淤，在运距近、扬程低的情况下，采用挖塘机施工比较经济。

1993年5月，省局、滨州分局有关技术人员组成清淤工作组，负责制定清淤方案、选择施工队伍、进行施工管理。经现场勘测、规划，编制了《引黄济青工程沉沙池挖塘机清淤方案设计》，对施工任务、施工布置、施工队伍的确定、施工管理等诸方面都进行了详细规划。根据挖塘机清淤方案设计，1993年6月开始实施沉沙池内贴式清淤。通过议标的形式选定了两家施工队伍。共组织71台挖塘机，上工人数600余人。1993年完成内贴清淤128.7万m3,保证了1993年度的引水任务顺利完成。实践证明以挖待沉方案是成功的，是延长沉沙条渠自流沉沙年限的有效办法。在总结1993年施工经验的基础上，1994—1997年继续采用挖塘机清淤，1993—1997年共完成内贴清淤320万m3，确保了引黄济青工程历年调水任务的顺利完成。

2.3.2 沉沙池挖泥船外清方案实施

内贴式清淤开发了2号沉沙池的沉沙能力，确保了引黄济青工程的正常运行。但这一方式减小了沉沙面积71.85万m2,占沉沙池上、中游沉沙面积的1/3，不宜再继续扩大弃淤场地，否则沉沙能力就会降低。为了确保引黄济青工程的正常运行，在总结自身经验及借鉴其他引黄灌区成功经验的基础上，1996年又提出了“化整为零、临时占用、合理补偿、适时还耕”的新思路，即租用沉沙池附近一定面积的低洼盐碱地作为弃淤场，每年给予一定的经济补偿，三四年左右清淤完成后立即还耕，既改造了土地，又解决了排淤问题。根据这一思路进行了大量调查研究、现场勘察、分析计算工作之后，编写了《引黄济青工程沉沙池清淤规划》，对今后10年的泥沙处理提出了规划意见。清淤规划选择了7块条形弃淤场，这些场地在隔堤外侧，平行隔堤布置，垂直隔堤方向200m左右，面积为150万m2,基本可满足10年使用。

根据清淤规划，对沉沙池挖泥船外清方案进行细化，并做出第一期(前3年)清淤方案设计。1996年5月，经与当地政府协商，达成临时租地协议，租用土地435亩，分3块弃淤场，租期3年，清淤完成后立即还耕。通过投标选定3家施工队伍施工，每队分别组织两条80m3/h的挖泥船。经过3年的艰苦拼搏，1998年底完成清淤235万m3，3块弃淤场达到还耕要求，盖淤后及时还耕。实践证明，沉沙池挖泥船外清方案既满足了清淤的需要，又改造了土地，达到了双赢的目的。

2.3.3 以挖待沉方案的效果

从1999年至今，每年进行沉沙条渠清淤。由于受弃淤场、经费、施工条件、环境制约等因素影响，每年清淤数量较小。截至2019年底，沉沙条渠内贴清淤598万m3，外清585万m3，合计1183万m3。保证了引黄济青工程历年调水任务的顺利完成。

2.4 启用移动泵船抢引水

2.4.1 移动泵船建设的必要性

自2002年起，黄河进行多次调水冲沙，打渔张引黄闸前黄河河底冲刷较为严重，河底降低1m左右，引黄济青工程实测分流比平均为0.14，只达到原设计的56%，并呈递减趋势。尤其是2010—2011年度输水实测分流比小于0.1，仅达到原设计的24%，黄河有水却引不进来。为了提高渠首引水工程的输水能力，满足引黄济青工程设计引水量的要求，确保胶东地区城市的供水安全，2014年山东省胶东调水局(原山东省引黄济青工程管理局)多次组织有关工程技术人员到渠首工程所在地实地勘察，先后提出了多种解决方案，多方听取专家意见，最后决定建设浮体移动泵船工程，扩大引调水能力。

2.4.2 移动泵船施工与安装

根据工程现场情况，将泵船布置在原设计的打渔张泵站进水池内(该泵站因多种原因停建)，按照确保引水流量25m3/s的要求，结合泵船组合方式，安装了12台流量1.6m3/s、扬程3m的水泵；12台流量1.0m3/s、扬程5m的水泵，以满足引水需要。这两种泵均采用钢制井筒式安装，分两种组合，组合一是将两个流量1.0m3/s的泵安在一个浮体上，组合二是将一个流量1.6m3/s的泵安装在一个浮体上。泵船出水侧低渠原为混凝土预制板全断面护砌，考虑到不能抵抗泵船出水的冲击，决定对泵船出水段低渠进行必要防护。经多方案比较决定采用5mm厚钢板对渠道全断面进行防护，泵船出水侧渠坡钢板用18号槽钢连接、加固，渠底用18号槽钢连接、加固后再压上预制楼板压重。对原35kV临时变电站增容改造，拆除原临变站800kVA变压器，安装4000kVA变压器并对相应的保护、测量设备进行改造。泵船用电是从改造的临时变电站架设10kV高压线路至泵船附近的4台630kVA的箱式变压器上，再接线至泵船变电箱内。

2.4.3 泵船运行发挥的效益

移动泵船工程2014年8月8日开工建设，2014年10月10日竣工并一次性试车成功，泵船正式投入运行。截至2019年底，移动泵船引水总量21.89亿m3，有效地保障了胶东地区城市用水和部分农业灌溉用水。

3 引黄济青改扩建渠首引水工程建设

引黄济青改扩建工程旨在解决引黄济青工程设施老化、输水效率降低、输水能力不足等问题，2012年经山东省发改委批复可行性研究报告，2014年批复初步设计。根据改扩建工程设计，渠首引水工程建设内容为：重建渠首进水闸，新建打渔张泵站，并对高输沙渠进行全断面衬砌[3]。

由于黄河进行多次调水冲沙，打渔张引黄闸前黄河河底冲刷较为严重，河底降低1m多。原进水闸闸底板高程9.0m，必须重建进水闸、降低闸底板高程，才能满足引水要求。设计确定进水闸闸底板高程8.25m，设计流量41m3/s，校核流量45m3/s。新建打渔张泵站在停建泵站原址处，重新进行设计。设计流量36m3/s，校核流量39.6m3/s，设计净扬程3.02m。共安装5台轴流泵，其中1台备用，水泵按全调节设计，配套5台900kW同步电机，总装机容量4500kW。高输沙渠已完成土方填筑及桥梁等工程内容，尚未实施渠道混凝土板衬砌，此次改扩建采用全断面防渗混凝土板护砌，以减少渗漏，确保输水安全。至2019年底，渠首引黄济青改扩建工程打渔张泵站、进水闸和高输沙渠衬砌已基本完成，但由于泵站机组自动化调试工作尚未完成，泵站扬水还没有运行。

4 面临的困境

4.1 渠首引水工程现状

低输沙渠断面淤积严重，尤其是2014年10月移动泵船启用后扬水至低输沙渠，抬高了水位，受沉沙池进口淤积的顶托，渠底淤积严重，低输沙渠比降由原设计的1/6000基本变为平坡；经测量，渠道过水断面严重不足，仅为设计过水断面的50%。

引黄济青工程从1989年运行至2019年底，共引水59.62亿m3，引进泥沙1336万m3。泥沙淤积主要分布在沉沙池上、中游，约占总沉积量77.3%。从1993年开始进行沉沙池清淤，截至2019年底，沉沙池内贴清淤598万m3，外清585万m3。由于挖塘机内贴清淤泥沙堆放在隔堤两侧，泥沙仍然存放在沉沙池内，经计算，现沉沙池内约存有泥沙751万m3。挖塘机内贴清淤方式减少了沉沙面积94.52万m2，占沉沙池上、中游沉沙面积的45%。在设计水位时，中、上游过水面积仅为设计过水断面的10%，运行主要靠中间溜沟过水，现在沉沙面积主要在下游，淤积高程也达到10.0m。必须采取工程措施，否则沉沙面积继续减小，沉沙能力降低，会将泥沙带到输水渠道，影响下游河道的过水能力。

4.2 渠首引水量加大

现在青岛市的设计供水能力由原来的30万m3/d达到71万m3/d，最大达到130万m3/d[4]，另外还要承担向烟台、威海的供水任务，再加上博兴县工农业用水，这就需要在渠首年引水量超过7亿m3。

5 渠首引水运行模式探讨

针对需水量加大、渠首沉沙工程严重老化这对矛盾，需要对渠首引水运行模式进行认真探讨。

5.1 延长调水时间

引黄济青设计引水时间为冬季11月下旬至翌年3月中旬。扣除冰冻期影响，保证率95%情况下有效引水天数为70天。为充分挖掘工程调水潜力，针对需水量远大于工程设计规模的实际情况，可以采取延长调水时间的办法加大调水量，工程调水时间从最初设计的不足三个月，逐渐延长至全年运行。

5.2 新沉沙池建设

应尽快进行新沉沙池建设，新建一条沉沙池，加上泵站扬水沉沙，可以解决比较长久的泥沙沉积问题。在新、旧沉沙池运用上科学调度，充分利用旧沉沙池下游的沉沙功能。在新沉沙池内配置几只挖泥船，将沉积的泥沙输送到旧沉沙池内，淤改后及时还耕。这样可以比较长久地解决引黄济青工程的泥沙处理问题。

5.3 加大清淤力度

虽然打渔张泵站已建成，可以实现扬水沉沙功能，但也只能再用3～5年，现用的2号沉沙条渠已运行30年，淤积严重，再新建一条沉沙条渠暂时不可能实现，针对以上情况，近期必须采取各种措施才能保证工程的正常运行。

5.3.1 加大沉沙池清淤力度

针对渠首引水工程的现状，目前措施必须是加大清淤力度，把沉沙池的泥沙彻底清除，恢复到建设初期的状态。由于调水工程需要全年运行，挖塘机清淤无法实现，必须采用挖泥船外排清淤。可以在沉沙条渠上游、中游、下游分别安排一只挖泥船，利用3～5年时间清完沉沙条渠内751万m3的泥沙。之后，根据引水沉积泥沙量安排挖泥船进行清淤，做到来多少清多少，使沉沙工程尽可能增大引水能力，这样可以比较长久地解决胶东调水工程的泥沙处理问题。

5.3.2 低输沙渠改造

由于新建进水闸闸底板降低，根据降低后的设计水位将低输沙渠重新进行开挖，将渠道挖的够深够宽，形成大比降引水，只要黄河有水就能引进来，待沉沙条渠清到初始状态时可以采用自流引水。

6 结 语

通过以上分析，引黄济青工程在修建打渔张扬水泵站的基础上，必须加大力度，将沉沙条渠现有沉积的泥沙清出去，这样可以利用泵站抢引水，只要黄河有水就可以引进来，从而很好地解决黄河河底降低引起的引水能力不足和沉沙系统老化问题，并长效解决调水引水困难的问题。