昌马总干渠首引水枢纽排沙调度方式研究

赵 东

（甘肃省疏勒河流域水资源局昌马灌区管理处,甘肃 玉门 735211）

1 引言

渠道泥沙淤积问题一直是困扰灌区正常运行的主要问题,特别是作为疏勒河灌区输水心脏的昌马总干渠,为保证灌区的灌溉流量、沿线工况企业的用水及下游18 座梯级电站效益的正常发挥,昌马总干渠,每年需从疏勒河引水1466 m3/s,以解决区域内的灌溉用水问题。但是,由于疏勒河岸边自然条件限制,植被覆盖率低,水土流失严重,造成大量的泥沙进入河流,形成高含沙量河流,一到汛期便有大量的泥沙涌入昌马总干渠,造成干渠淤堵,衬砌磨损等相关问题,从而致使干渠输水效率大大降低,严重影响总干渠控制区域内的灌区、工况企业及梯级电站效益发挥。昌马灌区现有排砂设施3 处,分别为总干渠渠首排砂闸,总干渠下游桩号0+050 处排砂渠与新、旧总干渠交汇处设置的沉砂池及排砂渠,虽然有了相应的排砂设施,但是据统计与观测,每年仍有15000 m3的推移质泥沙进入总干渠渠首,导致枢纽水力排砂不畅,冲砂效果差,淤堵严重,疏勒河管理局每年需耗费大量的人力、物力对枢纽进行维护,造成了资金的浪费[1-6]。因此,如何利用现有枢纽进行科学调度,合理冲砂,充分发挥昌马总干渠枢纽的工程作用迫在眉睫。

本文从渠首枢纽引水调度方式研究出发,以总干渠首进水闸、冲沙闸和农业进水闸为泥沙重点监测研究区域,对渠首不同时段泥沙淤泥规律、排沙与不排沙工况下泥沙的入渠条件及渠首枢纽不同调度方式下,渠首的排沙量进行定量分析,最终得出不同调度方式对渠首排沙量的影响规律。

图1 昌马总干渠渠首淤积现状

2 试验

本研究以总干渠渠首进水闸、冲沙闸前和农业进水闸后作为泥沙入渠监测的重点区域,建立28 处监测点,以旬为单位对泥沙停水期与行水期,泥沙入渠规律及淤积情况进行监测。

2.1 停水期泥沙入渠监测

停水期泥沙入渠监测的方法主要通过水准测量方法,按序号标定各个监测点,随后测出泥沙淤积泥面高程H1,同原有渠底高程H2进行对比,得出渠道的淤积深度H；同时,结合渠首宽度B,淤泥长度L及淤积厚度H,计算出渠首淤积量V,主要计算见式（1）、式（2）。

式中：H1为淤积泥面高程, m；H2为渠底高程, m；H为淤积厚度, m；L为淤积长度, m；B为渠首宽度, m。

2.2 行水期泥沙入渠监测

行水期采用自制代刻度的测杆反复测定各监测点泥沙的淤积厚度H,验算出泥沙淤积量V1,取得了排沙前后各监测点的淤积量V2,计算出不同时段泥沙排出量V3。行水期昌马总干渠渠首淤积测量见图2。

图2 行水期昌马总干渠渠首淤积测量

3 调度方式优化流程

根据监测试验结果,优化后渠首调度方式为春灌前、夏修前、秋修前及冬灌后农业进水闸关闭,而冲沙闸及泄洪闸同步开启,具体调度方式流程图见图3。

图3 优化后调度方式流程图

4 试验结果分析

4.1 优化调度方式前后入渠泥沙影响分析

根据监测点数据,2015 年在未优化渠首调度方式前,昌马总干渠和昌马东干渠发生严重淤积,造成东干渠下游停灌,昌马灌区总干渠闸后淤积量达3.47 万m3,而2016 年度,根据上述调度方式,年度共排沙4 次,总排沙量11.76 万m3,闸后淤积量仅有1481.02 m3,同时,采用该种调度方式2017 年~2019 年持续运行后,淤积量逐年减小。2019 年总干渠闸后淤积量仅为62.25 m3,相比未优化调度方式前减少34628.69 m3,且淤积时段仅存在于洪水期,因此,渠首采用春灌前、夏修前、秋修前以及冬灌结束前集中排沙,并在农业进水闸运行期间利用冲沙闸不定期排除进水闸前泥沙的调度方式,可有效缓解泥沙入渠,避免下游干支渠泥沙淤塞情况的发生,其中调度方式优化后,2015 年~2019 年,逐月泥沙淤积监测量见表1,2015 年~2019 年逐年泥沙总量减少柱状趋势图,见图4。

图4 2014年~2019调度方式优化前后总干渠闸后逐年淤积对比柱状图

4.2 渠首不同时段泥沙淤积规律分析

图5 为2015 年~2019 年昌马灌区渠首闸后逐月淤积规律监测分布图,可以看出淤积分为三个阶段。第一阶段：为2 月10 日~6 月10 日非汛期闸后逐月泥沙淤积量普遍偏少,这是因为非汛期昌马灌区总干渠渠首用水来源主要来自于昌源电站后尾水,水流中泥沙含量少,通过开启二次排沙道小流量排沙,进水闸后淤积呈平稳态势；第二阶段：从6 月20 日~9 月10 日汛期上游河道泄洪50 m3~300 m3,大部分河源来水通过河道下泄到进水闸前,水流中泥沙含量大,进水闸后淤积呈急剧上升态势,且入渠水流浑浊,河道中汛期水流流速大,有部分悬移质泥沙入渠,造成闸前淤积量急剧增加；第三阶段：9月10日~11月8日,河源来水55 m3全部被灌区引用,二次排沙道停止排沙,农业进水闸后淤积量上升,下游渠道水质恢复清澈,基本无泥沙入渠,从上述分析可以看出,渠首泥沙淤积呈现出汛期多,非汛期少的淤积规律。

图5 2015年昌马渠首进水闸后泥沙逐月淤积规律图

从上述分析可以看出,汛期通过冲沙闸、泄洪闸的不定期排沙,虽然不能彻底杜绝泥沙入渠,但大部分推移质泥沙经由冲沙闸和泄洪闸排除,少量推移质入渠后经二次排沙道排入河道,排沙效果明显。非汛期通过二次排沙道持续排沙,使渠首农业进水闸后淤积稳定在一个较低水平,可以有效防止泥沙入渠,排沙效果明显。

4.3 排沙消耗水量及经济效益分析

经过对渠首流量及水量统计,昌马灌区枢纽各水闸引水量统计见图6。在昌马总干渠首来水量7.1 亿m3,其中：农业进水闸引进水量6.26 亿m3,占来水量的88.2%；冲沙闸及泄洪闸排泄水量0.84 亿m3,占来水量的11.8%；二次排沙道及第一排沙道排沙用水0.22 亿m3,占农业进水闸引进水量的3.5%。

图6 昌马灌区渠首各部位用水量图（单位：亿m3）

上述统计数据标明,在水库不泄洪的情况下,用于渠首排沙的水量约为1.06 亿m3,其中：冲沙闸及泄洪闸大部分水量为春灌前、夏修前、秋修前及冬灌前集中排沙用水。真正在灌溉运行期排水的只有二次排沙道及第一排沙道用水2200 万m3,占农业进水闸引进水量的3.5%。扣除渠系斗口利用率67.1%,换算成斗口水量为1476.2 m3,按水价0.111 元计算,损失为水费163.85 万元,而在未进行调度方式运行调整之前,每年清淤量为3.47 万m3,1 m3淤积按照100 元计算,清淤费用为347.0 万元,由此可以看出,调整调度方式相比不调整调度方式,每年可以节约183.15 万元,经济效益显著提高。

5 结论

本文从渠首枢纽引水调度方式研究出发,以总干渠首进水闸、冲沙闸和农业进水闸为泥沙重点监测研究区域,对渠首不同时段泥沙淤泥规律、排沙与不排沙工况下泥沙的入渠条件及渠首枢纽不同调度方式下,渠首的排沙量进行定量分析,最终得出不同调度方式对渠首排沙量的影响规律。

（1）渠首泥沙淤积呈现出汛期多,非汛期少的淤积规律。

（2）渠首采用春灌前、夏修前、秋修前以及冬灌结束前集中排沙,并在农业进水闸运行期间利用冲沙闸不定期排除进水闸前泥沙的调度方式,可有效缓解泥沙入渠,避免下游干支渠泥沙淤塞情况的发生。

（3）在灌溉运行期排水的只有二次排沙道及第一排沙道用水2200万m3,换算成斗口水量为1476.2 m3,按水价0.111元计算,损失为水费163.85 万元,而在未进行调度方式运行调整之前,每年清淤量为3.47 万m3,1 m3淤积按照100 元计算,清淤费用为347.0 万元,由此可以看出,调整调度方式相比不调整调度方式,每年可以节约183.15 万元,经济效益显著提高。