寶水渠灌區渠道輸水輸沙特性分析

舒偉鵬

(江西省修江水利電力勘察設計有限責任公司，南昌 330000)

1 灌區概況

寶水渠灌區位于崇仁縣，灌區地勢平緩，區內主要河道為崇仁河，灌區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。

該灌區引水含沙量受所在流域水文情勢影響較大[1]，灌區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，分別出現在2013年和2018年。灌區引水流量為中小流量，2012-2020年引水天數平均為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 灌區渠首站引水引沙年際變化情況

灌區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

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%。灌區自建成以來輸沙渠上段引水比例持續增大，2012年引水比為14%，2020年引水比增大至30%。輸沙渠下段長18.9km，根據主要觀測站逐年引水量觀測結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供水任務，2012-2020年累計引水量達到2.46×104m3。隨著灌區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。結合江西省水利廳相關研究，寶水渠灌區泥沙沉沙區淤積、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。

根據對寶水渠灌區2020年淤積物的取樣結果發現，灌區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0.05mm以上的粗顆粒質量分數96.5%，樁號40+250處泥沙淤積物內0.05mm以上的粗顆粒質量分數降至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

水流形態、動床阻力等河槽水力幾何形態，并與河道輸沙特性直接相關。寶水渠灌區渠道主要為梯形形式的設計渠道斷面，斷面形態，水力幾何特性穩定，寬、水深、、水力半徑等流量之間存在指數關系，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為渠道水力參數系數；βi渠道水力參數指數，流量連續定律

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

表2 灌區渠道水力幾何形態指標

3.2 渠道輸沙能力

寶水渠灌區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。寶水渠灌區來水含沙量來水來沙變化，河床沖淤調整十分迅速，灌區襯砌渠道公式為基于類似灌區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指標代入式(2)，灌區渠道公式：

(3)

結合寶水渠灌區設計報告中閘首處懸移質級配成果，5月份年平均級配成果與年均值較為接近，為此采用5月份年均懸移質級配成果，所對應的懸沙中值粒徑0.032mm，懸移質沉降速度均值為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，測站參數式(2)和(3)便可得到渠道水流挾沙力結果，具體見表3。

表3 水流挾沙力計算結果

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生泥沙淤積。

4 結 論

綜上所述，寶水渠灌區通過長距離輸沙設計思路的應用，成功實現了輸沙渠內泥沙的高效率輸送，對于類似規模灌區輸水輸沙設計具有借鑒參考價值。該灌區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、引水流量、渠道襯砌糙率設計等，提升渠道水流挾沙能力。