中图分类号: TV146 文献标识码: A doi: 10． 3969 /j． issn． 1000-1379．2011．03．025
黄河下游两岸农业发达，引黄灌溉与泥沙利用发展迅速，两岸修建了96 座引水工程。在引黄灌区内，目前仍然采用集中处理泥沙的方式，68． 5%的泥沙集中淤积在沉沙条渠和骨干渠道内［1］。以挖待沉或渠道清淤仍然是解决灌区泥沙淤积的方式，这使得渠首附近堆积了大量泥沙，不仅占压了大量耕地，而且造成土地沙化、生态环境恶化等，直接影响灌区的可持续发展［2］。针对黄河下游引黄灌区的实际情况，文献［3-4］就引黄灌区泥沙优化配置与远距离分散配置模式进行了研究。笔者就位山灌区泥沙优化配置方案进行了分析和评价。
位山灌区位于山东省西部冀、鲁、豫三省交界处的聊城市，是黄河下游最大的引黄灌区之一，设计引水能力为240 m3 /s，灌溉面积为36 万hm2，工程布局采用骨干工程灌排分设，田间工程灌排合一。灌区有东、西两条输沙渠，其中: 东输沙渠设计流量为80 m3 /s，渠长14．5 km，进入东沉沙池，担负着一干渠供水沉沙的任务; 西输沙渠设计流量为160 m3 /s，渠长15．0 km，进入西沉沙池，担负着二、三干渠及引黄入卫和引黄济津的供水沉沙任务［5］。
1 位山灌区水沙资源优化配置
1． 1 灌区引水引沙情况
图1 为1970—2004 年位山灌区引水量和引沙量变化过程。灌区自1970 年复灌至2004 年共引水414 亿m3，引沙量为32 794 万m3，多年平均年引水量为11． 8 亿m3、年引沙量为937万m3。其中: 引黄济卫(津) 总引水量约为60 亿m3，总引沙量3 644 万m3 ; 灌溉引水总量354 亿m3，总引沙量29 150 万m3，多年平均年引水量10．11 亿m3、年引沙量832．86 万m3。1970年复灌以来，随着灌溉面积的不断增大，灌区引水引沙量逐年增加趋势明显，尤其自20 世纪80 年代末以来，引水量、引沙量都大幅度增大，2000 年后引沙量有所减少。位山灌区引黄悬移质泥沙粒径与黄河孙口站多年平均悬移质泥沙粒径相比普遍偏小，约为孙口站平均粒径的1 /2，粒径小于0．01 mm 的泥沙约为45%，小于0． 15 mm 的泥沙占100%。
图1 1970—2004 年位山灌区引水引沙过程
1． 2 灌区水资源配置
位山灌区水资源配置要遵循节水灌溉、引黄水资源与地下水资源联合调度、总量控制和按定额逐级分配等原则。通过建立地下水资源和引黄水资源联合调度数学模型，拟订灌区合理的引黄水量和地下水资源配置方案，使灌区净效益达到最大［6］。
1． 2． 1 目标函数
引黄灌区水资源优化配置的目标函数就是使灌溉效益最大化:
max F(w) = C0-C1 － C2 － C3 (1)
式中: F(w) 为灌区效益函数; w为配水量; C0 为灌区毛效益; C1为灌区泥沙处理费用; C2 为地下水提水动力费; C3 为灌溉增加的费用。各项费用的计算方法参考文献［6］。
1． 2． 2 约束条件
灌区水资源的联合调度，必须建立在区域降水特点、黄河水情、地下水的区域分布特点及作物需水规律等基础上。
(1) 引黄水量约束。灌区引水量受黄河来水来沙条件、引水状况和黄河行政管理部门调配等限制，主要取决于黄河来水季节、历年引黄水量与灌区分配水量。
(2) 可提取的地下水量约束。地下水提取量不得超过可开采量。根据各地不同的水源和水文地质条件，将位山灌区地下水分成Ⅰ区(马颊河至徒骇河之间，地下水位埋深为2 ～ 4 m，水量较丰富，可发展井渠结合灌区) 、Ⅱ区(徒骇河东部地区，地下水埋深为2．0 m 左右，部分地区小于2．0 m，引黄补源条件好，地下水开发潜力大) 、Ⅲ区(马颊河以西地区，地下水过多开采，地下水埋深一般大于7 m，应以引黄为主) 。
(3) 灌区需水量约束。主要由灌区作物种类、面积、灌水定额及灌区降水等条件确定。
1． 2． 3 水资源配置结果
目前，很难对上述目标函数和约束条件直接求解。周宋军［6］利用单纯形法和Excel 规划求解工具，得出位山灌区水资源配置结果，见表1。从表1 可以看出，位山灌区灌溉仍然以引黄为主，地下水补充为辅。引黄灌溉用水约为10．11 亿m3，占总灌溉用水量的68． 7%; 地下提水灌溉用水量约为4． 6 亿m3，占总灌溉用水量的31． 3%。
表1 位山灌区水资源配置亿m3
另外，在引黄灌溉用水过程中，实际上也存在用水配置问题，其配置原则主要是“总量控制、按灌溉面积和灌溉定额逐级分配”，即以灌溉定额为依据，严格灌溉制度，在全灌区公民公平享有水资源的原则下，按照沿程灌溉面积确定灌溉用水量，将水量进行逐级分配。为简化起见，根据位山灌区续建配套与节水改造规划［7］，2015 年灌区不考虑引水回灌、沿渠水量渗漏、跑水等损失，可求得各渠段所分配比例，见表2［8］。
表2 位山灌区各渠段水量分配规划
1． 3 位山灌区泥沙资源优化配置
1． 3． 1 灌区泥沙资源优化配置目标函数
典型灌区泥沙资源优化配置的综合目标函数为
maxF(X) =0．112 7X1 + 0．184 2X2 + 0．294 1X3 +0．480 1X4 + 0．147 7X5 (2)
式中: X1、X2、X3、X4 和X5 分别为沉沙池滞沙量、干渠滞沙量、支斗农渠淤积量、田间滞沙量和排水系统退沙量占总引沙量的比例。
1． 3． 2 约束条件
(1) 沉沙能力约束。对于地形条件不利的引黄灌区，仍需沉沙池拦截较粗的有害泥沙。图2 为位山灌区历年引沙级配与沉沙池床沙级配情况，根据5%定值法划分床沙质与冲泻质，初步确定床沙质与冲泻质的临界粒径为0． 043 mm，结合文献［3］，确定位山灌区有害泥沙的临界粒径为0． 05 mm，即大于0． 05 mm 的粗颗粒泥沙需要处理，这部分有害泥沙占全部引沙量的23%左右。为实现灌区泥沙的优化配置和泥沙远距离输送，典型灌区沉沙池适宜的沉沙比例为X1 = 23%。
图2 位山灌区引沙级配与沉沙池床沙级配
(2) 干渠滞沙能力约束。利用沉沙池处理灌区有害泥沙后，通过实施一些工程措施和非工程措施，可基本实现干渠远距离分散配置泥沙的目标。山东省簸箕李灌区和位山灌区多年的实际运行情况表明，在渠首修建沉沙条渠，处理有害的粗颗粒泥沙，然后通过改造干渠断面形态、渠道衬砌等工程措施，开展调水调沙、节水减沙等非工程措施，提高渠道输沙能力，可基本实现灌区干渠冲淤平衡。干渠滞沙能力约束条件为X2 =0。
(3) 支级(分干渠) 以下渠道滞沙能力约束。在引黄灌区内，应保持骨干渠道冲淤基本平衡，允许支级及以下渠道有少量淤积。位山灌区1970—2002 年泥沙淤积分布资料显示［9］，支渠以下渠道淤积沙量占全部引沙量比例最大值为44%，最小值为5． 67%。支渠级以下渠系滞沙约束条件为5． 67%≤X3≤44%。
实际上，分干渠及支渠淤积泥沙比例是递增的，由20 世纪70 年代的14． 8%增至90 年代的18． 4%，2000 年后增至24． 4%，原因是随着干渠输沙能力的提高，更多泥沙输向下游，同时大大增加了进入支渠的沙量。
(4) 退水退沙量约束。引黄管理规定［10］，引黄灌区引黄退水量不得超过引水量的10%，退水入河含沙量不得大于2 kg /m3。位山灌区1970—2004 年年平均引水含沙量资料显示，年引水含沙量变化范围为4． 53 ～ 21． 4 kg /m3。进而可求得位山灌区允许退沙比例范围为1． 87%≤X5≤4． 51%。
(5) 输沙入田能力约束。文献［3］提出了引黄灌区泥沙远距离分散配置模式，指出通过处理引黄粗颗粒泥沙，加大渠系输沙能力，合理配置泥沙，把更多的泥沙输沙入田，希望支渠以下配置泥沙量多于沉沙池、干渠和退入排水河道的泥沙量，即。
(6) 灌区引沙总量约束。灌区引水量和引水含沙量一旦确定，灌区引沙量基本确定，灌区各配置单元的沙量总和是守恒的，即X1 + X2 + X3 + X4 + X5 = 100%。
1． 3． 3 泥沙配置结果
利用单纯形法和Excel 规划求解工具求解，得到位山灌区泥沙配置结果［6］: 沉沙池、干渠和输沙渠、支斗农渠、田间和排水河道的泥沙配置比例分别为23%、0、5．6%、69．53% 和1．87%，进入田间的比例最高。
2 位山灌区泥沙配置现状及其评价
2． 1 位山灌区水沙资源配置现状
表3、表4 和图3 分别为位山灌区水沙资源分布状况及泥沙分布变化过程。可以看出:
(1) 位山灌区受灌溉条件和输水条件的限制，上下游灌溉用水量是不一样的。输沙渠(东输沙渠和西输沙渠) 区域灌溉用水量占灌区引水量的18．74%，一干渠、二干渠和三干渠灌溉用水比例分别为13． 13%、19． 18%和48． 95%。
(2) 20 世纪70 年代后，位山灌区输沙渠淤积的泥沙占总引沙量的14．4% ～ 21．5%，沉沙池淤积泥沙占25% ～ 31．7%，干渠淤积泥沙占19．6% ～ 28． 5%，支斗农渠泥沙淤积占15% ～18． 4%，进入田间的泥沙占2．2% ～ 11．4%。显然，渠首区域(含输沙渠和沉沙池) 泥沙淤积最为严重，其淤积量占引沙量的37． 6% ～ 53． 2%，渠首泥沙处理负担沉重。
表3 位山灌区各水量分布单元占总引水量的比例%
表4 位山灌区各泥沙分布单元占总引沙量的比例%
注: * 为输沙渠和沉沙池引沙量比例; ＊＊为干渠和支渠以下引沙量比例; ＊＊＊为田间和排水河道引沙量比例; ＊＊＊＊为支渠以下、田间和排水河道引沙量比例。
图3 位山灌区不同年代泥沙分布
(3) 无论是输沙渠还是沉沙池，泥沙淤积比例都随时间逐渐减小。输沙渠和沉沙池的淤积比例分别从20 世纪70 年代的29． 57%和39． 03%减至90 年代的22． 76%和27． 13%，2000年后分别为16． 98%和26． 37%; 3 条干渠的淤积比例无明显趋势变化，从70 年代的13． 83%增至80 年代的24． 06%，90 年代减至19． 95%，2000 年后为17． 15%; 分干渠与支渠和进入田间的泥沙比例都是逐渐增加的，由70 年代的14． 81%和1． 66%分别增至90 年代的18． 39%和9． 82%，2000 年后泥沙淤积比例分别为24． 41% 和12． 43%; 而排水河道淤积比例总体稳定在1% ～ 2%。
(4) 采取远距离输沙技术及运行管理措施，位山灌区泥沙分布实现了由上游向下游输移的趋势，支级以下渠道及田间泥沙淤积比例逐渐上升，表明位山灌区的泥沙处理已经由渠首集中处理的方式逐步向远距离分散配置泥沙的模式过渡。2． 2 对位山灌区水沙资源配置现状的评价
2． 2． 1 灌区泥沙分布特征
泥沙输送系数定义为进入支渠及其以下的泥沙量与灌区引沙总量的比值，而泥沙分散系数定义为分散处理泥沙量与集中处理泥沙量的比值。根据灌区泥沙分布评价参数的定义，可以计算位山灌区不同时期的泥沙分散系数与泥沙输送系数，见表5。由表5 可以看出:
(1) 位山灌区多年平均泥沙输送系数为0．272，总体上为短距离泥沙输送，泥沙主要淤积在灌区渠首附近的输沙渠和沉沙池内。但位山灌区泥沙输送系数随时间逐渐增大，从20 世纪70 年代的0．176 增至80 年代的0．237，90 年代增至0．302，2000 年后达0．395，表明位山灌区泥沙输送从近距离逐渐向短距离过渡，更多的泥沙进入田间。
(2) 位山灌区多年平均泥沙分散系数为0． 341，总体属于强集中的分布形式，泥沙集中淤积在输沙渠和沉沙池内。位山灌区泥沙分散系数随时间逐渐增大，由20 世纪70 年代的0． 197增至80 年代的0． 288，90 年代增至0． 393，2000 年后达到0． 583，表明位山灌区泥沙分布由70 年代至90 年代的强集中泥沙淤积逐渐过渡到2000 年后的弱集中泥沙分布。
表5 位山灌区泥沙分布定量指标
2． 2． 2 灌区水沙配置合理性评价
(1) 位山灌区渠首地区(输沙渠、沉沙池、总干渠) 实际灌溉用水比例为18．74%，高于规划用水比例13． 0%; 一干渠和二干渠实际灌溉用水比例分别为13． 13% 和19． 18%，低于相应的规划用水比例(分别为18． 2%和23．6%) ; 三干渠实际灌溉用水比例为48． 95%，高于规划用水比例45． 2%，系实际灌溉用水量包括部分跨流域调水水量所致。显然，对位山灌区水资源进行配置的重点在于增强输沙渠西沉沙池的输水能力，减小渠首地区用水量，使更多的引水量输送到下游干渠及支渠系统。
(2) 位山灌区沉沙池实际淤积比例为25% ～ 31．7%，高于沉沙池泥沙优化配置比例23%; 输沙渠和干渠实际淤积比例为37% ～ 42． 9%，远未达到冲淤平衡的要求; 支斗农渠实际淤积比例为15% ～ 18．4%，远高于优化配置泥沙比例5． 6%; 实际进入田间的泥沙比例仅为2． 2% ～ 11． 4%，远小于优化配置要求比例69． 53%; 实际进入排水河道的泥沙比例为1．5% ～2．2%，和优化配置比例1． 87%比较接近。显然，位山灌区要实现大比例泥沙进入田间，关键是减少渠道泥沙淤积，提高渠道输沙能力将是灌区解决泥沙问题的关键。
2． 2． 3 灌区存在的问题
位山灌区水沙资源配置现状评价结果表明，位山灌区水沙资源配置不尽合理，主要表现为灌区渠首地区实际灌溉用水较多，灌区输沙渠、沉沙区、干渠和排水河道泥沙淤积严重。目前，渠道清淤仍然是解决位山灌区渠道泥沙淤积的有效措施。长期大量的渠道清淤使渠首附近堆积了大量的泥沙，不仅占压了大量的耕地，而且清淤泥沙造成渠首附近土地沙化、生态环境恶化等问题，直接影响灌区的可持续发展。排水河道严重淤积大大降低了河道防洪标准和排涝能力，增大了灌区雨涝灾害发生的几率。
3 位山灌区泥沙灾害治理思路
解决位山灌区水沙配置不合理的关键是提高渠道的输水输沙能力，实现灌区远距离分散配置泥沙，即利用沉沙池处理掉部分“有害”的粗颗粒泥沙，利用工程和非工程措施将更多的泥沙远距离输送到干渠以下各级渠道和田间，使泥沙形成的灾害最小。在簸箕李灌区，为了使更多的泥沙输送到下游或田间，灌区利用沉沙条渠沉积较粗的泥沙后，下游总干渠、二干渠已基本达到冲淤平衡，大部分泥沙进入支斗农渠和田间，大大缓解了处理泥沙的负担。
(1) 实施节水灌溉和水沙调控技术，减少灌区引沙量。灌区引沙多少取决于引水量和引水含沙量，灌区减沙主要从减少引水量和控制引水含沙量两方面进行。前者主要是通过大力推行节水灌溉技术达到减少引水量的目标，后者主要是通过拦沙措施和避开沙峰引水等来实现。位山灌区自1998 年实施节水灌溉制度及渠道衬砌等节水改造措施以来，灌溉水利用系数由原来的0． 44 增大到0． 5 以上，灌区本身消耗的水量有所控制，年灌溉引水量减少，年引沙量减少20%以上。
(2) 利用沉沙池处理灌区有害泥沙，延长沉沙池寿命。位山灌区渠首沉沙和堆沙的空间已经很少，减少泥沙淤积和清淤十分必要。在引黄灌区现有的条件下，既不可能把所有的引黄泥沙都输送到支斗农渠及田间，也不需要处理(沉沙) 所有的引黄泥沙，而是把大约23% 的有害粗颗粒泥沙(粒径大于0． 05mm 的泥沙) 进行处理，一般利用沉沙池进行沉沙。在位山灌区，利用沉沙池处理粗颗粒泥沙，提高灌区沉沙池沉沙技术和沉沙效率，既可以减轻灌区处理泥沙的负担，又可以延长沉沙池的寿命，有利于灌区可持续发展。
(3) 提高渠道输水输沙能力，实现远距离分散配置泥沙模式。位山灌区的主要问题是渠道泥沙淤积问题，特别是渠首泥沙淤积严重，因此提高渠道输水输沙能力是实现远距离分散配置泥沙模式的关键。提高渠道输水输沙能力的关键技术包括断面优化技术、渠道减阻技术、调水调沙技术等。
(4) 灌区泥沙灾害治理与其资源化相结合。位山灌区长期大量的引水引沙，输沙干渠和沉沙池淤积严重，两侧堆积大量的清淤泥沙，占压大量的耕地，并使周围耕地沙化，形成堆沙高地，环境恶化。在灌区泥沙灾害治理过程中，要综合考虑灌区泥沙的资源化。目前，渠首泥沙灾害治理主要利用清淤造田、泥沙转化建筑材料、堆沙高地土壤改良等技术。
4 结语
(1) 结合位山灌区水资源开发特点，提出位山灌区水资源优化配置方法，推求位山灌区引黄水资源和地下水资源联合配置方案和引黄水资源配置方案，将引黄水资源和地下水资源联合利用，以引黄水资源为主。
(2) 通过构建典型引黄灌区泥沙资源优化配置的综合目标函数和配置约束条件，提出位山灌区泥沙优化配置的方案，把大部分泥沙输入支渠以下区域。
(3) 在对比位山灌区水沙资源配置现状与优化配置方案的基础上，指出位山灌区水沙资源配置现状存在一定的不合理性，渠首地区水沙资源配置过剩是导致灌区水沙配置不合理的主要原因。
(4) 通过开展灌区引水减沙措施、沉沙池处理灌区有害泥沙、提高渠道输水输沙能力、灌区泥沙灾害治理与其资源化相结合等，不断解决位山灌区水沙配置的不合理性问题，逐步实现灌区泥沙远距离分散配置模式。
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作者简介:王延贵(1963—) ，男，山东郓城人，高级工程师(教授级) ，博士，主要从事水力学及河流动力学研究工作。
