喀什噶爾河灌區阿瓦提干渠挾沙能力時空變化分析

多力坤·麥麥提

（喀什市水利局,新疆 喀什 844000）

0 引言

水流挾沙能力是渠道沖淤平衡狀態下單位水流挾泥帶沙的能力,也是水流挾沙運動特征及趨勢規律的真實反映。挾沙能力研究是灌溉渠道運行的重要研究內容,也是影響灌區順利發展的關鍵因素。現有研究成果均表明,灌溉渠道水流挾沙能力主要與渠道斷面設計、水流流速、泥沙顆粒級配、含沙量、渠床泥沙淤積等有關,且灌溉渠道水流挾沙能力和特性是渠道引水條件、邊界條件、區域水文水資源等綜合作用的結果。

1 灌區概況

喀什噶爾灌區位于塔里木盆地西緣,行政區劃包括7個縣市4個團場,灌區規劃灌溉面積25.33×104hm2,大多數水利工程均于20 世紀中葉修建,由于當時設計標準不高、工程配套性差、運行過程中設備老化、渠道滲漏嚴重、灌溉方式落后、管理水平落后,水資源開發利用效率不高,嚴重制約了灌區農業生產發展。喀什噶爾河灌區阿瓦提干渠全長40.964 km,設計流量35 m3/s～26 m3/s,干渠在長期運行過程中,逐漸表現出較大的滲漏損失,抗沖刷能力持續下降,淤積越來越嚴重,本次主要對樁號20+000～39+964 段進行沖淤防滲改建,在改建前必須全面分析干渠水流挾沙能力及渠道淤積影響因素。

2 研究方案

2.1 采樣點設置

根據喀什噶爾河灌區阿瓦提干渠實際情況,以泵站出水口、大蓋拉橋、小蓋拉橋、西伊橋、東泰橋、合地橋、長興橋、干渠末端為主要的斷面樣本取樣點,樁號分別為20+000、21+514、22+668、26+422、28+573、31+387、35+345、38+120。按照《河流懸移質泥沙測驗規范》的相關規定,在喀什噶爾河灌區阿瓦提干渠各斷面均設置三條垂線進行泥沙采樣,分別在各條垂線上水深1/5、3/5及4/5處設置取樣點[1],具體見圖1。按照灌區灌溉時間確定采樣時間和頻次,全年共灌溉4 次,故采樣時間也為4次,即3 月～4月春灌時第1次采樣,5 月～6 月夏灌一水期間第2 次采樣,6月～7月夏灌二水期間第3 次采樣,10月～11月秋灌期間第4次采樣。

圖1 各采樣斷面采樣點設置

2.2 干渠挾沙能力計算方法

挾沙能力通常指水流與泥沙綜合作用下,水流對懸移質中床砂質臨界含沙量裹挾夾帶的能力,考慮到喀什噶爾河灌區運行實際,在考慮中含沙量以及不同粒徑懸移質及比重對挾沙能力影響程度的基礎上,依據二維水流水體能量平衡要求[2],并結合實測資料率定后得到如下公式：

式中：S*為河道水流裹挾夾沙能力,kg/m3；SV為不同體積比所對應的含沙量,kg/m3；U為水流流量,m3/s；k為渾水卡門常數；γs為泥沙容重,kN/m3；γm為渾水容重,kN/m3；g為重力加速度,m/s2；h為實際水深,m；ws為渾水中懸移質泥沙沉降速度,m/s；D50為床沙中值粒徑,mm。

渾水中泥沙沉降速度ws和渾水卡門常數k通常按以下公式確定：

式中：wo為清水中泥沙沉降速度,m/s；d50為懸移質泥沙中值粒徑,mm；ko為清水卡門常數。

3 研究過程及結果

3.1 干渠挾沙能力沿程變化

根據實測2020年喀什噶爾河灌區實測數據及泥沙運動趨勢規律,可得出灌區阿瓦提干渠不同灌溉期內水流挾沙能力,具體見表1。

表1 2020年阿瓦提干渠不同灌溉期內水流挾沙能力

根據上表對阿瓦提干渠2020 年不同灌溉期內水流挾沙能力的計算結果可以看出,該干渠水流挾沙能力在2.02 kg/m3～2.41 kg/m3之間。為分析干渠水流挾沙能力時空變化情況,還應進行干渠沿程挾沙能力對比分析,具體見圖2。根據圖中所示不同灌溉期內阿瓦提干渠沿程挾沙能力變動趨勢可以看出,干渠年挾沙能力均值從泵站出水口后整體呈遞減趨勢,但是不同灌溉期內水流挾沙能力并無明顯的規律性可言,春灌和夏灌一水期內水流挾沙能力變動趨勢基本一致。主要原因在于春灌和夏灌一水灌溉期內流量均較小,且流量變化不大,泵站出水口-大蓋拉橋的干渠起始段以及合地橋-干渠末端的干渠結束段均因水流流量小而挾沙能力遞減；而大蓋拉橋-合地橋的干渠中間部位,因水流流量大,水流挾沙能力增大,也即,水流挾沙流速越大,挾沙能力越強,反之則反是。根據統計,泵站出水口、大蓋拉橋、小蓋拉橋、西伊橋、東泰橋、合地橋、長興橋、干渠末端等斷面實測底寬分別為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。

圖2 干渠沿程挾沙能力

根據表1 中對干渠不同灌溉期內水流挾沙能力的分析以及干渠沿程含沙量變動趨勢圖（圖3）可以看出,喀什噶爾河灌區阿瓦提干渠2020 年含沙量均值為1.26 kg/m3,春灌期間干渠含沙量較高,主要原因在于2020 年該干渠春灌期內輸沙率較大；其余灌溉期內含沙量沿程變化均不大,表明干渠基本達到沖淤平衡狀態。在夏灌溉二水期間因流量變化較大且各渠道斷面底寬存在差異,水流挾沙能力表現出較大的沿程變化,且因渠道底寬等原因的影響,泵站出水口-大蓋拉橋、小蓋拉橋-西伊橋、長興橋-干渠末端等渠段水流挾沙能力表現為遞減趨勢。秋灌期間,水流流量較大,最大流量達到43.6 m3/s,且該期間干渠水流挾沙能力整體呈沿程下降趨勢；由于渠道底寬變窄的原因,泵站出水口-大蓋拉橋渠段及合地橋-長興橋渠段水流挾沙能力上升；在渠道底寬增大的影響下,水流裹挾夾沙流速不斷減小,大蓋拉橋-合地橋渠段及長興橋-干渠末端段水流挾沙能力沿程遞減。

圖3 干渠沿程含沙量變動趨勢圖

3.2 干渠挾沙能力時間變化

根據圖4 對喀什噶爾河灌區阿瓦提干渠不同灌溉期內水流挾沙能力變化趨勢的分析可以看出,在渠道含沙量變動不大的情況下干渠水流挾沙能力隨流量的增大而呈增大趨勢；秋灌過程中水流流量持續增大,挾沙能力也隨之增大,增大的流量還能帶動較細床沙起動。

圖4 阿瓦提干渠灌溉期內水流挾沙力變化

3.3 干渠挾沙能力影響因素

3.3.1 流量

根據圖4 對阿瓦提干渠水流挾沙能力與流量的分析可以看出,兩者呈正相關關系,也即在其他水力條件不變的情況下,流量是影響干渠水流挾沙能力的主要因素；在豐枯水期等原因及喀什噶爾河灌區季節性需水的制約下,干渠引水流量及挾沙水流一般均在設計流量以下運行,進而引發渠道淤積；如遇河道淤積,則必將改變過水斷面阻力分布情形,進而使干渠綜合糙率增大,流速降低,單寬渠道輸沙率隨之減小,河道斷面水流裹挾夾沙能力也隨之下降。

3.3.2 來水含沙量

通過圖4 的分析可以看出,阿瓦提干渠春灌期間含沙量比干渠水流挾沙能力大,其余灌溉期間含沙量均小于干渠挾沙能力,充分說明春灌期間干渠存在較嚴重淤積；其余灌溉期間渠道則處于平衡或沖刷狀態。通過分析主要原因發現,春灌初期干渠流量較小,在干渠運行過程中流量持續增大,且在前期的防滲改建過程中進行了渠道水泥砼襯砌,渠底縱坡從1∶10000增大至1∶7000,干渠水流挾沙能力顯著提升,淤積明顯減少。根據圖4中阿瓦提干渠灌溉期內水流挾沙力變化可知,隨著水流流量的增大,干渠含沙量臨界值隨之增大,且干渠在含沙量臨界點處運行時干渠水流挾沙能力碎含沙量的增大而表現出增大趨勢。

3.3.3 泥沙中值粒徑

根據圖5 對阿瓦提干渠灌溉期內水流挾沙能力與泥沙顆粒中值粒徑的關系分析可知,懸移質泥沙中值粒徑和床沙中值粒徑均對干渠水流挾沙能力有一定程度的影響：懸移質泥沙中值粒徑與干渠水流挾沙能力正相關；床沙中值粒徑則與干渠水流挾沙能力負相關。

圖5 干渠灌溉期內水流挾沙能力與泥沙顆粒中值粒徑的關系

4 結論

綜上所述,喀什噶爾河灌區阿瓦提干渠水流挾沙能力主要受到干渠渠道床面寬、水流流量、含沙量及懸移質泥沙中值粒徑、灌溉期（即季節）等因素的影響。概述而言,干渠渠道床面寬、床沙中值粒徑與渠道水流挾沙能力呈反向變動關系；水流流量、懸移質泥沙中值粒徑與渠道水流挾沙能力正向變動；含沙量與水流挾沙能力的正向變動關系不明顯。在以上因素的綜合作用下,阿瓦提干渠在春灌、夏灌一水、夏灌二水、秋灌等不同灌溉期內挾沙能力呈現出明顯的增強趨勢。