（水利工程专业论文）黄河下游引黄灌区水盐分析与水沙调度技术研究.pdf

摘要 黄河下游引黄灌区主要分布在黄河沁河口以下、河南与山东两省沿黄河两岸的地 区，分属黄、淮、海三个流域，是我国重要的经济发展带和粮棉油产区，农业灌溉发 展历史悠久，年平均引黄水量1 2 0 亿m 3 ，占黄河年径流量的2 0 6 9 。但由于水资源开 发利用结构不合理、灌溉模式粗放、灌水技术落后等，导致下游灌区水生态与环境恶 化，灌区泥沙威胁加大，土壤沙化和水土流失加剧，土壤的生产力下降，土壤潜在的 次生盐碱化倾向增加，影响了下游引黄灌区农业和国民经济持续、稳定与健康协调发 展。 论文通过对黄河下游引黄灌区水资源开发利用现状、生态与环境现状与变化、泥 沙淤积现状与淤积规律及成因进行研究，分析了水资源开发利用现状存在的问题，揭 示了灌区生态与环境恶化和影响灌区土壤盐渍化进程的主要原因，建立了以净效益最 大为目标函数的灌区水配置与调度模型和水、盐平衡方程，提出了灌区水沙调度方案， 研究了泥沙处理利用技术与灌区减淤措施。 论文以位山灌区为例，在分析灌区各分区水资源量及灌区水资源特点的基础上， 应用水资源调度模型，对地下水和黄河水在年内不同时段的分配进行了研究，对小麦、 玉米的最优种植面积及产量进行了分析。论文根据灌区降水与引黄系列资料，利用水 盐平衡方程研究了灌区水、盐储量的变化，对灌区土壤的盐渍化程度进行了预测，提 出了控制盐渍化进程的措施。论文分析了灌区泥沙淤积现状，对未来泥沙淤积趋势进 行了预测，研究了水沙调度技术 论文对黄河下游引黄灌区水资源合理开发与利用，改善灌区环境，避免土壤的次 生盐碱化，促进灌区可持续发展等具有较强的指导意义。 关键词：引黄灌溉，灌区，水盐运动，水沙调度 a b s t r a c t t 1 l ei r r i g a t i o na r e a si nt h el o w e rr e a c h e so ft h ey e l l o wr i v e rd i s t r i b u t em a i n l yi nt h e u n d e rq i nr i v e ta n dt h ea r e aa l o n gb a n k si nt h es h a n d o n gp r o v i n c ea n dh e n a np r o v i n c e t 1 l ei r r i g a t i o na r e ai st h ei m p o r t a n te c o n o m i cd e v e l o p m e n tb e l ta n dt h eg r a i n , c o t t o na n do i l p r o d u c i n ga r e ai no l l rc o u n t r y a n dt h ed e v e l o p i n gh i s t o r yo f a g r i c u l t u r a li r r i g a t i o ni sl o n g 1 1 l ew a t e ry i e l df o rt h ey e l l o wr i v e ri s1 2b i l l i o nc u b i cm e t e t sa n n u a l l ya n di ta c c o u n t sf o r 2 0 6 9o f t h ef l o wo f a n n u a lg r o s so f t h ey e l l o wr i v e r b u tt h es t r u c t u r eo f d e v e l o p m e n ta n d u t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u l 嘲i su n r e a s o n a b l e ，t h ei r r i g a t i o nm o d ei se x t e n s i v ea n dt h e i r r i g a t i o nt e c h n i q u ei su n c u l t u r e di nt h ei r r i g a t i o na r e a s ot h e s ec a u s ew a t e re c o l o g ya n d e n v i r o n m e n to fd o w n s t r e a mi r r i g a t e da r e aa r ew o r s e n , t h es i i tt h r e a t e na r cs t r e n g t h e n , s o i l d e s o r t i f i e a t i o na n ds o i le r o s i o na f ea g g r a v a t e d ，t h ep r o d u c t i o nc a p a c i t yo ft h es o i ld r o p s ， s o i lp o t e n t i a ls e c o n d a r ys t a l i n i z a t i o ni n c r e a s e s t h o s ei n f l u e n c et h es u s t a m a g ，s t a b i l e d e v e l o p m e n to ft h ea g r i c u l t u r a la n dn a t i o n a le c o n o m yo ft h el o wr e a c h e sg u i d ey e l l o w i r r i g a t e da l - c a t h ea c t u a l i t yo f t h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no f w a t e r 托：s o u “；e so f t h ei r r i g a t e da r e a i nt h el o wr e a c h e so ft h ey e l l o wr i v e t , t h ea c t u a l i t yo ft h ee n v i r o n m e n t sa n dc h a n g e sa n d t h es i i td e p o s i t , a n dt h ed e p o s i tl a wa n de a l l s eh a v eb e e nd i s c n s s c di nt h ep a p e r n 圮 q u e s t i o n so f t h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no f w a t e rr e s o u r c e sh a v eb e e na n a l y z e dd e a l ti n t h ep a p e r t h em a i n 膏e a s o n so f t h ee x a c e r b a t i o no f t h ew a t e re c o l o g ya n de n v i r o n m e n ta n d t h ei n f l u e n c eo f t h es o i l 懿d i i l i z 刮i i nt h ei r r i g a t i o na r 龃h a v eb e e no p e n e do u t t h em o d e l o ft h ed i s p o s i n ga n dm a n a g i n gw i t hn e tb e n e f i t sb e i n gm o s ta n dt h eb a l a n c e de q u a t i o no f w a t e ra n ds a l th a sb e e ns e tu p 1 kr e g u l a t et e c h n o l o g yo f t h ew a t e ra n ds e d i m e n th a sb e e n p r o p o s e d a n dt h et e c h n o l o g yo f d e a l i n gw i t ha n du t i l i z i n gt h es e d i m e n ta n dt h ep r o j e c to f i n d u c i n gt h es i l th a sb e e ns t u d i e d t h ew e i s h a hi r r i g a t e da r 铋i st a k e na sa l le x a m p l ei nt h ep a p e r b a s e do nt h ea n a l y s e s o ft h ea m o u n ta n dc h a r a c t e r i s t i co ft h ew a t e rr e s o u r c 船i nt h es e c o n d a r yi r r i g a t e da r e a , u t i l i z i n gt h em o d e lo f t h ed i s p o s i n ga n dm a n a g i n g , t h ed i s t r i b u t i o no f t h eg r o u n d w a t e ra n d t h ew a t e ro fy c l l o wr i v e ri nt h ed i f f e r e n td e f i o dw i t h i nt h ey e a rh a sb e e ns t u d i e da n dt h e o p t i m u mc u l t i v a t e da r e aa n do u t p n to f t h ew h e a ta n dm a i z eh a v eb e e na n a l y z e d a c c o r d i n g t ot h ep r e c i p i t a t i o na n dt h es e r i a lm a t e r i a l so fi r r i g a t e da r e ai nt h ey e l l o wr i v e ra n dt h e b a l a n c e de q u a t i o ni nw a t e ra n ds a l t , t h ec h u n g eo fw a t e ra n ds a l tr e s e r v e so fi r r i g a t e da r e a h a sb e e nr e s e a r c h e d ，t h ei n t e n s i t yo fs a l i n i z a t i o no fs o i lo ft h ei r r i g a t e da l g ah a sb e e n p r e d i c t e d ，t h em c a s u r ew h i c hc o n t r o i st h ep r o c e s so fs a l i n i z a t i o no fs o i lh a sb e e np r o p o s e d n 圮a c t u a l i t yo ft h es e d i m e n td e p o s i t i o ni nt h ew e i s h a ni r r i g a t e da r e ah a sa l s 0b e e n a n a l y z e d ，t h ei r e n do ft h es e d i m e 毗d e p o s i t i o nh a sb e e np r e d i c t e d a n dt h er e g u l a t e t e c h n o l o g yo f t h ew a t e ra n ds e d i m e n th a sb e e ns t u d i e d 1 1 1 ep a d e rh a st h es t r o n g e rd i r e c t i v es i g n i f i c a n c ei nt h er e a s o n a b l ed e v e l o p m e n ta n d u t i l i z i n gt h ew a t e rr e s o u r c e , i m p r o v i n gt h ei r r i g a t e da r e ae n v i r o n m e n t , a v o i d i n gt h e s e e o n d a r ys a l i n i z a t i o no fs o i la n dp r o m o t i n gt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fi r r i g a t e da r e a i nt h el o w e rr e a c h e so f t h ey e l l o w 黜v e t k e yw o r d s ：t h ei r r i g a t e da l g ai nt h ey e l l o wr i v e r , i r r i g a t i o nr e g i o n ，m o v i n go ft h ew a t e r a n ds a l t ，m a n a g i n go f t h e w a t e ra n ds a l t 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 黄河下游地区属黄河冲积洪积平原区，是华北平原的一部分，横跨河南、山东两 省，地势平坦，微地貌复杂。该区属于暖温带半湿润半干旱季风气候，降水的时空变 化大，旱涝灾害频繁该区土层深厚，光照充足，农业生产历史悠久，种植业是该区 重要的支柱产业，据1 9 9 0 年资料统计，该地区粮食和棉花产量分别占全国的7 7 和 3 4 2 ，农业产值占全国的8 ，是全国重要的商品粮和棉花、油料生产基地。 截至到2 0 0 0 年，黄河下游共建有万亩以上引黄灌区9 8 处，设计灌溉面积3 5 7 9 3 千 h m 2 ，实际灌溉面积1 9 7 4 7 万h m 2 ，涉及河南、山东两省8 7 个县( 市、区) ，多年平均 引黄水量约1 2 0 亿m 3 ，平均每公顷灌水量约为7 0 0 0 8 0 0 0 m 3 ，比同一地区、作物产量 相当的纯井灌区高l 2 倍【1 1 黄河是高含沙河流，灌区在引进灌溉水的同时，必然引进大量的泥沙。根据资料 统计，黄河下游引黄灌区年引进泥沙接近1 3 亿t 。几十年来，在长期的灌溉实践中， 各引黄灌区在泥沙处理方面积累了丰富的经验，在减少入渠泥沙方面，采取了修建拦 沙堰，安装导流系统，避开沙峰引水等措施；在处理入渠泥沙方面，多采取修建沉沙 池处理较粗泥沙t 2 1 ，有的还与工程应用和生产相结合，如放淤改土、淤临淤背、建筑 材料等 3 j ，但随着灌区的发展，引水量不断增大，引进的泥沙也不断增多，可供利用 沉沙的低洼地、盐碱沙荒地越来越少，。以挖待沉”的方法既需很高的经费，又存在 挖出泥沙如何放置的问题 4 1 。引进的大量泥沙堆积在沉沙池周围或渠道、河沟沿线， 形成了大面积的泥沙高地，不仅占压大批耕地、淤塞河道，而且使沉沙池区、输沙渠 及干渠沿线土地沙化，水土流失严重，生态环境恶化。盖淤整平复耕的不彻底，使粮 食产量低而不稳，池区及干渠沿线群众生产、生活受到严重影响。泥沙处理成为制约 引黄灌区持续发展的一个重要因素。 黄河下游大部分地区的土壤主要是黄河泛滥沉积物在高位潜水控制和作用下形 成的潮土；在高位、高矿位浅水的作用下( 滨海地区还有海潮浸渍的影响) 而形成盐 化、碱化潮土和盐、碱土；在地形部位相对较高、潜水埋深大于潜水停止蒸发深度( 轻 质土约3 m ) 的高亢地，形成褐土化潮土嘲。在区域性水盐平衡状况的控制下，褐土化、 河海大学工程硕士学位论文 潮土化和盐碱化的三种成土过程是相互转化的。黄河下游地区多年平均降水量小于 8 0 0 r a m ，而且土壤自身的含盐量相对较高，咸水区土地面积较大，土壤蒸发强烈，在 排水不畅的地区，极易发生盐碱化。根据黄委会引黄灌溉局二十世纪9 0 年代初的统计 资料，在黄河下游河南、山东两省的引黄灌区有盐碱地3 9 万h m 羽。 过量灌溉和土渠输水，使一半以上的引水通过渠系和田间渗漏，引起地下水位的 上升；不合理的地下水开采利用方式，也使得沿黄河和渠系两侧的地下水埋深普遍较 小，据有关资料，黄河下游引黄灌区的近黄地区和渠系两岸的地下水埋深一般在1 o m 左右，小于临界深度。在强烈的蒸发作用下，地下水通过毛细作用上行，并自土壤表 层散失，地下水和土壤中的盐分则留在土壤中，引起土壤的次生盐渍化。随引黄水进 入灌区的盐分，经过多年的引水灌溉，也会造成盐分累计。 随着社会的进步和经济与生产的发展，社会各部门、各行业对水资源的需求不断 增长，黄河下游引黄灌区水资源供需矛盾日益突出，即使在南水北调建成通水后，黄 河对下游地区发展、特别是农业生产仍是重要而不能完全替代的客水资源，引黄水量 仍将呈增长趋势。但由于水资源开发利用结构不合理造成的生态与环境恶化、土壤沙 化、水土流失加剧以及潜在的次生盐碱化等，已成为影响黄河下游引黄灌区农业和国 民经济持续、稳定与协调发展、建立和谐社会的重要因素。本研究在经过认真分析研 究的基础上，针对黄河下游地区在引黄灌溉和水资源开发利用方面普遍存在的一些问 题，找出影响灌区发展的主要因素，建立灌区水调度模型与灌区水、盐平衡方程，确 定函数约束条件，并进一步研究黄河下游灌区水盐运行与分布规律，分析灌区泥沙淤 积规律与成因，并以山东省位山灌区为例，提出了灌区水沙调度方案，研究了泥沙处 理与利用技术 本研究对于增强黄河下游引黄灌区的持续发展能力，保障地区粮食安全，避免灌 区土壤次生盐渍化的发生，减轻泥沙危害，维持与改善区域环境，构建和谐社会，指 导灌区续建配套与节水改造，为政府与主管部门提供决策参考，具有一定的理论和应 用价值。 1 2 国内外研究现状综述 1 2 1 土壤盐渍化与水盐平衡的研究现状 第一章 绪论 土壤盐渍化是指在强蒸发条件下，土壤的毛管水上升运动强烈，地下水及土中的 易溶性盐分向地表迁移并在地表附近土壤积聚的现象或过程。由于不合理的灌溉等人 类活动引起的非盐渍化土地发生盐渍化，称为次生盐渍化。在土壤的盐渍化进程中起 着重要影响作用的因素一是气候干旱，蒸发强烈；二是地下水位高，水的矿化度大； 三是地势低洼，排水不畅；四是成土母质和盐地植物。在干旱、半干旱和半湿润的平 原地区，不合理的人类活动，包括不合理的水资源开采利用方式、不合理的灌溉方式、 灌溉水质不良、人工地貌、水利工程等，是引起土壤次生盐渍化的主要原因，而且与 前四种因素相比，更主要的是表现在不合理的人类活动的影响上。原生型盐碱土与次 生盐碱土相比，次生盐碱化是造成土地退化、土壤沙化、土地资源短缺和生态环境恶 化的重要原因之一虽然二十世纪5 0 年代以来，中国在盐碱耕地得到大幅度改良利 用的同时，次生盐渍化已得到基本控制，但次生盐渍化容易出现反复的特性，使得次 生盐渍化的防治工作一直受到人们的特别重视。特别是在黄河下游地区，从成土过程、 地下水水质以及盐碱土的历史分布来看，更应该将防治土壤次生盐渍化作为一项长期 的工作。根据次生盐碱化的成因，研究通过一定的、综合有效的措施，避免盐分在土 壤表层的积聚，抑制次生盐渍化的发生与发展，是保证土壤质量、维持与改善土壤的 理化与生物学特性的重要内容。 土壤次生盐渍化是目前世界上农业生产所面临的一个严重问题1 7 一。世界上的粮 食几乎有三分之一是在水浇地里生长出来的，但在世界各国的灌溉历史上，由于灌溉 渠系和田间渗漏引起的地下水位上升而导致的土壤次生盐渍化，一直都是影响农业发 展的重要原因之一。目前全世界灌溉面积中有将近一半存在次生盐渍化威胁网，如印 度、巴基斯坦、伊朗、伊拉克、叙利亚、阿塞拜疆、乌兹别克、乌克兰、俄罗斯和澳 大利亚等国家的农业生产都受到这一问题的严重威胁。一些科学家估计，因盐渍化而 荒弃的水浇地，比按新的灌溉规划纳入使用的水浇地还要多。我国黄河流域的部分灌 区如内蒙古的民生和河套灌区、宁夏的银川平原灌区、山西汾河流域灌区以及黄淮海 平原也都不同程度地发生过或发生了次生盐渍化【l o l ，有的甚至一度高达3 0 4 0 【9 】。 部分国家灌溉土地盐碱化情况如表1 1 示【】。 由于盐渍土在世界上的广泛分布及其对作物的毒害作用，特别是其很多情况下都 位于地势平坦、易于灌溉的地区，使其历史上就为人们所关注。特别是在当前，随着 工农业生产的飞速发展，人口的不断增加，粮食需求的日益高涨，以及耕地资源的愈 趋匮乏，盐渍土的开垦利用更为众多国家或地区高度重视，其防治研究不仅历史悠久， 河海大学工程硕士学位论文 表1 1部分国家灌溉土地盐碱化情况 受盐害的灌溉面积占总灌溉面积的比例 国家 ( x l o n 2 )( ) 印度 7 01 7 中国 6 71 5 巴基斯坦4 22 6 美国4 22 3 乌兹别克2 46 0 伊朗 1 73 0 土库曼 1 o8 0 埃及0 93 3 小计2 8 12 1 世界总计 4 7 72 l 而且尚趋加强之中，取得了长足的进展。俄国1 5 0 多年前就开始在盐碱地上利用农田 防护林防止风沙，改良盐碱地，二十世纪4 0 年代以来，对林带对地下水位与盐碱地 的关系、土壤的次生盐碱化等又进行了比较深入细致的研究。美国科学家在盐害机理 和植物耐盐机理方面作了比较突出的工作，提出了原初盐害和次生盐害的理论，并从 分子生物学的角度探讨了植物耐盐机制。我国在盐渍化防止和盐渍土改良方面也取得 了许多有特色的重大研究成果。解放前我国的金陵大学在苏北盐碱地治理、改良利用 方面做了一些工作【嘲。已故著名土壤学家熊毅曾经指出，次生盐渍化的发生是由于灌 溉中许多不合理的措施引起地下水位抬高的结果1 1 3 1 陈恩风教授提出了“以排水为基 础，培肥为根本”的观点。王守纯研究员等提出了“淡化肥沃层”的理论，并在黄淮海次 生盐渍化的治理中，取得了令人瞩目的成就【闱。 国内外学者在查明引起土壤次生盐渍化的原因方面做了大量工作，b a 萨乌缅认 为对于干旱地带的大多数灌区来说，土壤次生盐碱化的形成和发展是由于不合理的灌 溉，用水不当，抬高了地下水位，加之强烈的蒸发而引起的；b a 科夫达在论证 地下水与土壤盐碱化的关系时指出，在现代盐碱化过程的发生和发展因素中，地下水 的移动、埋深和平衡最为重要，如果地下水埋深在l o m 以下，土壤的水分蒸发就不会 超过降雨总量，尽管气候干旱，土壤也不会发生盐碱化，但是如果地下水滞留，埋深 为l 3 m ，则易遭受强烈蒸发，导致盐碱化过程的发展【”l 。但不管表达的重点如何不 同，土壤次生盐渍化从本质上来说总是盐分的重新分配引起的水盐不平衡问题，要防 止和治理次生盐渍化，就必须建立一种新的水盐平衡。 水盐平衡的概念最先是由美国土壤学家s c o f i e l d 提出的，他把进入灌区的易溶性 4 第一章绪论 盐量和通过排水排出的盐量之问的关系称之为盐分平衡。如果输入盐量大于排出盐量 说明土壤积盐；如果输入盐量小于捧出盐量说明土壤脱盐。盐分的平衡是通过水分的 平衡来实现的。水是盐分的溶剂又是盐分运移的载体，只有通过水分的平衡才能达到 盐分的平衡1 。所以说水盐平衡是以动态平衡的观点和理论，对某一区域的某一时期 内的水分和盐分在数量上进行盈亏分析，以探求其水盐运动的发展过程，分析诸影响 因素的作用，评价人为因素影响的效果，以及对发展趋势作出判断和预测。水盐平衡 的研究大大促进了人们对各种自然和人为条件下水盐运动的特点和规律性的认识，各 国的学者从自己研究的重点出发，相继提出了多种控制水盐平衡的措施。b a 萨乌缅 认为防治的主要措施应该是控制用水和草田轮作；b a 科夫达建议修建捧水网作为防 治的主要手段。由于水利措施控盐的建设投资和维护代价较高，a j p e c k 主张用恢复 和建立植被来控制水盐平衡；以色列科学家h u g ob o y k o 提出可以利用咸水灌溉或种 植耐盐作物来调控水盐平衡，解决盐碱化问题l 旧。 我国是世界上盐渍化最严重和盐渍土面积最大的国家之一，在盐渍化防治和盐溃 土改良利用方面取得了许多很有特色的研究成果。从近几年来我国灌溉与水盐运动的 研究上来看，目前主要的研究内容和发展趋势一是利用高矿化度地下水灌溉和开展利 用苦咸水灌溉研究；二是在治理次生盐渍化方面，由根治盐害向为调控水盐转变。 随着对盐渍化问题和水盐平衡研究的深入，从生产实践中人们认识到要防治土壤 的次生盐渍化，任何单一措施都不是最有效的。 1 2 2 泥沙与水沙调度技术研究现状 1 2 2 1 泥沙研究现状 河流挟运泥沙是一种客观自然行为，有水流运动必有泥沙输移l 切，因此，地球上 凡是有河流的地方都会有泥沙的搬运、输移与淤积。全球每年产生的泥沙总量如果按 大陆地表剥蚀总量估算，约有3 2 0 5 1 0 亿t p s 2 ，泥沙问题是许多国家面临的共同问题， 也是严重的资源与环境问题。由于流域内地形、地质、土壤、气候、植被、人类干预 活动以及河道径流量的差别，不同地区、不同河流的挟沙能力与含沙量差别很大。随 着人类对自然环境和河流本身的干预加重，进入河流的沙量增多，并在某些位置产生 累积性的淤积，泥沙的不适当淤积逐渐成为困扰环境、航运、防洪、水力发电、农田 灌溉、城镇供水的严重问题【m ，因此很早各国的科学家就开始了对泥沙运动的研究。 河海大学工程硕士学位论文 早在1 9 世纪末期，法国的d u b o y s 第一次提出了推移质运动的拖曳力理论。g i l b e r t 在二十世纪初期通过水槽实验研究推移质泥沙的运动规律，并最早建立了推移质运动 的模式和计算公式。r o u s e 在二十世纪3 0 年代初类比分子扩散理论，导出了著名的悬 移质泥沙浓度分布公式，至今仍在应用。e i n s t e i n 1 争嘣i 首创用统计的方法研究悬移质 输沙率和推移质输沙率，导出泥沙挟沙力的计算公式，定义了冲泻质和床沙质的概念， 提出了冲积河流阻力划分与计算方法。b a g n o l d t 2 5 1 基于对泥沙运动物理过程的深刻 理解得出推移质输沙率、悬移质输沙率计算公式，具有较高的计算精度；其关于颗粒 作用的同心圆筒实验研究，揭示了随着颗粒浓度的增加逐步从粘性作用转向惯性( 碰 撞) 作用的机理，深刻揭示了颗粒作用的实质，对泥沙研究起到了重要的推动作用， 成为二十世纪8 0 年代兴起的快速颗粒流研究的基础。e i i g l 衄d 【m 2 刀遵循e i n s t e i n 和 b a g n o l d 的概念和体系，进行了深入研究。 河流的含沙量高是我国河流的一大特点，全球多年平均输沙量大于l 亿t 的河流 有2 5 条，我国就有9 条【1 7 1 。黄河是世界上泥沙最多的大河，多年平均输沙量达1 6 亿t 之多( 其中入海泥沙i l 亿t ) ，长江宜昌站平均年输沙量为5 3 亿俨司，丰富的水沙 资源、经济社会发展的要求以及系统的河流水文、泥沙及河床演变等的资料，为我国 造就了一批杰出的泥沙研究专家，也使我国的泥沙研究处于世界领先地位。沙玉清、 张瑞瑾等老一代泥沙专家对我国泥沙科学的发展奠定了基础，钱宁、林秉南、谢鉴衡、 窦国仁等把我国的泥沙研究推向黄金时代，在非平衡输沙理论、高含沙水流运动机理 与理论、工程泥沙研究、河道演变规律及治河工程研究上取得了国际领先水平的成果。 窦国仁在二十世纪6 0 年代提出了非平衡输沙理论，并详细分析了非平衡输沙机 理，提出了初步的理论体系1 2 9 1 韩其为进一步系统研究了非平衡输沙理论，完善了概 念和理论，并开发出了泥沙数学模型【捌。侯晖昌、张启舜等对非平衡输沙理论进行了 深入细致的分析研究，对冲刷过程中含沙量沿程恢复问题和淤积过程中含沙量沿程递 减问题进行了理论分析与解释【3 i i 我国早在二十世纪6 0 年代就对高含沙水流开始了系统研究，逐步建立起高含沙 水流运动理论体系，并由泥沙专家钱宁先生总结完成了高含沙水流运动。二十世 纪8 0 年代国外才开始高含沙水流的系统研究，目前国外关于高含沙水流的研究大多 遵循与借鉴我国的方法与理论【3 2 】 在江河治理和大型水利枢纽工程建设中，泥沙问题是决定工程成败的关键问题。 在我国的水利工程建设史上，由于对泥沙问题的重视与研究程度不同，正反两方面的 6 第一章绪论 经验和教训都是非常深刻的。都江堰工程由于充分掌握了与运用了水流泥沙运动规 律，历经2 0 0 0 多年仍然发挥着防洪、灌溉效益；黄河三门峡工程由于没有充分认识 到泥沙淤积的影响，运行两年就引起上游遭受洪水和盐碱化影响，使工程不能完全发 挥设计效益；长江葛洲坝工程由于充分重视了泥沙问题，多家单位联合攻关，提出了 “静水通航，动水冲沙”的运行方式，成功解决了永久通航建筑物的泥沙淤积问题。 在长江三峡和黄河小浪底工程建设中，我国多家科研单位和大专院校通过建立泥沙数 学模型和泥沙河工模型试验，在坝区泥沙淤积、通航建筑物泥沙等方面取得重大突破， 成果达到国际先进水平。在黄河口演变规律及整治、黄河流域环境演变与水沙运行规 律研究、黄河水沙变化研究、黄河下游游荡性河段演变与整治、黄河泥沙利用及淤积 相对地下河研究等方面均取得重大进展，处于世界领先地位嘲。 1 2 j 垃水沙调度与泥沙利用技术研究现状 黄河是黄河下游地区唯一的客水资源，也是黄河下游灌区重要的灌溉水源，多年 的引水灌溉，使引黄灌区内泥沙堆积，占压大量耕地，给环境保护带来不利影响，也 影响了灌区农业的进一步发展为了实现灌区的可持续发展，国内众多研究机构和专 家对灌区的水沙调度和泥沙处理进行了大量研究，取得了丰硕成果。 水沙调度就是通过工程或非工程的措施，实现多引水、少引沙和水沙在受水区的 合理分布，以利于依据泥沙的不同性质，采取不同的处理利用方式。中国水科院黄永 健、张燕菁、毛继新等d 3 】以灌渠水流泥沙数学模型为基础，通过建立渠网水沙调度模 型，计算不同灌溉方案下泥沙在灌区各级渠道和田间的分配及颗粒级配情况。冯玉坤、 周景新i 蚓结合山东簸箕李引黄灌区的水沙分布状况及调度经验提出，通过衬砌渠道、 加大干渠比降、减小糙率等措施加大水流速度，增大水流的挟沙能力，将细颗粒泥沙 送到田间，以实现千级渠道的减淤；并提出根据各级渠道的冲淤状态与渠道流量、流 速、含沙量及泥沙粒径的关系，以实时含沙量和泥沙粒径调度渠道输水流量，根据灌 区上下游不同的灌溉方式采取不同的水沙调度方案等。李义天、胡春宏、程秀文、蒋 如琴等 3 5 - 4 1 】通过对黄河含沙量沿垂线分布的特点、泥沙的颗粒级配、泥沙的养分含量 的分析，并结合引黄灌区泥沙利用的实践经验，提出要在分析区域承沙能力的基础上， 兼顾当前与长远、地区与部门间利益，利用水流的输运能力，进行水沙资源的联合配 置，将泥沙输送到最合适的地方进行放淤改土、淤临淤背、填洼造地、填海造陆、塑 造湿地、建材转化等。程秀文、杨林桐【4 4 2 等分别从理论和实践的角度，探讨了引黄 7 河海大学工程硕士学位论文 渠首的布置、拦沙防淤措施、沉沙池的调控使用要求以及不冲不淤条件下渠系配水的 技术要求等。李春涛、许晓华 4 3 1 在对位山灌区淤积现状及淤积原因分析的基础上，对 灌区泥沙处理提出如下对策，一是通过渠道衬砌、兴建提水泵站、实行高水位、大流 量、速灌速停的引输水方案，二是采取自然沉沙和以挖待沉的泥沙集中处理与分散沉 沙相结合的泥沙处理方式，三是通过节水减少引水量，缩短引水时间，减少引沙量， 四是有计划地鼓励群众取土，发展建材生产，实施盖淤还耕等措施利用泥沙嗍。石国 安【4 5 l 结合引黄灌区的生产管理实际，在分析了泥沙对黄河下游引黄灌区发展的制约作 用后，认为取水1 3 位置宜选在弯道凹岸处，在弯道的位置距弯道起点3 1 4 至末端处， 引水防沙效果好；要选择适当的引水时机，避开沙峰引水；兴建有利于灌区运用与发 展的沉沙池等。李义天、孙昭华p 5 1 和王廷贵、胡春宏嗣等还对我国引黄灌区泥沙处理 利用技术和引黄淤临淤背的实践经验进行了总结，并分别从资源的概念、泥沙的基本 属性、泥沙的组分、泥沙资源化的可行性与必要性、泥沙资源化的途径及泥沙利用可 能出现的问题等方面对泥沙资源化进行了充分的论证分析。胡春宏、王廷贵、陈绪坚 期还对泥沙资源优化配置的原则、任务、原理( 包括优化配置的度量函数、需要考虑 的平衡关系、泥沙资源的分配机制等) 进行了理论探讨。张燕菁、胡春宏等闱与徐金 波、何富荣【4 刀分别从理论和实践的角度，对胜利油田提出并实施的“沉沙与蓄水两用 水库”模式进行了研究。瓴沙与蓄水两用水库”就是将沉沙池运用与蓄水水库建设结合 起来，利用黄河水流泥沙运动规律，把沉沙池建设成一条环形的“小黄河”，其河堤、 河床、河滩、河槽一应俱全，含沙量较高的浑水从“小黄河”中流过，泥沙不断沉积并 将河床逐步抬高，形成一条环形堤坝，堤坝中间形成水库，既解决了泥沙的处理问题， 节约了清淤费用和运行费用，开阔了黄河下游引黄灌区的泥沙处理思路，又解决了水 库建设的占地和经费问题，而且还能利用沉沙池兴建蓄水水库，为下游地区的工农业 发展用水起到调节与促进作用。周振民 4 8 1 从引黄灌区的水沙平衡入手，建立了引黄退 沙、降雨地表侵蚀计算数学模型，并以近期引黄水沙资料为基础，定量计算出泥沙的 区域分配，预测引黄灌区土地沙化发展演变的趋势，为黄河下游引黄及工农业发展提 供参考依据。 由于黄河含沙量高，河势变化大，为引黄灌溉带来很多重大科技问题。黄委会黄 河水利科学研究院【4 9 l 对引黄渠道和沉沙池的设计理论与方法、放淤浚淤措施和引洪放 淤、淤滩改土及淤临淤背等关键技术开展了大量研究工作。二十世纪9 0 年代以来， 在引黄灌溉节水、引黄水资源利用、引黄水沙监测、灌溉泥沙处理和生态环境保护等 8 第一章绪论 方面进行了广泛研究，提出了“自流引水、分散提灌”的灌溉模式和利用黄河中小洪 水有控制的引洪放淤技术、节水节能技术等 1 3 论文的主要研究内容 本论文为指导大型灌区改造，对黄河下游引黄灌区水盐运动与分布规律和泥沙调 度与处理利用技术进行了研究 ( 1 ) 在对黄河流域特别是黄河下游地区自然地理、水文气象、引黄灌溉基本情 况进行分析的基础上，找出引黄灌区发展现状存在的问题，并重点研究水资源开发利 用及水生态环境现状与变化，研究灌区泥沙淤积现状并分析淤积规律及成因。 ( 2 ) 针对灌区水资源开发利用现状中存在的问题，建立灌溉水调度模型和水、 盐平衡方程，并预测灌区盐渍化倾向，以指导灌区水资源的合理开发与利用、降低地 下水漏斗区面积、改善灌区水环境，避免灌区土壤的次生盐碱化。 ( 3 ) 在分析灌区泥沙淤积现状与成因、研究灌区泥沙淤积规律的基础上，探讨 减淤与泥沙处理利用技术。 ( 4 ) 以位山灌区为例，具体研究引黄灌区的水资源调度与水盐分析，探讨引黄 水量与灌区储盐量变化的关系和对灌区土壤的影响。并在研究位山灌区泥沙淤积现状 的基础上，针对位山灌区的实际情况，对未来泥沙淤积状况作出预测，探讨水沙调度 技术。 9 - ；a i 海大学工程硕士学位论文 第二章黄河下游引黄灌区概况 2 1 黄河流域概述 黄河是我国第二大河，发源于青海省巴颜喀拉山北麓雅拉达泽山以东海拔4 5 0 0 m 的约古宗列盆地，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东 九个省区，在山东省垦利县注入渤海，全长5 4 6 4 k m ，水面落差4 4 8 0 m 黄河流域位于北纬3 2 。1o t 至4 1 0 5 0 ，东经9 5 0 5 3 至11 9 0 0 5 之间，流域面积7 9 5 万 k m 2 ( 包括内流区4 2 万k m 2 ) ，其中9 7 的面积集中在上中游地区。流域内石山区占 2 9 0 , 4 ，黄土和丘陵区占4 6 ，风沙区占1 1 ，平原区占1 4 。由于黄河流经世界上最 大的黄土高原，土壤侵蚀十分严重，洪水挟带大量泥沙进入黄河，使黄河成为世界上 含沙量最大的一条河流。泥沙进入黄河后，由于下游河床宽阔，比降较缓，水流的挟 沙能力迅速降低，泥沙大量沉积在河床之上，使下游河道不断淤积抬高，成为世界著 名的“地上河”，从而也使得下游河道决溢泛滥频繁。据史料记载，从先秦到民国年 问的2 5 4 0 多年中，黄河下游共决溢1 5 9 0 余次，改道2 6 次，平均三年两决口，百年 一改道。现在的黄河下游河道就是1 8 5 5 年黄河在河南省兰考县东坝头决口改道后， 在山东夺大清河入渤海形成的 根据地理位置及河流特征将黄河划分为上、中、下游从河源到内蒙古托克托县 的河口镇为上游，河道长3 4 7 1 6 k m ，流域面积4 2 8 万i o n 2 ，该河段水多沙少，蕴藏 着丰富的水力资源；从河口镇到河南郑州桃花峪为中游，长1 2 0 6 4 k m ，流域面积3 4 4 万k m 2 ，该河段水少沙多，年输沙量占全河总沙量的9 0 ，是黄河下游洪水和泥沙的 主要来源区；桃花峪以下至河口为下游，长7 8 5 6 1 a n ，流域面积2 3 万l 2 ，该河段 贯穿华北平原，地势平坦开阔，是历史上河道迁徙变化非常剧烈的河段，也是黄河防 洪的重点河段。 黄河流域东临海洋，西居内陆，气候、降水、蒸发、光热资源及无霜期等差异明 显。流域内气候大致可分为干旱、半干旱和半湿润气候，兰州以上大部分地区为半湿 润区；兰州以下，西北部为干旱区，南部和东南部为湿润区，其余为半干旱半湿润区。 流域内冬季盛行偏北风，气温低，降水少；春季受西太平洋副热带高压北上西伸影响， 气温回升，降水增多：夏季大部分地区盛行偏南风，水气丰沛，是一年中降水最多的 1 0 第二章黄河下游引黄灌区概况 时段；秋季降水减少，但常发生连阴雨天气。气温的地区分布特点是由南向北、由东 向西逐渐降低，多年平均气温一般在1 4 1 2 - 4 c 流域多年平均降水量4 6 6 m m ，且 年降水量的7 0 左右集中在6 9 月，降水自东南向西北逐渐减少。流域年平均蒸发 量7 0 0 1 8 0 0 m m ，最大可超过2 5 0 0 r a m 。流域无霜期较短，下游平原地区无霜日在 2 0 0 天左右，上游地区平均不足2 0 天。流域水文特征明显，上游降水历时长、强度小， 形成的洪水径流峰小量大；中游降水历时短、强度大，形成的洪水径流峰高量小、陡 涨陡落，为暴雨洪水，危害较大。 根据黄河治理开发规划纲要( 1 9 9 7 年) 资料，黄河流域多年平均天然年径流 总量为5 8 0 亿瑚? ，其中花园口以下为2 l 亿m 3 ，占全流域的3 6 。 黄河径流量主要由降水形成。由于受大气环流、季风、地形等因素的影响，黄河 水资源具有资源量贫乏，水量与土地、人口分布颇不协调，径流的时空变化大，汛期 长、洪水次数多，水少沙多、水沙异源等特点。 为开发利用黄河水资源，在黄河干流上已建、在建和拟建多座水库或其它控制性 骨干工程，特别是小浪底水库的建成运用，对黄河下游的来水来沙情况将产生较大影 响。 黄河流域耕地资源十分丰富，光热资源充足，农业生产发展潜力很大，是我国重 要的粮棉生产基地，但由于流域大部分地区自然条件和生态环境较差，天然降水的时 空分布变化大，农牧业生产仍然较为落后，人均占有粮食和畜产品都低于全国平均水 平特别是耕地比较集中的黄河下游和中游地区，降水量和降水的时程分配不能完全 满足农作物生长的需要，需要进行补充灌溉；而土地资源丰富的中上游地区，由于蒸发 比较强烈，农业生产基本完全依赖灌溉，因此，黄河流域的农业基本为灌溉农业。 根据大量调查资料，全世界l 3 的粮食产于占整个种植面积1 8 的灌溉土地上； 中国则以占全国耕地面积5 0 左右的灌溉土地，生产了占全国粮食总产量的7 0 、棉 花总产量的8 0 、蔬菜总产量的9 0 以上的农产品：而黄河流域在仅占耕地面积4 0 的灌溉面积上，生产了约7 5 的粮食和主要经济作物由此可见，粮食生产的前景取 决于灌溉面积的发展，特别是在人口继续膨胀、耕地面积进一步锐减、单位面积产量 不断提高的情况下，粮食生产将更加依赖于灌溉面积的拓展及其供水保证率的提高。 黄河流域是我国农业经济开发最早的地区，河套平原是干旱地区建设“绿洲农业” 的成功典型，中游汾渭盆地是我国主要的农业生产基地之一。流域主要农作物有小麦、 玉米、谷子、薯类、棉花、油料和烟叶等，尤其是小麦、棉花、油料和烟叶在全国占 河海大学工程硕士学位论文 有重要位置。虽然流域内农业生产取得了可喜的成就，但由于大部分地区自然和生产 条件较差，所以，相对于全国而言，农业生产水平还较僻5 0 1 。 2 2 黄河下游引黄灌溉发展历史及现状 黄河下游引黄灌区集中连片分布在河南、山东两省的沿黄地区。历史上黄河下游 虽有过引黄淤灌工程，但未延续下来。二十世纪3 0 年代，在开封、郑州、济南、滨 州等地曾修建过引黄虹吸管工程，但由于洪水、泥沙等问题，没有发挥实际效益即行 废弃。1 9 5 0 年在山东利津建成綦家嘴引黄闸，1 9 5 2 年在新乡建成人民胜利渠大型引 黄灌溉工程，从而揭开了河南、山东两省大规模引黄灌溉的序幕，黄河下游引黄灌溉 进入黄金发展期。1 9 5 8 1 9 6 1 年，由于受“极左”思潮的影响，在黄河干流上兴建了 许多引黄闸，片面追求灌溉面积，盲目发展，大引、大灌、大蓄、大捧，配套工程及 灌溉管理跟不上，导致大面积土地盐碱化，又遇上1 9 6 1 1 9 6 4 年连续四年的大涝， 涝碱相随，灌区土地盐碱化急剧发展。到了1 9 6 2 年，在中央“调整、巩固、充实、 提高”的方针指引下，各地对许多灌区实行停建、缓建、整顿及停灌等措施，在黄河 下游除保留人民胜利渠1 3 3 万h m 2 引黄灌溉外，其