揚(yáng)水灌區(qū)渠道泥沙沖淤時(shí)空分布特性及臨界條件

李超，于健，李偉帥，李全

?灌溉水源與輸配水系統(tǒng)?

揚(yáng)水灌區(qū)渠道泥沙沖淤時(shí)空分布特性及臨界條件

李超1，于健2*，李偉帥2，李全4

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特 010051；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)鐙口揚(yáng)水灌區(qū)管理局，內(nèi)蒙古 包頭 014040）

【】探究鐙口揚(yáng)水灌區(qū)總干渠泥沙淤積特性、影響因素及沖淤平衡的渠道邊界和臨界水力條件。對(duì)2010—2012年各灌水期總干渠不同監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行水力特性測(cè)試，分析泥沙顆粒級(jí)配、含沙量、泥沙來源、渠道沖淤時(shí)空特征。計(jì)算不同流量下各監(jiān)測(cè)斷面的水流挾沙力，對(duì)比現(xiàn)狀渠道和渠道整治后水流挾沙力與實(shí)測(cè)含沙量大小關(guān)系。①造成總干渠淤積的泥沙主要為粒徑大于75 μm的推移質(zhì)泥沙，泥沙來源包括水中懸移泥沙和停泵后淤積在取水口周圍泥沙。②泥沙淤積主要發(fā)生在總干渠上游泵站出水口-東富橋斷面之間，各灌水期中夏灌二水淤積最嚴(yán)重。③現(xiàn)狀渠道在流量小于30 m3/s時(shí)水流挾沙力明顯小于含沙量，導(dǎo)致總干渠整體處于淤積狀態(tài)。④增大渠道底坡坡降至1/7 000，結(jié)合渠道整治與襯砌，可以顯著提高水流挾沙力，總干渠多年平均含沙量下不淤臨界流量為24 m3/s。渠道沖淤平衡的臨界流量條件為24 m3/s，灌區(qū)可根據(jù)沖淤平衡矩陣來指導(dǎo)渠道的防淤管理。

灌區(qū)；泥沙；沖淤；挾沙力；臨界流量

0 引言

【研究意義】全國引黃灌區(qū)灌溉面積達(dá)733萬hm2，占全國灌溉面積的13.8%[1]。內(nèi)蒙古引黃灌區(qū)西起烏蘭布和沙漠東緣，東至呼和浩特市東郊，北界狼山、烏拉山、大青山，南倚鄂爾多斯臺(tái)地，總灌溉面積為92.3萬hm2，約占自治區(qū)總灌溉面積的1/3。內(nèi)蒙古引黃灌區(qū)既包括河套、黃河南岸等自流灌區(qū)，又包括孿井灘、鐙口、民族團(tuán)結(jié)及麻地壕等揚(yáng)水灌區(qū)。內(nèi)蒙古引黃灌區(qū)分布于黃河（內(nèi)蒙古段）中游段兩側(cè)，所在河道寬淺且逶迤曲折，平均比降僅為1/10 000，接近于河口比降；該區(qū)間有黃河（內(nèi)蒙古段）主要沙源“十大孔兌”和北岸支流溝，多年平均來沙量為1.32億t，占黃河總來沙量的68.6%[2]。由于該河段水流含沙量高，河道比降小、流速低，河道淤積及主流擺動(dòng)嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)河道淤積高度超過泵站或閘門取水口高程的情況，導(dǎo)致引水時(shí)大量河床淤積泥沙和懸移質(zhì)泥沙進(jìn)入灌區(qū)渠道[3]。尤其是揚(yáng)水灌區(qū)泵站進(jìn)水口高程低，加之進(jìn)水口前高流速、強(qiáng)紊動(dòng)作用，進(jìn)入灌區(qū)的泥沙顯著增加，導(dǎo)致渠道淤積嚴(yán)重，輸水能力和供水保證率顯著降低，灌區(qū)清淤費(fèi)用和管理難度增加，渠道泥沙淤積問題已成為制約引黃揚(yáng)水灌區(qū)正常運(yùn)行與效益發(fā)揮的瓶頸。

【研究進(jìn)展】針對(duì)引黃灌區(qū)渠道泥沙淤積問題，國內(nèi)學(xué)者根據(jù)不同灌區(qū)的來水來沙特性、渠道淤積影響因素及防淤措施等開展了大量的研究[4-7]。在水流挾沙力計(jì)算方法上，建立了基于不同理論的水流挾沙力計(jì)算公式[8-10]，由于各灌區(qū)來水來沙特性不同，在進(jìn)行渠道水流挾沙力計(jì)算時(shí)，往往需要根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)篩選出適合該灌區(qū)的挾沙力公式，并以此為基礎(chǔ)得出渠道沖淤平衡的臨界比降和來水來沙條件[11]。

【切入點(diǎn)】內(nèi)蒙古引黃灌區(qū)入渠懸移質(zhì)泥沙主要組成成分為粉粒[12]，且水流平均流速、懸移流速和起動(dòng)流速在不同流量下大小關(guān)系變化不定[13]，雖然根據(jù)起動(dòng)流速與實(shí)測(cè)流速可以確定渠道不淤流量，但由于河道來沙量與渠道引水量變化范圍大且隨機(jī)性強(qiáng)、渠道邊界條件復(fù)雜，無法建立統(tǒng)一的不同來水來沙情況下渠道不淤的來沙量與流量對(duì)應(yīng)關(guān)系[14]，更缺少水沙-管理-渠道相互聯(lián)動(dòng)耦合作用下的渠道防淤技術(shù)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以引黃揚(yáng)水灌區(qū)泥沙淤積嚴(yán)重的典型灌區(qū)—鐙口揚(yáng)水灌區(qū)總干渠為研究對(duì)象，通過分析入渠泥沙特性與時(shí)空分布特征，揭示渠道泥沙來源及沖淤變化規(guī)律，討論不同引水來沙條件下臨界的沖淤條件，繼而從水沙調(diào)控、運(yùn)行管理及渠道整治等方面提出防淤減沙技術(shù)措施。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古鐙口揚(yáng)水灌區(qū)地處土默川平原中心地帶，是黃河流域內(nèi)蒙古自治區(qū)西部最大的電力揚(yáng)水灌區(qū)，灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積7.73萬hm2（圖1）。灌水時(shí)間從3—11月，一般分為4個(gè)灌水期：春灌（3月下旬—4月中旬）、夏灌一水（5月下旬—6月上旬）、夏灌二水（6月下旬—7月中旬）和秋灌（10月—11月上旬）。

灌區(qū)引水泵站位于黃河（內(nèi)蒙古段）中下游位置，泵站設(shè)計(jì)提水流量為50 m3/s，該泵站為臨河式泵站，灌區(qū)總干渠全長18.05 km，設(shè)計(jì)底寬25 m，設(shè)計(jì)比降為1/10 000，內(nèi)邊坡系數(shù)為2.5，總干渠在14.24 km處有一武當(dāng)溝倒虹吸?？偢汕饕δ苁窍蛳掠蚊裆汕蛙S進(jìn)干渠輸水，同時(shí)總干渠與民生渠還承擔(dān)著灌區(qū)北部大青山多條山洪溝泄洪、哈素海二級(jí)灌域灌溉、生態(tài)補(bǔ)水及土默特右旗工業(yè)園區(qū)供水等任務(wù)。

圖1 鐙口揚(yáng)水灌區(qū)范圍及監(jiān)測(cè)斷面位置圖

1.2 監(jiān)測(cè)斷面布置及監(jiān)測(cè)內(nèi)容

從泵站取水口至總干渠末端共布置了8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)斷面位置見圖1。以泵站位置為0+000斷面，其余各斷面名稱及樁號(hào)如表1所示。

表1 觀測(cè)斷面名稱及樁號(hào)

監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括：泵站引水流量、監(jiān)測(cè)斷面流速、形狀及尺寸、含沙量、懸沙及床沙的顆粒級(jí)配、灌水期前后渠底高程及渠道形態(tài)，同時(shí)對(duì)灌水期前后總干渠泵站取水口附近黃河河道地形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析泵站取水口前河道沖淤變化。

1.3 監(jiān)測(cè)方法

根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB/T50159—2015）開展泥沙采樣和流速測(cè)量[15]。在各灌水期（春灌、夏灌一水、夏灌二水、秋灌）開展原型觀測(cè)和取樣工作，每次測(cè)量時(shí)待總干渠中流量及流態(tài)穩(wěn)定后，采用LowranceX4聲吶進(jìn)行水深測(cè)量，采用多普勒超聲波流速儀測(cè)量各斷面流速。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)3條垂線，測(cè)沙垂線與測(cè)速垂線重合，對(duì)每條垂線上表層、0.2、0.6、0.8（為水深）及底層水樣和床沙進(jìn)行采集，含沙量及泥沙顆粒級(jí)配在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水資源保護(hù)與利用實(shí)驗(yàn)室中檢測(cè)，采用烘干法進(jìn)行含沙量測(cè)定，采用馬爾文3000激光粒度分析儀對(duì)泥沙粒徑進(jìn)行測(cè)定。

1.4 水流挾沙力及輸沙能力計(jì)算方法

渠道的沖淤變化主要取決于渠道水流挾沙力與含沙量的大小關(guān)系，水流挾沙力計(jì)算方法主要包括：懸移質(zhì)制紊作用、能量平衡原理、概率統(tǒng)計(jì)、因次分析等[10]。不同方法的計(jì)算式雖結(jié)構(gòu)不同，但原理相差不大。文獻(xiàn)[1]中分別對(duì)武漢大學(xué)、黃河水利委員會(huì)、內(nèi)蒙古河套灌區(qū)和水利水電科學(xué)研究院等4家的水流挾沙力公式進(jìn)行了分析和討論，指出武漢大學(xué)水流挾沙力公式計(jì)算結(jié)果在0.05水平上與實(shí)測(cè)含沙量顯著相關(guān)，故本研究采用武漢大學(xué)水流挾沙力計(jì)算公式，計(jì)算式為：

式中：g為重力加速度（m/s2）；為參考粒徑（m）；s為泥沙容重（N/m3）；為水的容重（N/m3）；為水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)（m2/s）。

水體的輸沙能力可以用輸沙效率指標(biāo)來表示，定義單位水體累計(jì)沖淤量為理論輸沙效率指標(biāo)，其計(jì)算式為：

式中：Δ為累計(jì)的沖淤量（kg），正值代表淤積，負(fù)值代表沖刷；為總水量（m3）；為輸沙效率指標(biāo)（kg/m3），＜0時(shí)，絕對(duì)值越大表明沖刷效率越高，≥0時(shí)，絕對(duì)值越大表明淤積效率越高。

2 結(jié)果與分析

2.1 入渠泥沙總量及粒徑

圖2為2010—2012年鐙口揚(yáng)水灌區(qū)總干渠的引水量、來沙量和淤積量。受河道來沙、降雨、種植結(jié)構(gòu)及管理等因素影響，每年灌區(qū)的引水量與來沙量不同。從圖2可以看出，3 a的平均引水量為2.23億m3，平均來沙量為51.09萬t，平均淤積量為11.03萬t，淤積量占總來沙量的21.6%。其中，2012年的引水量最少，為1.86億m3，淤積量也僅為7.39萬t；2010年引水量為2.05億m3，淤積量卻達(dá)到了16.21萬t；2011年的引水量和來沙量都是3 a中最多的年份，但淤積量為9.48萬t?？梢钥闯銮烙俜e量不僅受來水來沙條件的影響，而且與渠道邊界條件、流量過程等因素有關(guān)，灌區(qū)渠道淤積過程是一個(gè)水流-泥沙-渠道-管理多因素耦合作用的復(fù)雜過程。

圖2 2010—2012年引水量、來沙量和淤積量

圖3為鐙口揚(yáng)水灌區(qū)總干渠懸移質(zhì)和推移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配曲線。由圖3可知，進(jìn)入總干渠的懸移質(zhì)泥沙中，粒徑小于75 μm的顆粒量占到總泥沙的84%，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）中的規(guī)定[16]，總干渠中的懸移質(zhì)泥沙為細(xì)粒類土；推移質(zhì)泥沙中粒徑大于75 μm的泥沙量占總泥沙量的64%，故推移質(zhì)泥沙為粗粒類土，且由于細(xì)粒量在15%～50%之間，屬于粉土質(zhì)砂。根據(jù)固定粒徑法劃分床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，粒徑小于62.5 μm時(shí)泥沙屬于沖瀉質(zhì)泥沙，該部分泥沙主要由上游向下游輸送，一般不參與河道的造床作用及河床演變[17]。因此，造成總干渠淤積泥沙主要為粒徑大于62.5μm的床沙質(zhì)。

圖3 懸移質(zhì)和推移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配曲線

2.2 總干渠沖淤時(shí)空分布特征及分析

圖4給出了2010—2012年各灌水期平均沖淤量占全年沖淤量比例（以下簡稱平均沖淤量占比）。由圖4可知，各灌水期中夏灌二水淤積最為嚴(yán)重，平均沖淤量占全年沖淤量的42.5%，其他各灌水期的平均沖淤量占比依次為春灌33.5%、秋灌20.1%、夏灌一水3.9%。通過對(duì)2010—2012年各灌水期36次（春灌8次、夏灌一水9次、夏灌二水9次、秋灌10次）泵站后池含沙量的測(cè)定，得到不同灌水期泵站后池的平均含沙量依次為春灌3.82 kg/m3、夏灌一水1.73 kg/m3、夏灌二水3.20 kg/m3、秋灌1.54 kg/m3，泵站出水口處多年平均含沙量為2.47 kg/m3。

圖4 2010—2012年各灌水期平均沖淤量占全年沖淤量比例

夏灌二水淤積嚴(yán)重的主要原因是夏灌二水引水含沙量較大，圖5給出了鐙口揚(yáng)水灌區(qū)泵站上游35 km處包頭水文站測(cè)定的2010—2012年黃河月平均含沙量。由圖5可知，夏灌二水引水的6月下旬—7月中旬正好與高含沙的夏汛期時(shí)間重合，導(dǎo)致引水含沙量大，進(jìn)入渠道泥沙總量多、淤積嚴(yán)重。同時(shí)，淤積較為嚴(yán)重的春灌期水流含沙量也明顯高于夏灌一水和秋灌。其原因主要包括2個(gè)方面：一方面，春灌引水期是黃河（內(nèi)蒙古段）河道的解凍期，受凍融和流量作用影響，堤岸崩塌現(xiàn)象嚴(yán)重，進(jìn)入河道泥沙量增加，導(dǎo)致4月黃河泥沙量顯著增加；另一方面，春灌開泵之前，黃河（內(nèi)蒙古段）經(jīng)歷了將近5個(gè)月（11月—次年3月）的冰封期，由于河冰的影響，導(dǎo)致河道內(nèi)水流流速顯著減小，水流挾沙力明顯減弱，造成原來懸浮在水中的泥沙發(fā)生淤積，河底高程明顯增加，甚至出現(xiàn)河底高程高于泵站進(jìn)水口高程的現(xiàn)象，開泵后泵站進(jìn)水口前的高流速、強(qiáng)紊動(dòng)水流作用將淤積在進(jìn)水口前的泥沙抽吸入渠道。圖6給出了2012年各灌水期開泵前、停泵后不同取水口前沖淤厚度變化，可以看出，各灌水期停泵后進(jìn)水口前淤積厚度均小于開泵前，表明灌水期內(nèi)水泵的動(dòng)力作用將淤積在泵站進(jìn)水口前泥沙抽入總干渠，導(dǎo)致取水口前河床淤積厚度降低，從而增加了進(jìn)入總干渠水流的含沙量。

圖5 2010—2012年包頭水文站斷面月平均含沙量

圖6 2012年各灌水期開泵前后泵前淤積厚度

圖7為2010—2012年總干渠沿程各斷面累計(jì)沖淤厚度?？梢钥闯龀撂驍嗝鏇_刷外，其他各個(gè)斷面均處于淤積狀態(tài)，其中淤積最為嚴(yán)重的斷面為總干渠上游的東富橋斷面，3 a總淤積厚度達(dá)到了3.1 m；其次淤積嚴(yán)重的斷面為距泵房600 m的泵站出水口斷面，3 a總淤積厚度為1.4 m；而渠道中下游的官地橋、土合氣橋、大巴拉蓋、五當(dāng)溝等斷面淤積厚度小于上游斷面，總干渠3 a平均淤積厚度為0.68 m。總干渠泥沙淤積時(shí)空特征表現(xiàn)為：總干渠整體處于淤積狀態(tài)，淤積嚴(yán)重的灌水期為夏灌二水和春灌，淤積主要發(fā)生在渠道上游段的泵站出水口-東富橋斷面之間。

圖7 2010—2012年總干渠各斷面累計(jì)沖淤厚度

2.3 水流挾沙力與沖淤分析

圖8給出了不同流量下沿程各監(jiān)測(cè)斷面的水流挾沙力計(jì)算結(jié)果。從圖8可以看出，總干渠沿程各斷面中，除伊泰橋斷面外，其余各斷面最大水流挾沙力均低于1.5 kg/m3，顯著低于出水口多年平均含沙量2.47 kg/m3，因此，這些斷面均處于淤積狀態(tài)。同時(shí)，越靠近渠道上游，泥沙顆粒越粗，水流含沙量越大，淤積情況也較下游渠道嚴(yán)重。在下游五當(dāng)溝斷面處，受倒虹吸水力條件影響，水流流速低，水流挾沙力最小，因此渠道下游該斷面淤積也最為嚴(yán)重。伊泰橋斷面在大流量時(shí)水流挾沙力顯著大于其他斷面，且當(dāng)流量大于30 m3/s時(shí)，水流挾沙力大于渠道多年平均含沙量，也就解釋了伊泰橋斷面發(fā)生沖刷的原因。

渠道淤積量與渠道的輸沙能力、來沙量、引水流量及總引水量相關(guān)。圖9給出了不同流量下現(xiàn)狀渠道水流流速、計(jì)算水流挾沙力和實(shí)測(cè)含沙量。由圖9可知，當(dāng)渠道內(nèi)流量小于30 m3/s時(shí)，水流挾沙力明顯小于渠道的含沙量。圖10給出了2010—2012年各灌水期日均引水流量，各灌水期的平均流量依次為18.49 m3/s（春灌）、18.53 m3/s（夏灌一水）、30.50 m3/s（夏灌二水）、32.82 m3/s（秋灌）。從圖10中可以看出，每年超過50%的引水時(shí)間渠道引水流量小于30 m3/s，渠道整體處于淤積狀態(tài)。同時(shí)，夏灌二水和秋灌的流量明顯高于春灌和夏灌一水，春灌與夏灌一水流量相近，但是春灌入渠含沙量明顯高于夏灌一水，故春灌渠道淤積量明顯大于夏灌一水；夏灌二水與秋灌引水流量相近，但夏灌二水入渠含沙量高于秋灌，故夏灌二水渠道淤積量大于秋灌；雖然春灌引水流量小，含沙量大，但是由于春灌引水時(shí)間短，總的引水量僅約為夏灌二水和秋灌的1/3，因此，春灌渠道淤積量小于夏灌二水，而高于秋灌的淤積量。整體分析后4個(gè)灌水期渠道淤積嚴(yán)重程度依次為夏灌二水＞春灌＞秋灌＞夏灌一水。

圖8 不同流量下各斷面水流挾沙力

圖9 各流量下現(xiàn)狀渠道流速、計(jì)算挾沙力與實(shí)測(cè)含沙量

圖10 2010—2012年各灌水期日均引水流量

2.4 渠道防淤臨界條件

通過總干渠含沙量、流量及挾沙力計(jì)算與分析，水流挾沙力小于含沙量是造成總干渠淤積的主要原因。根據(jù)水流挾沙力計(jì)算式可知，在來沙特性一定的情況下，影響水流挾沙力的主要因素為渠道斷面平均流速和水力半徑，增加渠道坡降和整治斷面可以提高斷面平均流速，降低水力半徑，從而增加渠道的水流挾沙力。

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50288—2018）渠道設(shè)計(jì)的平均流速宜控制在0.6～1.0 m/s[18]，干渠縱坡一般為1/10 000～1/5 000。而現(xiàn)狀渠道在流量低于30 m3/s時(shí)，流速均小于0.6 m/s。因此，綜合考慮地形、經(jīng)濟(jì)等因素將渠道底坡由原設(shè)計(jì)1/10 000增加至1/7 000，同時(shí)對(duì)渠道斷面進(jìn)行整治和混凝土襯砌，在流量大于12 m3/s時(shí)，保證渠道流速大于0.6 m/s。圖11給出了渠道底坡調(diào)整和斷面襯砌后不同流量下水流挾沙能力。從圖11可以看出，渠道底坡調(diào)整和斷面整治后水流挾沙力顯著提高。當(dāng)渠道流量為24 m3/s時(shí)，水流挾沙力達(dá)到了2.86 kg/m3，大于渠道多年平均含沙量（2.47 kg/m3），且流量大于24 m3/s時(shí)，水流挾沙力均大于實(shí)測(cè)含沙量。

圖11 各流量下渠道整治后流速、水流挾沙力與實(shí)測(cè)含沙量

圖12 2010—2012年輸沙效率指標(biāo)隨流量的變化過程

由于受降雨、上游來沙、區(qū)間來沙等因素影響，引水含沙量變化幅度較大，需根據(jù)不同的引水含沙量及各流量情況下水流挾沙力，確定在不同來水來沙條件下渠道沖淤關(guān)系的矩陣，從而指導(dǎo)灌區(qū)的運(yùn)行管理。表2給出了不同來水含沙量情況下渠道不沖不淤的臨界流量及沖刷關(guān)系。

表2 不同來水來沙條件下渠道沖淤關(guān)系矩陣

3 討論

鐙口揚(yáng)水灌區(qū)渠道淤積泥沙來源一部分為黃河河道引水的懸移質(zhì)泥沙和由于泵站抽吸作用吸入淤積在進(jìn)水口附近的床沙，而且淤積嚴(yán)重的夏灌二水和春灌正好與河道高含沙的夏汛期和解凍期相重合，導(dǎo)致引入干渠的水流含沙量顯著增加，明顯高于現(xiàn)狀渠道下水流挾沙力，這一點(diǎn)與前人研究[19]結(jié)果相同。因此，在來水來沙確定的情況下，提高渠道的水流挾沙力是解決渠道淤積的重要途徑。一方面可以通過增加渠道坡降和整治斷面形狀、糙率等工程措施來提高水流挾沙力；另一方面可以根據(jù)來沙條件調(diào)整渠道的引水流量來增加輸沙量。在本研究中將渠道的坡降由原來設(shè)計(jì)的1/10 000增加至1/7 000時(shí)，水流挾沙力顯著提供，在流量為24 m3/s時(shí)，水流挾沙力大于多年平均渠道引水含沙量。同時(shí)根據(jù)輸沙效率指標(biāo)的分析，渠道不發(fā)生淤積的臨界流量應(yīng)該大于23 m3/s。結(jié)合不同來水來沙條件，確定出渠道沖淤的關(guān)系矩陣，從管理措施上指導(dǎo)灌區(qū)運(yùn)行。

揚(yáng)水灌區(qū)是由河道-泵站-渠道-田間組成的一個(gè)綜合系統(tǒng)，本文僅從渠道輸沙方面提出防治淤積的工程和管理措施，具有一定的局限性和單一性。研究中應(yīng)該將整個(gè)灌區(qū)系統(tǒng)綜合考慮開展防淤的進(jìn)一步研究，今后將泵站進(jìn)口減沙、渠首沉沙、渠道輸沙及運(yùn)行管理綜合考慮，研究形成一套完整的揚(yáng)水灌區(qū)防沙減淤體系。同時(shí)，應(yīng)針對(duì)不同灌區(qū)的泥沙特性和水文條件開展系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究，進(jìn)一步優(yōu)化灌區(qū)水流挾沙力公式，為引黃揚(yáng)水灌區(qū)渠道泥沙淤積問題的防治提供技術(shù)依據(jù)。

4 結(jié)論

1）總干渠在2010—2012年整體處于淤積狀態(tài)，其中淤積較為嚴(yán)重的為渠道上游段泵站出水口-東富橋段。

2）各灌水期中淤積最為嚴(yán)重的是夏灌二水，其后依次為春灌、秋灌和夏灌一水。

3）增大渠道底坡至1/7 000和斷面襯砌后，水流挾沙力大幅度提升，并指出24 m3/s為渠道不沖不淤的臨界流量。

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Spatiotemporal Distribution and Critical Hydraulic Condition for Erosion-deposition of Sediment in Channels in Pumping Irrigation District

LI Chao1, YU Jian2*, LI Weishuai2, LI Quan3

(1. College of Water Resources and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China; 2. Water Resources Research Institute of Inner Mongolia, Hohhot 010020, China; 3. Inner Mongolia Autonomous Region Dengkou Pumping Irrigation District Administration, Baotou 014030, China)

【】The purpose of this paper is to study erosion-deposition of sediment, its influencing factors, as well as its critical hydraulic condition in channels in pumping irrigation districts.【】Hydraulic characteristics were tested at different sections during each irrigation even from 2010 to 2012 to analyze the gradation of sediment grains, concentration, source, as well as its spatiotemporal distribution. We calculated sediment carrying capacity at different discharge rates, which was used to determine the relationship between sediment carrying capacity and the measured sediment concentration under current situation and after the channels are improved.【】①Sediment deposition in the channels was mainly caused by the bed load with grain sizes >75μm, formed from the suspended load and sediment deposition around the intake after the pump was stopped. ②Sediment deposition appeared at the outlet of the station in the upstream channels at the Dongfuqiao section, and the second summer irrigation caused serious sedimentation. ③Sediment carrying capacity of the current channels under discharge rate less than 30 m3/s was lower than sediment concentration, leading to sediment deposition in the whole channels. ④Combined with channel improvement, increasing the bed slope to 1/7 000 can increase sediment carrying capacity significantly. The non-silting critical discharge rate is 24 m3/s for the main canal under the multi-year average sediment concentration. 【】The critical hydraulic flow for channels scouring and silting balance is 24 m3/s, and it can be used by the authority of irrigation districts for management.

irrigation district; sedimentation; erosion-deposition; sediment carrying capacity; critical discharge

S274.3

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021615

李超, 于健, 李偉帥, 等. 揚(yáng)水灌區(qū)渠道泥沙沖淤時(shí)空分布特性及臨界條件[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(4): 120-126.

LI Chao, YU Jian, LI Weishuai, et al. Spatiotemporal Distribution and Critical Hydraulic Condition for Erosion-deposition of Sediment in Channels in Pumping Irrigation District[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(4): 120-126.

1672 - 3317（2022）04 - 0120 - 07

2021-12-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51969025）；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2019MS05006）

李超（1983-），男。副教授，博士，主要從事泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail: nmndlc@imau.edu.cn

于?。?958-），男。教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事節(jié)水灌溉研究。E-mail: jianyu192005@sina.com

責(zé)任編輯：白芳芳