寶水渠灌區(qū)渠道輸水輸沙特性分析

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(江西省修江水利電力勘察設計有限責任公司，南昌 330000)

1 灌區(qū)概況

寶水渠灌區(qū)位于崇仁縣，灌區(qū)地勢平緩，區(qū)內(nèi)主要河道為崇仁河，灌區(qū)渠首攔河壩位于崇仁河主流上，壩址以上控制集雨面積為581.25km2，灌區(qū)設計灌溉面積39.00km2，實際灌溉面積23.33km2，設計引水流量及加大引水流量分別為60m3/s和85m3/s。

該灌區(qū)引水含沙量受所在流域水文情勢影響較大[1]，灌區(qū)渠首站引水引沙年際變化情況詳見圖1，由圖1可以看出，灌區(qū)年引水量均值將達到254×104m3，年引沙量均值達到65×104t，年引水含沙量質(zhì)量濃度均值達3.41kg/m3。引水量最大值和最小值相差約2.5倍。在上游水庫蓄水攔沙下，灌區(qū)年引沙量并不大，年引沙量均值僅為85×104t，年引沙量最大最小值分別為101×104t和24×104t，分別出現(xiàn)在2013年和2018年。灌區(qū)引水流量為中小流量，2012-2020年引水天數(shù)平均為118.4d，日引水流量最大值為71.5m3/s，最小值0.84m3/s。其中日引水流量均值在20m3/s以下的情況占比38.7%，日引水流量均值在20-40m3/s的情況占比42.8%，而日引水流量均值在40-60m3/s的情況僅占比15.4%。

圖1 灌區(qū)渠首站引水引沙年際變化情況

灌區(qū)干渠主要包括輸沙渠、沉沙池、輸水渠等部分，干渠全長為60.4km，其中輸沙渠、沉沙池、輸水渠長度分別為31.3km、2.61km和26.49km。輸沙渠襯砌形式包括全斷面和半斷面兩種，渠斷長分別為11.4km和19.9km；輸沙渠底寬12.0-18.0m，設計水深2.0m，加大水深2.25m，渠底比降1/4500-1/6200，邊坡1∶1.55，設計水流流速為1.00-1.21m/s。輸沙渠設計參數(shù)詳見表1所示。沉沙池與輸沙渠相連，底寬20-200m，呈梭形。輸水渠底寬12.1-16.5m，邊坡1∶2.5，設計水深1.5m。

表1 輸沙渠設計參數(shù)

2 渠道輸水輸沙特征

輸沙渠沉沙池段設測站，樁號0+041的渠首站、樁號20+965的王莊渡站、樁號48+230的公路橋站及樁號55+854的崇仁渡槽站，分四段進行渠首引水分布特征的觀測與研究。測站引水量結(jié)果見圖2，各渠段引水比年際變化見圖3。

圖2 主要觀測站逐年引水量觀測結(jié)果

圖3 各渠段引水比年際變化情況

2.1 引水特征

輸沙渠上段長度為12.4km，渠段大部分屬于全襯砌形式，2012-2020年輸沙渠上段引水量累計為5.10×104m3，在引水量總額中占比24.1%。灌區(qū)自建成以來輸沙渠上段引水比例持續(xù)增大，2012年引水比為14%，2020年引水比增大至30%。輸沙渠下段長18.9km，根據(jù)主要觀測站逐年引水量觀測結(jié)果以及各渠段引水比年際變化情況，下段引水量較大，2012-2020年引水量累計為9.41×104m3，在總引水量中占比41%，且年引水量與引水比均呈不斷減小趨勢。

沉沙池沿程引水渠較少，引水量也較小，2012-2020年引水量累計值僅為0.42×104m3，在引水總量中僅占比1.4%。下游輸水渠承擔著崇仁縣區(qū)供水任務，2012-2020年累計引水量達到2.46×104m3。隨著灌區(qū)工程的建成輸水渠引水比也逐漸增大。

2.2 泥沙淤積分布

寶水渠灌區(qū)距離輸沙集中沉沙，部泥沙輸沙渠道距離輸送至沉沙池集中處理；另外部分泥沙則借助輸沙渠支渠引渾水灌溉，通過引沙入田的方式達到分散處理[2]的目的。輸沙渠采用比降、距離輸沙技術，渠道輸沙能力提升，泥沙淤積量也不斷減少。結(jié)合江西省水利廳相關研究，寶水渠灌區(qū)泥沙沉沙區(qū)淤積、各級渠系及入田泥沙分別占45.4%、38.6%及13.2%，僅2.8%下泄排水系統(tǒng)。

根據(jù)對寶水渠灌區(qū)2020年淤積物的取樣結(jié)果發(fā)現(xiàn)，灌區(qū)部位泥沙顆粒組沿程細化，輸沙渠中間位置樁號28+250測點處泥沙淤積物內(nèi)0.05mm以上的粗顆粒質(zhì)量分數(shù)96.5%，樁號40+250處泥沙淤積物內(nèi)0.05mm以上的粗顆粒質(zhì)量分數(shù)降至84%。進入沉沙池后泥沙淤積物明顯變細。

3 渠道特性

3.1 河槽水力幾何形態(tài)

水流形態(tài)、動床阻力等河槽水力幾何形態(tài)，并與河道輸沙特性直接相關。寶水渠灌區(qū)渠道主要為梯形形式的設計渠道斷面，斷面形態(tài)，水力幾何特性穩(wěn)定，寬、水深、、水力半徑等流量之間存在指數(shù)關系，表示如下：

(1)

式中：B為河寬，m；h為水深，m；v為流速，m/s；R為水力半徑，m；αi為渠道水力參數(shù)系數(shù)；βi渠道水力參數(shù)指數(shù)，流量連續(xù)定律

將所收集到的寶水渠灌區(qū)2012-2020干渠實測資料進行線性擬合便可得到灌區(qū)渠道水力幾何形態(tài)指標，結(jié)果見表2。灌區(qū)渠道屬于襯砌斷面，河岸具備較強的抗沖性能，幾何形態(tài)也較為穩(wěn)定。

表2 灌區(qū)渠道水力幾何形態(tài)指標

3.2 渠道輸沙能力

寶水渠灌區(qū)輸沙能力主要與渠道水力邊界條件及來水來沙情況相關，水流挾沙力參數(shù)。寶水渠灌區(qū)來水含沙量來水來沙變化，河床沖淤調(diào)整十分迅速，灌區(qū)襯砌渠道公式為基于類似灌區(qū)輸沙渠襯砌渠道原型觀測資料所建立的水流挾沙力公式，能較好的反映高含沙水流多來多排的輸沙特性。灌區(qū)襯砌渠道輸沙能力計算公式如下：

(2)

式中：S*為水流挾沙力；U為灌區(qū)渠道流速均值，m/s；R為水力半徑，m；ω為泥沙顆粒沉降速度均值，m/s。

將斷面水力幾何公式形態(tài)指標代入式(2)，灌區(qū)渠道公式：

(3)

結(jié)合寶水渠灌區(qū)設計報告中閘首處懸移質(zhì)級配成果，5月份年平均級配成果與年均值較為接近，為此采用5月份年均懸移質(zhì)級配成果，所對應的懸沙中值粒徑0.032mm，懸移質(zhì)沉降速度均值為2.10×10-3m/s。渠首、王莊渡、公路橋、崇仁渡槽等測站設計流量40m3/s、38m3/s、36m3/s和35m3/s，測站參數(shù)式(2)和(3)便可得到渠道水流挾沙力結(jié)果，具體見表3。

表3 水流挾沙力計算結(jié)果

由于所選取的測站輸沙渠口、上下段分界處下界中部，代表性，所計算的測站水流挾沙力和流量的關系也能較為真實的體現(xiàn)出輸沙渠不同渠段實際輸沙特性，輸沙渠沿程挾沙能力，設計條件下泥沙勻速輸送。公路橋站-崇仁渡槽站河段因設計底寬大、寬深比較大等原因，水流挾沙力明顯比其余兩個測站低。灌區(qū)運行以來的渠道淤積資料也表明，此兩個測站間公路橋站-崇仁渡槽站河段更容易發(fā)生泥沙淤積。

4 結(jié) 論

綜上所述，寶水渠灌區(qū)通過長距離輸沙設計思路的應用，成功實現(xiàn)了輸沙渠內(nèi)泥沙的高效率輸送，對于類似規(guī)模灌區(qū)輸水輸沙設計具有借鑒參考價值。該灌區(qū)成功輸沙設計分析了渠道淤積的可能的因素、渠道泥沙運行特性，通過干渠比降、斷面形態(tài)、引水流量、渠道襯砌糙率設計等，提升渠道水流挾沙能力。