季节性因素对干渠携沙能力的影响分析

哈 仙

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

额尔齐斯河流域地区的农作物因生长需要，常常需要引河中之水进行灌溉农田，种植农作物等，但因为额尔齐斯河中泥沙含量较多等特性时常发生干渠泥沙沉积、堵塞，导致干渠的运水能力减弱十分严重，对整个引水灌溉工作造成较大的困扰，其中干渠中水流携沙能力是额尔齐斯河泥沙研究中的重要对象，指的是在一定的水流泥沙条件下，河流处于不冲不淤的平衡状态时，单位水体中所能携带的的悬移质中床沙质的数量的平均值，又称为饱和含沙量或者临界含沙量[1]，作为反映额尔齐斯河河床在冲淤平衡条件下对干渠水流携沙能力的综合考量指标。

携沙能力的研究是额尔齐斯河流域灌区事业发展的重要研究方向，国内外关于携沙能力的研究进行了大量的工作。郝睿[2]建立了河流网上泥沙运动力学模型，能比较准确对模拟自然河道的泥沙运动情况，具有一定的预测性和借鉴性。舒安平等[3]等探究黄河灌区干流渠道携沙能力用于解决淤积问题，为实践中水沙利用等提供了理论技术支撑。

额尔齐斯河水流的季节性变化，会出现枯水期和丰水期等，其中水流速度大小，水量等均发生改变势必会对干渠的携沙能力有不少的影响，但针对额尔齐斯河水流的季节性变化对干渠影响此方面的研究文献鲜有出现，无法较为准确地分析出不同时节下水中泥沙携带量，对灌区水的需求会出现一定的偏差，并且可能会发生泥沙淤积而不能及时处理，所以进行季节性因素对干渠的携沙能力分析急需进行理论分析研究。

1 研究水域区概况

灌区干渠长53.6 km，处于额尔齐斯河流域中下游，气候属于干旱半干旱大陆性季风气候，在每年10月到第二年5月期间季风为西北风，特点为多风少雨。汛期为6月～9月，盛行东南风，汛期平均降雨量为540 mm，占全年60%多，且多为雷阵雨或暴雨。地势较为平坦，土质疏松，总体地形由东向西倾斜。地下水类型根据埋藏条件不同可分为潜水、浅层承压水及深层承压水，其中该地区主要是以松散岩类孔隙水，并储存在弱含水层中的粉土中。

2 试验概况

2.1 主要试验仪器

含沙量测验使用横式采样器来进行水样的采取，其中横式采样器的性能参数见表1。其余试验仪器包括流量计、烘箱、卷尺、水位计、电子秤等，见图1。

表1 横式采样器的性能参数

图1 主要试验仪器

2.2 试验方案

采样断面位置：本试验选取中下游某灌区，选取区域的总长为5767 m，从渠首往渠尾方向选取了7个观测断面分别进行标记，依地势高低分别为Ⅰ号至Ⅶ号断面，除Ⅱ号至Ⅲ号断面之间有弯道外，其余断面连接均为直线段，前三个观测断面地势较高、水面较宽、渠道较深，后四个观测断面地势较低、水面较窄，渠道平缓，取样断面的位置图见图2。

图2 取样断面位置

采样时间：本研究中水样采集时间选择是春灌时期4月7日～4月13日以及夏灌时期8月2日～8月10日，主要是依据流域引灌灌区作物生长所需水量特点及水流情况考虑选取重要时期进行分析得来。

断面采样点布设及检测内容：断面形式是灌渠干渠梯形截面形式，沿着断面梯形高度垂直布置取样点（泥沙采集）。点1距水面0.2 H处，点2在渠道轴线0.6 H处；点3在渠道轴线0.8 H处，H为取样期间水深高度。主要测定的内容为所选取断面的水流流速、水深、断面的平均含沙量、悬沙与淤沙粒径等。

3 试验结果及携沙能力分析

依据采取的数据进行水流携沙能力计算，采用式（1）[4]，所得不同两个季节性时期春灌与夏灌各个断面的携沙能力结果见表2。

式中：S是水流携沙能力，单位kg/m3；U是断面平均流速，m/s；g是重力加速度，m/s2；在文中，K取为0.22，m取为0.76[5]。

表2 季节性时期春灌与夏灌断面的携沙能力情况

3.1 不同季节时期下携沙力各断面情况分析

不同季节时期下春灌和夏灌各个断面的携沙力见图3，由图3可知，春灌时期各个断面的携沙能力基本上没有较大的变化，但是在夏灌期间的携沙能力出现了较大的变化，特点是在断面IV到断面V这段区间内；由表2和图3可知，春灌时的携沙力大小为0.4 kg/m3左右，夏灌时携沙力大小为2.0 kg/m3左右。在相同断面处，夏灌时期的携沙能力均比春灌时期携沙能力大很多。这说明在整个区间内相同断面处，夏灌时期对干渠中的携沙能力影响更大，在对不同断面发生变化时，夏灌时期中携沙能力相应更加明显。从断面IV断面V沿程携沙力突变增大情况，这可能是因为断面V较断面IV过水面积突变减小，致使在水流量变化较小情况下出现了断面V处流速突然增加，进而发生了携沙能力突增。

图3 不同季节时期下春灌和夏灌各个断面的携沙力

3.2 不同季节时期下水流量与携沙力关系

由图4可得，在不同季节时期下，夏灌流量比春灌时期水流量要大很多；另外不管是春灌时期或夏灌时期，随着断面处流量发生改变，其携沙力大小随之发生改变，并且趋势相同，即春灌和夏灌时期干渠携沙能力随着干渠水流量的增加而增加，随着水流量的减少而减少，且夏灌携沙力随着水流量变化的更加显著。这说明在干渠灌溉期间，保持充足合理的水流量至关重要，避免出现当水流量较小时，携沙能力减弱明显，致使泥沙发生淤积，堵塞干渠现象发生。

图4 不同季节时期下水流量与携沙力关系

3.3 不同季节时期下含沙量与携沙力关系

不同季节时期下春灌和夏灌中含沙量与携沙力关系图见图5，由表2和图5可知，春灌时期干渠灌溉过程中，各个断面的含沙量和携沙力基本相等，甚至含沙量大于携沙力，而夏灌时期干渠灌溉过程中，各个断面的含沙量均远小于携沙力，这说明春灌干渠内处于淤积状态而夏灌干渠内处于冲刷或相对平衡状态，这可能与不同季节性时期下水流量有关，水流量较小的情况下携沙力较小，使得泥沙淤积，进一步造成携沙能力降低[6]。另外，水中含沙量与携沙力呈正相关关系，即水流中含沙量增加而携沙力增大，反之亦然。对于春灌时期，干渠容易堵塞淤积的现象，要及时的通渠，保证春灌时期的携沙力。

图5 不同季节时期下含沙量与携沙力关系

4 总结

本文通过选取引水灌溉工程中农作物用水的重要时期，分析不同季节性因素（春灌和夏灌两个时期）下对干渠灌溉携沙能力影响情况探究分析，分析不同时期断面、水流量和含沙量与携沙力关系，得到如下结论：

（1）在春灌时期中，各个断面的携沙能力基本上不发生改变，而夏灌时期中，断面的携沙能力变化较大，并且夏灌中携沙能力要远大于春灌时期的携沙能力。

（2）不同季节时期下，携沙能力与水流量、来水含沙量等成正相关性，且夏灌中相关性变化更加明显；另外季节性因素主要是影响水流量，从而水流量增加使得携沙能力增大效果更加显著。