季節(jié)性因素對干渠攜沙能力的影響分析

哈 仙

（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

額爾齊斯河流域地區(qū)的農(nóng)作物因生長需要，常常需要引河中之水進(jìn)行灌溉農(nóng)田，種植農(nóng)作物等，但因為額爾齊斯河中泥沙含量較多等特性時常發(fā)生干渠泥沙沉積、堵塞，導(dǎo)致干渠的運水能力減弱十分嚴(yán)重，對整個引水灌溉工作造成較大的困擾，其中干渠中水流攜沙能力是額爾齊斯河泥沙研究中的重要對象，指的是在一定的水流泥沙條件下，河流處于不沖不淤的平衡狀態(tài)時，單位水體中所能攜帶的的懸移質(zhì)中床沙質(zhì)的數(shù)量的平均值，又稱為飽和含沙量或者臨界含沙量[1]，作為反映額爾齊斯河河床在沖淤平衡條件下對干渠水流攜沙能力的綜合考量指標(biāo)。

攜沙能力的研究是額爾齊斯河流域灌區(qū)事業(yè)發(fā)展的重要研究方向，國內(nèi)外關(guān)于攜沙能力的研究進(jìn)行了大量的工作。郝睿[2]建立了河流網(wǎng)上泥沙運動力學(xué)模型，能比較準(zhǔn)確對模擬自然河道的泥沙運動情況，具有一定的預(yù)測性和借鑒性。舒安平等[3]等探究黃河灌區(qū)干流渠道攜沙能力用于解決淤積問題，為實踐中水沙利用等提供了理論技術(shù)支撐。

額爾齊斯河水流的季節(jié)性變化，會出現(xiàn)枯水期和豐水期等，其中水流速度大小，水量等均發(fā)生改變勢必會對干渠的攜沙能力有不少的影響，但針對額爾齊斯河水流的季節(jié)性變化對干渠影響此方面的研究文獻(xiàn)鮮有出現(xiàn)，無法較為準(zhǔn)確地分析出不同時節(jié)下水中泥沙攜帶量，對灌區(qū)水的需求會出現(xiàn)一定的偏差，并且可能會發(fā)生泥沙淤積而不能及時處理，所以進(jìn)行季節(jié)性因素對干渠的攜沙能力分析急需進(jìn)行理論分析研究。

1 研究水域區(qū)概況

灌區(qū)干渠長53.6 km，處于額爾齊斯河流域中下游，氣候?qū)儆诟珊蛋敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，在每年10月到第二年5月期間季風(fēng)為西北風(fēng)，特點為多風(fēng)少雨。汛期為6月～9月，盛行東南風(fēng)，汛期平均降雨量為540 mm，占全年60%多，且多為雷陣雨或暴雨。地勢較為平坦，土質(zhì)疏松，總體地形由東向西傾斜。地下水類型根據(jù)埋藏條件不同可分為潛水、淺層承壓水及深層承壓水，其中該地區(qū)主要是以松散巖類孔隙水，并儲存在弱含水層中的粉土中。

2 試驗概況

2.1 主要試驗儀器

含沙量測驗使用橫式采樣器來進(jìn)行水樣的采取，其中橫式采樣器的性能參數(shù)見表1。其余試驗儀器包括流量計、烘箱、卷尺、水位計、電子秤等，見圖1。

表1 橫式采樣器的性能參數(shù)

圖1 主要試驗儀器

2.2 試驗方案

采樣斷面位置：本試驗選取中下游某灌區(qū)，選取區(qū)域的總長為5767 m，從渠首往渠尾方向選取了7個觀測斷面分別進(jìn)行標(biāo)記，依地勢高低分別為Ⅰ號至Ⅶ號斷面，除Ⅱ號至Ⅲ號斷面之間有彎道外，其余斷面連接均為直線段，前三個觀測斷面地勢較高、水面較寬、渠道較深，后四個觀測斷面地勢較低、水面較窄，渠道平緩，取樣斷面的位置圖見圖2。

圖2 取樣斷面位置

采樣時間：本研究中水樣采集時間選擇是春灌時期4月7日～4月13日以及夏灌時期8月2日～8月10日，主要是依據(jù)流域引灌灌區(qū)作物生長所需水量特點及水流情況考慮選取重要時期進(jìn)行分析得來。

斷面采樣點布設(shè)及檢測內(nèi)容：斷面形式是灌渠干渠梯形截面形式，沿著斷面梯形高度垂直布置取樣點（泥沙采集）。點1距水面0.2 H處，點2在渠道軸線0.6 H處；點3在渠道軸線0.8 H處，H為取樣期間水深高度。主要測定的內(nèi)容為所選取斷面的水流流速、水深、斷面的平均含沙量、懸沙與淤沙粒徑等。

3 試驗結(jié)果及攜沙能力分析

依據(jù)采取的數(shù)據(jù)進(jìn)行水流攜沙能力計算，采用式（1）[4]，所得不同兩個季節(jié)性時期春灌與夏灌各個斷面的攜沙能力結(jié)果見表2。

式中：S是水流攜沙能力，單位kg/m3；U是斷面平均流速，m/s；g是重力加速度，m/s2；在文中，K取為0.22，m取為0.76[5]。

表2 季節(jié)性時期春灌與夏灌斷面的攜沙能力情況

3.1 不同季節(jié)時期下攜沙力各斷面情況分析

不同季節(jié)時期下春灌和夏灌各個斷面的攜沙力見圖3，由圖3可知，春灌時期各個斷面的攜沙能力基本上沒有較大的變化，但是在夏灌期間的攜沙能力出現(xiàn)了較大的變化，特點是在斷面IV到斷面V這段區(qū)間內(nèi)；由表2和圖3可知，春灌時的攜沙力大小為0.4 kg/m3左右，夏灌時攜沙力大小為2.0 kg/m3左右。在相同斷面處，夏灌時期的攜沙能力均比春灌時期攜沙能力大很多。這說明在整個區(qū)間內(nèi)相同斷面處，夏灌時期對干渠中的攜沙能力影響更大，在對不同斷面發(fā)生變化時，夏灌時期中攜沙能力相應(yīng)更加明顯。從斷面IV斷面V沿程攜沙力突變增大情況，這可能是因為斷面V較斷面IV過水面積突變減小，致使在水流量變化較小情況下出現(xiàn)了斷面V處流速突然增加，進(jìn)而發(fā)生了攜沙能力突增。

圖3 不同季節(jié)時期下春灌和夏灌各個斷面的攜沙力

3.2 不同季節(jié)時期下水流量與攜沙力關(guān)系

由圖4可得，在不同季節(jié)時期下，夏灌流量比春灌時期水流量要大很多；另外不管是春灌時期或夏灌時期，隨著斷面處流量發(fā)生改變，其攜沙力大小隨之發(fā)生改變，并且趨勢相同，即春灌和夏灌時期干渠攜沙能力隨著干渠水流量的增加而增加，隨著水流量的減少而減少，且夏灌攜沙力隨著水流量變化的更加顯著。這說明在干渠灌溉期間，保持充足合理的水流量至關(guān)重要，避免出現(xiàn)當(dāng)水流量較小時，攜沙能力減弱明顯，致使泥沙發(fā)生淤積，堵塞干渠現(xiàn)象發(fā)生。

圖4 不同季節(jié)時期下水流量與攜沙力關(guān)系

3.3 不同季節(jié)時期下含沙量與攜沙力關(guān)系

不同季節(jié)時期下春灌和夏灌中含沙量與攜沙力關(guān)系圖見圖5，由表2和圖5可知，春灌時期干渠灌溉過程中，各個斷面的含沙量和攜沙力基本相等，甚至含沙量大于攜沙力，而夏灌時期干渠灌溉過程中，各個斷面的含沙量均遠(yuǎn)小于攜沙力，這說明春灌干渠內(nèi)處于淤積狀態(tài)而夏灌干渠內(nèi)處于沖刷或相對平衡狀態(tài)，這可能與不同季節(jié)性時期下水流量有關(guān)，水流量較小的情況下攜沙力較小，使得泥沙淤積，進(jìn)一步造成攜沙能力降低[6]。另外，水中含沙量與攜沙力呈正相關(guān)關(guān)系，即水流中含沙量增加而攜沙力增大，反之亦然。對于春灌時期，干渠容易堵塞淤積的現(xiàn)象，要及時的通渠，保證春灌時期的攜沙力。

圖5 不同季節(jié)時期下含沙量與攜沙力關(guān)系

4 總結(jié)

本文通過選取引水灌溉工程中農(nóng)作物用水的重要時期，分析不同季節(jié)性因素（春灌和夏灌兩個時期）下對干渠灌溉攜沙能力影響情況探究分析，分析不同時期斷面、水流量和含沙量與攜沙力關(guān)系，得到如下結(jié)論：

（1）在春灌時期中，各個斷面的攜沙能力基本上不發(fā)生改變，而夏灌時期中，斷面的攜沙能力變化較大，并且夏灌中攜沙能力要遠(yuǎn)大于春灌時期的攜沙能力。

（2）不同季節(jié)時期下，攜沙能力與水流量、來水含沙量等成正相關(guān)性，且夏灌中相關(guān)性變化更加明顯；另外季節(jié)性因素主要是影響水流量，從而水流量增加使得攜沙能力增大效果更加顯著。