喀什噶尔河灌区阿瓦提干渠挟沙能力时空变化分析

多力坤·麦麦提

（喀什市水利局,新疆 喀什 844000）

0 引言

水流挟沙能力是渠道冲淤平衡状态下单位水流挟泥带沙的能力,也是水流挟沙运动特征及趋势规律的真实反映。挟沙能力研究是灌溉渠道运行的重要研究内容,也是影响灌区顺利发展的关键因素。现有研究成果均表明,灌溉渠道水流挟沙能力主要与渠道断面设计、水流流速、泥沙颗粒级配、含沙量、渠床泥沙淤积等有关,且灌溉渠道水流挟沙能力和特性是渠道引水条件、边界条件、区域水文水资源等综合作用的结果。

1 灌区概况

喀什噶尔灌区位于塔里木盆地西缘,行政区划包括7个县市4个团场,灌区规划灌溉面积25.33×104hm2,大多数水利工程均于20 世纪中叶修建,由于当时设计标准不高、工程配套性差、运行过程中设备老化、渠道渗漏严重、灌溉方式落后、管理水平落后,水资源开发利用效率不高,严重制约了灌区农业生产发展。喀什噶尔河灌区阿瓦提干渠全长40.964 km,设计流量35 m3/s～26 m3/s,干渠在长期运行过程中,逐渐表现出较大的渗漏损失,抗冲刷能力持续下降,淤积越来越严重,本次主要对桩号20+000～39+964 段进行冲淤防渗改建,在改建前必须全面分析干渠水流挟沙能力及渠道淤积影响因素。

2 研究方案

2.1 采样点设置

根据喀什噶尔河灌区阿瓦提干渠实际情况,以泵站出水口、大盖拉桥、小盖拉桥、西伊桥、东泰桥、合地桥、长兴桥、干渠末端为主要的断面样本取样点,桩号分别为20+000、21+514、22+668、26+422、28+573、31+387、35+345、38+120。按照《河流悬移质泥沙测验规范》的相关规定,在喀什噶尔河灌区阿瓦提干渠各断面均设置三条垂线进行泥沙采样,分别在各条垂线上水深1/5、3/5及4/5处设置取样点[1],具体见图1。按照灌区灌溉时间确定采样时间和频次,全年共灌溉4 次,故采样时间也为4次,即3 月～4月春灌时第1次采样,5 月～6 月夏灌一水期间第2 次采样,6月～7月夏灌二水期间第3 次采样,10月～11月秋灌期间第4次采样。

图1 各采样断面采样点设置

2.2 干渠挟沙能力计算方法

挟沙能力通常指水流与泥沙综合作用下,水流对悬移质中床砂质临界含沙量裹挟夹带的能力,考虑到喀什噶尔河灌区运行实际,在考虑中含沙量以及不同粒径悬移质及比重对挟沙能力影响程度的基础上,依据二维水流水体能量平衡要求[2],并结合实测资料率定后得到如下公式：

式中：S*为河道水流裹挟夹沙能力,kg/m3；SV为不同体积比所对应的含沙量,kg/m3；U为水流流量,m3/s；k为浑水卡门常数；γs为泥沙容重,kN/m3；γm为浑水容重,kN/m3；g为重力加速度,m/s2；h为实际水深,m；ws为浑水中悬移质泥沙沉降速度,m/s；D50为床沙中值粒径,mm。

浑水中泥沙沉降速度ws和浑水卡门常数k通常按以下公式确定：

式中：wo为清水中泥沙沉降速度,m/s；d50为悬移质泥沙中值粒径,mm；ko为清水卡门常数。

3 研究过程及结果

3.1 干渠挟沙能力沿程变化

根据实测2020年喀什噶尔河灌区实测数据及泥沙运动趋势规律,可得出灌区阿瓦提干渠不同灌溉期内水流挟沙能力,具体见表1。

表1 2020年阿瓦提干渠不同灌溉期内水流挟沙能力

根据上表对阿瓦提干渠2020 年不同灌溉期内水流挟沙能力的计算结果可以看出,该干渠水流挟沙能力在2.02 kg/m3～2.41 kg/m3之间。为分析干渠水流挟沙能力时空变化情况,还应进行干渠沿程挟沙能力对比分析,具体见图2。根据图中所示不同灌溉期内阿瓦提干渠沿程挟沙能力变动趋势可以看出,干渠年挟沙能力均值从泵站出水口后整体呈递减趋势,但是不同灌溉期内水流挟沙能力并无明显的规律性可言,春灌和夏灌一水期内水流挟沙能力变动趋势基本一致。主要原因在于春灌和夏灌一水灌溉期内流量均较小,且流量变化不大,泵站出水口-大盖拉桥的干渠起始段以及合地桥-干渠末端的干渠结束段均因水流流量小而挟沙能力递减；而大盖拉桥-合地桥的干渠中间部位,因水流流量大,水流挟沙能力增大,也即,水流挟沙流速越大,挟沙能力越强,反之则反是。根据统计,泵站出水口、大盖拉桥、小盖拉桥、西伊桥、东泰桥、合地桥、长兴桥、干渠末端等断面实测底宽分别为30.46 m、30.04 m、26.31 m、27.19 m、26.55 m、26.92 m、24.37 m和28.93 m。

图2 干渠沿程挟沙能力

根据表1 中对干渠不同灌溉期内水流挟沙能力的分析以及干渠沿程含沙量变动趋势图（图3）可以看出,喀什噶尔河灌区阿瓦提干渠2020 年含沙量均值为1.26 kg/m3,春灌期间干渠含沙量较高,主要原因在于2020 年该干渠春灌期内输沙率较大；其余灌溉期内含沙量沿程变化均不大,表明干渠基本达到冲淤平衡状态。在夏灌溉二水期间因流量变化较大且各渠道断面底宽存在差异,水流挟沙能力表现出较大的沿程变化,且因渠道底宽等原因的影响,泵站出水口-大盖拉桥、小盖拉桥-西伊桥、长兴桥-干渠末端等渠段水流挟沙能力表现为递减趋势。秋灌期间,水流流量较大,最大流量达到43.6 m3/s,且该期间干渠水流挟沙能力整体呈沿程下降趋势；由于渠道底宽变窄的原因,泵站出水口-大盖拉桥渠段及合地桥-长兴桥渠段水流挟沙能力上升；在渠道底宽增大的影响下,水流裹挟夹沙流速不断减小,大盖拉桥-合地桥渠段及长兴桥-干渠末端段水流挟沙能力沿程递减。

图3 干渠沿程含沙量变动趋势图

3.2 干渠挟沙能力时间变化

根据图4 对喀什噶尔河灌区阿瓦提干渠不同灌溉期内水流挟沙能力变化趋势的分析可以看出,在渠道含沙量变动不大的情况下干渠水流挟沙能力随流量的增大而呈增大趋势；秋灌过程中水流流量持续增大,挟沙能力也随之增大,增大的流量还能带动较细床沙起动。

图4 阿瓦提干渠灌溉期内水流挟沙力变化

3.3 干渠挟沙能力影响因素

3.3.1 流量

根据图4 对阿瓦提干渠水流挟沙能力与流量的分析可以看出,两者呈正相关关系,也即在其他水力条件不变的情况下,流量是影响干渠水流挟沙能力的主要因素；在丰枯水期等原因及喀什噶尔河灌区季节性需水的制约下,干渠引水流量及挟沙水流一般均在设计流量以下运行,进而引发渠道淤积；如遇河道淤积,则必将改变过水断面阻力分布情形,进而使干渠综合糙率增大,流速降低,单宽渠道输沙率随之减小,河道断面水流裹挟夹沙能力也随之下降。

3.3.2 来水含沙量

通过图4 的分析可以看出,阿瓦提干渠春灌期间含沙量比干渠水流挟沙能力大,其余灌溉期间含沙量均小于干渠挟沙能力,充分说明春灌期间干渠存在较严重淤积；其余灌溉期间渠道则处于平衡或冲刷状态。通过分析主要原因发现,春灌初期干渠流量较小,在干渠运行过程中流量持续增大,且在前期的防渗改建过程中进行了渠道水泥砼衬砌,渠底纵坡从1∶10000增大至1∶7000,干渠水流挟沙能力显著提升,淤积明显减少。根据图4中阿瓦提干渠灌溉期内水流挟沙力变化可知,随着水流流量的增大,干渠含沙量临界值随之增大,且干渠在含沙量临界点处运行时干渠水流挟沙能力碎含沙量的增大而表现出增大趋势。

3.3.3 泥沙中值粒径

根据图5 对阿瓦提干渠灌溉期内水流挟沙能力与泥沙颗粒中值粒径的关系分析可知,悬移质泥沙中值粒径和床沙中值粒径均对干渠水流挟沙能力有一定程度的影响：悬移质泥沙中值粒径与干渠水流挟沙能力正相关；床沙中值粒径则与干渠水流挟沙能力负相关。

图5 干渠灌溉期内水流挟沙能力与泥沙颗粒中值粒径的关系

4 结论

综上所述,喀什噶尔河灌区阿瓦提干渠水流挟沙能力主要受到干渠渠道床面宽、水流流量、含沙量及悬移质泥沙中值粒径、灌溉期（即季节）等因素的影响。概述而言,干渠渠道床面宽、床沙中值粒径与渠道水流挟沙能力呈反向变动关系；水流流量、悬移质泥沙中值粒径与渠道水流挟沙能力正向变动；含沙量与水流挟沙能力的正向变动关系不明显。在以上因素的综合作用下,阿瓦提干渠在春灌、夏灌一水、夏灌二水、秋灌等不同灌溉期内挟沙能力呈现出明显的增强趋势。