宝水渠灌区渠道输水输沙特性分析

舒伟鹏

(江西省修江水利电力勘察设计有限责任公司，南昌 330000)

1 灌区概况

宝水渠灌区位于崇仁县，灌区地势平缓，区内主要河道为崇仁河，灌区渠首拦河坝位于崇仁河主流上，坝址以上控制集雨面积为581.25km2，灌区设计灌溉面积39.00km2，实际灌溉面积23.33km2，设计引水流量及加大引水流量分别为60m3/s和85m3/s。

该灌区引水含沙量受所在流域水文情势影响较大[1]，灌区渠首站引水引沙年际变化情况详见图1，由图1可以看出，灌区年引水量均值将达到254×104m3，年引沙量均值达到65×104t，年引水含沙量质量浓度均值达3.41kg/m3。引水量最大值和最小值相差约2.5倍。在上游水库蓄水拦沙下，灌区年引沙量并不大，年引沙量均值仅为85×104t，年引沙量最大最小值分别为101×104t和24×104t，分别出现在2013年和2018年。灌区引水流量为中小流量，2012-2020年引水天数平均为118.4d，日引水流量最大值为71.5m3/s，最小值0.84m3/s。其中日引水流量均值在20m3/s以下的情况占比38.7%，日引水流量均值在20-40m3/s的情况占比42.8%，而日引水流量均值在40-60m3/s的情况仅占比15.4%。

图1 灌区渠首站引水引沙年际变化情况

灌区干渠主要包括输沙渠、沉沙池、输水渠等部分，干渠全长为60.4km，其中输沙渠、沉沙池、输水渠长度分别为31.3km、2.61km和26.49km。输沙渠衬砌形式包括全断面和半断面两种，渠断长分别为11.4km和19.9km；输沙渠底宽12.0-18.0m，设计水深2.0m，加大水深2.25m，渠底比降1/4500-1/6200，边坡1∶1.55，设计水流流速为1.00-1.21m/s。输沙渠设计参数详见表1所示。沉沙池与输沙渠相连，底宽20-200m，呈梭形。输水渠底宽12.1-16.5m，边坡1∶2.5，设计水深1.5m。

表1 输沙渠设计参数

2 渠道输水输沙特征

输沙渠沉沙池段设测站，桩号0+041的渠首站、桩号20+965的王庄渡站、桩号48+230的公路桥站及桩号55+854的崇仁渡槽站，分四段进行渠首引水分布特征的观测与研究。测站引水量结果见图2，各渠段引水比年际变化见图3。

图2 主要观测站逐年引水量观测结果

图3 各渠段引水比年际变化情况

2.1 引水特征

输沙渠上段长度为12.4km，渠段大部分属于全衬砌形式，2012-2020年输沙渠上段引水量累计为5.10×104m3，在引水量总额中占比24.1%。灌区自建成以来输沙渠上段引水比例持续增大，2012年引水比为14%，2020年引水比增大至30%。输沙渠下段长18.9km，根据主要观测站逐年引水量观测结果以及各渠段引水比年际变化情况，下段引水量较大，2012-2020年引水量累计为9.41×104m3，在总引水量中占比41%，且年引水量与引水比均呈不断减小趋势。

沉沙池沿程引水渠较少，引水量也较小，2012-2020年引水量累计值仅为0.42×104m3，在引水总量中仅占比1.4%。下游输水渠承担着崇仁县区供水任务，2012-2020年累计引水量达到2.46×104m3。随着灌区工程的建成输水渠引水比也逐渐增大。

2.2 泥沙淤积分布

宝水渠灌区距离输沙集中沉沙，部泥沙输沙渠道距离输送至沉沙池集中处理；另外部分泥沙则借助输沙渠支渠引浑水灌溉，通过引沙入田的方式达到分散处理[2]的目的。输沙渠采用比降、距离输沙技术，渠道输沙能力提升，泥沙淤积量也不断减少。结合江西省水利厅相关研究，宝水渠灌区泥沙沉沙区淤积、各级渠系及入田泥沙分别占45.4%、38.6%及13.2%，仅2.8%下泄排水系统。

根据对宝水渠灌区2020年淤积物的取样结果发现，灌区部位泥沙颗粒组沿程细化，输沙渠中间位置桩号28+250测点处泥沙淤积物内0.05mm以上的粗颗粒质量分数96.5%，桩号40+250处泥沙淤积物内0.05mm以上的粗颗粒质量分数降至84%。进入沉沙池后泥沙淤积物明显变细。

3 渠道特性

3.1 河槽水力几何形态

水流形态、动床阻力等河槽水力几何形态，并与河道输沙特性直接相关。宝水渠灌区渠道主要为梯形形式的设计渠道断面，断面形态，水力几何特性稳定，宽、水深、、水力半径等流量之间存在指数关系，表示如下：

(1)

式中：B为河宽，m；h为水深，m；v为流速，m/s；R为水力半径，m；αi为渠道水力参数系数；βi渠道水力参数指数，流量连续定律

将所收集到的宝水渠灌区2012-2020干渠实测资料进行线性拟合便可得到灌区渠道水力几何形态指标，结果见表2。灌区渠道属于衬砌断面，河岸具备较强的抗冲性能，几何形态也较为稳定。

表2 灌区渠道水力几何形态指标

3.2 渠道输沙能力

宝水渠灌区输沙能力主要与渠道水力边界条件及来水来沙情况相关，水流挟沙力参数。宝水渠灌区来水含沙量来水来沙变化，河床冲淤调整十分迅速，灌区衬砌渠道公式为基于类似灌区输沙渠衬砌渠道原型观测资料所建立的水流挟沙力公式，能较好的反映高含沙水流多来多排的输沙特性。灌区衬砌渠道输沙能力计算公式如下：

(2)

式中：S*为水流挟沙力；U为灌区渠道流速均值，m/s；R为水力半径，m；ω为泥沙颗粒沉降速度均值，m/s。

将断面水力几何公式形态指标代入式(2)，灌区渠道公式：

(3)

结合宝水渠灌区设计报告中闸首处悬移质级配成果，5月份年平均级配成果与年均值较为接近，为此采用5月份年均悬移质级配成果，所对应的悬沙中值粒径0.032mm，悬移质沉降速度均值为2.10×10-3m/s。渠首、王庄渡、公路桥、崇仁渡槽等测站设计流量40m3/s、38m3/s、36m3/s和35m3/s，测站参数式(2)和(3)便可得到渠道水流挟沙力结果，具体见表3。

表3 水流挟沙力计算结果

由于所选取的测站输沙渠口、上下段分界处下界中部，代表性，所计算的测站水流挟沙力和流量的关系也能较为真实的体现出输沙渠不同渠段实际输沙特性，输沙渠沿程挟沙能力，设计条件下泥沙匀速输送。公路桥站-崇仁渡槽站河段因设计底宽大、宽深比较大等原因，水流挟沙力明显比其余两个测站低。灌区运行以来的渠道淤积资料也表明，此两个测站间公路桥站-崇仁渡槽站河段更容易发生泥沙淤积。

4 结 论

综上所述，宝水渠灌区通过长距离输沙设计思路的应用，成功实现了输沙渠内泥沙的高效率输送，对于类似规模灌区输水输沙设计具有借鉴参考价值。该灌区成功输沙设计分析了渠道淤积的可能的因素、渠道泥沙运行特性，通过干渠比降、断面形态、引水流量、渠道衬砌糙率设计等，提升渠道水流挟沙能力。