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【摘 要】 对泾惠渠灌区泥沙淤积问题进行分析讨论，并对灌区运行现状作出评价。基于泾惠渠灌区2013年夏灌期实测资料，结合灌区多年实际运行情况，分析灌区渠系挟沙水流悬移质泥沙运动输移特征，对个别渠段上泥沙淤积的成因进行了分析，并初步提出了排沙减淤的建议。
【关键词】 泾惠渠灌区；泥沙；悬移质；淤积
引言：
泾惠渠灌区引用天然河道来水做为灌溉水源，泾河属于雨式河流，夏季大流量伴随高含沙，水沙具有不可分割的属性，灌溉可以利用的水量有限，高含沙引水抗旱，给灌区渠道造成淤积，所以泥沙问题对于灌区的运行就不可回避。关于灌区泥沙问题，已经进行过大量研究，包括灌区泥沙运动输移规律、泥沙长距离输送、水沙资源优化配置等等内容[1]，对于灌区运行管理是极富启示和指导意义的。本文就针对泾惠渠灌区的泥沙问题做一些探讨。泾惠渠灌区位于陕西省八百里秦川腹地，北靠黄土台塬，西、南、东三面有泾河、渭河、石川河環绕，灌区东西长约70km，南北宽约20km，总面积1180km2，是一个由泾河自流引水、灌排结合、渠井双灌，以农业灌溉为主的大型灌区。泾惠渠灌区渠系分布如图1所示。为了解灌区不同渠段的冲淤情况，以及探究灌区渠系悬移质泥沙的输移特征，于2013年夏灌期间，在具有代表性的总干——南干——南一干——南一干——五支渠——五支11斗线路上进行了取样、测流工作。本文将基于2013年灌期内的实测资料以及泾惠渠多年运行情况，对泾惠渠灌区泥沙淤积问题进行分析讨论，分析个别渠段上泥沙淤积产生的原因，对灌区运行现状作出客观评价的同时，为后期拟建排沙减淤工程提出初步的建议意见。
1 灌区悬移质输移特征
1.1夏灌期间来沙特性
泾惠渠灌区在冬春灌期间基本为引清水灌溉，因此灌区渠道中的泥沙淤积主要是夏灌期间形成的。夏灌期间来水含沙量较大，张家山水库渠首处实测悬移质含沙量大于50kg/m3，悬移质泥沙颗粒较细，实测粒径范围为0.0005～0.045mm。下图2中总干渠渠首悬沙级配曲线为2013年7月13日取样实测结果。另外，就整个灌区渠道渠底床沙取样实测结果看，床沙中值粒径由上游至下游基本呈逐渐减小的规律，但是个别渠段除外，究其原因是局部渠段发生冲刷，使床沙粗化。
1.2灌区泥沙输移特征
取样结果显示，挟沙水流悬移质沿垂线分布基本上是符合Rouse分布[2，3]的，悬沙含沙量垂线分布十分之均匀，悬浮指标值很小。不同渠系值范围大小不同，基本上沿着干—支—斗渠呈增大趋势。根据取样测量结果，分析总干-南干-南一干-南一干五支渠-五支11斗线路上挟沙水流沿程含沙量及级配变化情况，下表1为浑水取样实测结果。为了反映各渠段泥沙含沙量变化调整情况，表中计算了全沙及各粒径组泥沙的沿程调整变化率，用表征。
分析表1，不同粒径组泥沙的输移特征不同，能够得出渠系各粒径组悬沙的平衡含沙量随泥沙粒径的增大而减小的普遍结论。可以发现一定粒径范围内的粗沙基本上与全沙具有相同的冲淤规律，即粗沙对于冲淤的表现是敏感的。根据沿程含沙量及悬沙级配变化调整情况，造成渠段淤积的关键是粗沙。由于灌区夏秋灌期来沙很细，这里所说的粗沙的粒径也不是很大，这部分泥沙将会是灌区泥沙问题处理的重点所在，也将是难点所在。
2 泥沙淤积成因
根据实测资料及灌区多年运行情况对灌区渠道泥沙淤积的成因进行分析，近年来灌区的实际引水流量基本为设计流量的50%，甚至低于设计流量的50%条件下引水运行，这就导致灌区渠道以设计流量进行不冲不淤设计的参数不再适合灌区的实际运行，因此，有必要针对渠道的断面形态、渠道比降等进行校核，分析泥沙淤积的成因。
灌区渠道断面参数的设计是基于设计流量进行的，但是由于近年实引流量远小于设计值，就导致不同渠系内实际流量小于设计流量，渠道的断面参数偏离最优值。最直接的体现是渠道断面偏大，底宽偏大，导致相同流量下湿周增大，过流流速降低，从而输沙能力减弱。
文中试图采用文献[4]中渠道冲淤平衡比降公式对各渠段比降进行校核，但是注意到此公式在推导过程中，挟沙能力方程采用的是，另外渠道断面形态关系为，并不具有普遍适用性。张小帅等在相关文献中对适合泾惠渠灌区渠道的冲淤平衡比降公式进行了重新推求。其中，挟沙能力采用张瑞瑾[5]悬移质挟沙能力公式。通过率定渠道水力几何形态关系，以及与的值，最终得到适合泾惠渠灌区的渠道冲淤平衡比降计算公式如下：
应用此公式对泾惠渠各渠道比降进行计算校核，在设计流量下的计算结果表明，除总干渠及南干渠外，各渠段实际比降均偏小。容易看出，由于灌区往往在小于设计流量条件下引水灌溉，实际比降偏小于冲淤平衡比降值得程度更大。
泾惠渠灌区渠道干渠基本为梯形渠道，支渠为弧底梯形断面。泾惠渠渠道底宽较小，因此渠道边坡对输沙能力的影响就较为敏感。小底宽渠道的边坡系数最好接近1.0而大于1.5[6]。文献[6]中导出的直线断面形状最佳输沙边坡方程，根据方程所绘制的不同流量和底宽对应的最佳边坡系数图对泾惠渠各渠道边坡系数进行校核，结果显示，总干渠及南干渠边坡系数偏大，南一干渠段边坡系数稍显偏小，各渠段均偏离最佳值。
另外，从运行条件上分析引起灌区泥沙淤积的原因，除了实引流量小于设计流量外，灌区经多年运行，部分渠段上衬砌老化，冻胀破坏使得衬砌板滑落，导致断面形态发生了改变。同时，多年运行也导致渠道糙率及比降变化影响渠道输沙能力。另外，在灌区引水时存在局部壅水现象，都势必造成渠道泥沙淤积。
3 排沙工程建议
为了有效解决泾惠渠灌区渠道中的泥沙淤积问题，拟修建排沙工程。经过上文的分析，造成灌区渠道泥沙淤积的泥沙主要为粒径大于0.02mm的泥沙，因此，排沙减淤的关键是对这一部分的泥沙进行有效拦截控制。
由于总干渠基本上是冲淤平衡的，南干渠上淤积轻微，南干渠作为总干渠后最大一个分支，其设计流量23.5m3/s，加大流量为27m3/s，由于流量较大，如果泥沙能够得到集中控制和处理，就能够有效控制下游渠系的引水引沙条件。另外，南干尾有一条大型泄水渠，可以作为排沙减淤工程的排沙渠，来水悬沙中容易造成下游渠系淤积的粗沙可以通过排沙渠直接泄入泾河。因此，南干渠尾磨子桥闸上游的永乐泄水渠闸口附近作为排沙减淤工程的建设位置。
初步地，建议在南干渠尾修建沉沙池，由于悬移质泥沙较细，即使作为害沙处理的泥沙，下限粒径也仅为0.02mm，如此细颗粒的泥沙是不容易落淤的，即使使其有效落淤，后期的处理仍然存在一系列技术难题。
4 结论
本文主要以实测资料为基础，对泾惠渠灌区泥沙淤积问题进行了分析讨论，从多个方面分析了渠道泥沙淤积的成因，并对灌区运行情况作出客观的评价，泾惠渠拟建排沙工程的建设位置确定在南干渠尾磨子桥闸上游永乐泄水渠闸口附近，初步地建议采用修建沉沙池来有效拦截造成下游渠道淤积的粗沙，这样就改变了下游渠系的引水引沙条件，从而有效地解决灌区渠道中的泥沙淤积问题。
参考文献：
[1]曹文洪，戴清，方春明等著.引黄灌区水沙配置理论与关键技术研究[M].北京：中国水利水电出版社，2008.
[2]钱宁，万兆惠.泥沙运动力学[M].北京：科学出版社，1983.
[3]韩其为，陈绪坚，薛晓春.不平衡输沙含沙量垂线分布研究[J].水科学进展，2010，21（04）：512-523.
[4]林超然.潘庄引黄灌区设计中泥沙处理的几个问题[J].人民黄河，1981，06：41-44.
[5]张瑞瑾，谢鉴衡，陈文彪.河流动力学[M].武汉大学出版社，2007.
[6]王延贵，李希霞，王冰伟.典型引黄灌区泥沙运动及泥沙淤积成因[J].水利学报，1997，07：13-18+36.
作者简介：田智（1972-），男，陕西三原人，工程师，主要从事灌区灌溉管理、水量调度工作。
【关键词】 泾惠渠灌区；泥沙；悬移质；淤积
引言：
泾惠渠灌区引用天然河道来水做为灌溉水源，泾河属于雨式河流，夏季大流量伴随高含沙，水沙具有不可分割的属性，灌溉可以利用的水量有限，高含沙引水抗旱，给灌区渠道造成淤积，所以泥沙问题对于灌区的运行就不可回避。关于灌区泥沙问题，已经进行过大量研究，包括灌区泥沙运动输移规律、泥沙长距离输送、水沙资源优化配置等等内容[1]，对于灌区运行管理是极富启示和指导意义的。本文就针对泾惠渠灌区的泥沙问题做一些探讨。泾惠渠灌区位于陕西省八百里秦川腹地，北靠黄土台塬，西、南、东三面有泾河、渭河、石川河環绕，灌区东西长约70km，南北宽约20km，总面积1180km2，是一个由泾河自流引水、灌排结合、渠井双灌，以农业灌溉为主的大型灌区。泾惠渠灌区渠系分布如图1所示。为了解灌区不同渠段的冲淤情况，以及探究灌区渠系悬移质泥沙的输移特征，于2013年夏灌期间，在具有代表性的总干——南干——南一干——南一干——五支渠——五支11斗线路上进行了取样、测流工作。本文将基于2013年灌期内的实测资料以及泾惠渠多年运行情况，对泾惠渠灌区泥沙淤积问题进行分析讨论，分析个别渠段上泥沙淤积产生的原因，对灌区运行现状作出客观评价的同时，为后期拟建排沙减淤工程提出初步的建议意见。
1 灌区悬移质输移特征
1.1夏灌期间来沙特性
泾惠渠灌区在冬春灌期间基本为引清水灌溉，因此灌区渠道中的泥沙淤积主要是夏灌期间形成的。夏灌期间来水含沙量较大，张家山水库渠首处实测悬移质含沙量大于50kg/m3，悬移质泥沙颗粒较细，实测粒径范围为0.0005～0.045mm。下图2中总干渠渠首悬沙级配曲线为2013年7月13日取样实测结果。另外，就整个灌区渠道渠底床沙取样实测结果看，床沙中值粒径由上游至下游基本呈逐渐减小的规律，但是个别渠段除外，究其原因是局部渠段发生冲刷，使床沙粗化。
1.2灌区泥沙输移特征
取样结果显示，挟沙水流悬移质沿垂线分布基本上是符合Rouse分布[2，3]的，悬沙含沙量垂线分布十分之均匀，悬浮指标值很小。不同渠系值范围大小不同，基本上沿着干—支—斗渠呈增大趋势。根据取样测量结果，分析总干-南干-南一干-南一干五支渠-五支11斗线路上挟沙水流沿程含沙量及级配变化情况，下表1为浑水取样实测结果。为了反映各渠段泥沙含沙量变化调整情况，表中计算了全沙及各粒径组泥沙的沿程调整变化率，用表征。
分析表1，不同粒径组泥沙的输移特征不同，能够得出渠系各粒径组悬沙的平衡含沙量随泥沙粒径的增大而减小的普遍结论。可以发现一定粒径范围内的粗沙基本上与全沙具有相同的冲淤规律，即粗沙对于冲淤的表现是敏感的。根据沿程含沙量及悬沙级配变化调整情况，造成渠段淤积的关键是粗沙。由于灌区夏秋灌期来沙很细，这里所说的粗沙的粒径也不是很大，这部分泥沙将会是灌区泥沙问题处理的重点所在，也将是难点所在。
2 泥沙淤积成因
根据实测资料及灌区多年运行情况对灌区渠道泥沙淤积的成因进行分析，近年来灌区的实际引水流量基本为设计流量的50%，甚至低于设计流量的50%条件下引水运行，这就导致灌区渠道以设计流量进行不冲不淤设计的参数不再适合灌区的实际运行，因此，有必要针对渠道的断面形态、渠道比降等进行校核，分析泥沙淤积的成因。
灌区渠道断面参数的设计是基于设计流量进行的，但是由于近年实引流量远小于设计值，就导致不同渠系内实际流量小于设计流量，渠道的断面参数偏离最优值。最直接的体现是渠道断面偏大，底宽偏大，导致相同流量下湿周增大，过流流速降低，从而输沙能力减弱。
文中试图采用文献[4]中渠道冲淤平衡比降公式对各渠段比降进行校核，但是注意到此公式在推导过程中，挟沙能力方程采用的是，另外渠道断面形态关系为，并不具有普遍适用性。张小帅等在相关文献中对适合泾惠渠灌区渠道的冲淤平衡比降公式进行了重新推求。其中，挟沙能力采用张瑞瑾[5]悬移质挟沙能力公式。通过率定渠道水力几何形态关系，以及与的值，最终得到适合泾惠渠灌区的渠道冲淤平衡比降计算公式如下：
应用此公式对泾惠渠各渠道比降进行计算校核，在设计流量下的计算结果表明，除总干渠及南干渠外，各渠段实际比降均偏小。容易看出，由于灌区往往在小于设计流量条件下引水灌溉，实际比降偏小于冲淤平衡比降值得程度更大。
泾惠渠灌区渠道干渠基本为梯形渠道，支渠为弧底梯形断面。泾惠渠渠道底宽较小，因此渠道边坡对输沙能力的影响就较为敏感。小底宽渠道的边坡系数最好接近1.0而大于1.5[6]。文献[6]中导出的直线断面形状最佳输沙边坡方程，根据方程所绘制的不同流量和底宽对应的最佳边坡系数图对泾惠渠各渠道边坡系数进行校核，结果显示，总干渠及南干渠边坡系数偏大，南一干渠段边坡系数稍显偏小，各渠段均偏离最佳值。
另外，从运行条件上分析引起灌区泥沙淤积的原因，除了实引流量小于设计流量外，灌区经多年运行，部分渠段上衬砌老化，冻胀破坏使得衬砌板滑落，导致断面形态发生了改变。同时，多年运行也导致渠道糙率及比降变化影响渠道输沙能力。另外，在灌区引水时存在局部壅水现象，都势必造成渠道泥沙淤积。
3 排沙工程建议
为了有效解决泾惠渠灌区渠道中的泥沙淤积问题，拟修建排沙工程。经过上文的分析，造成灌区渠道泥沙淤积的泥沙主要为粒径大于0.02mm的泥沙，因此，排沙减淤的关键是对这一部分的泥沙进行有效拦截控制。
由于总干渠基本上是冲淤平衡的，南干渠上淤积轻微，南干渠作为总干渠后最大一个分支，其设计流量23.5m3/s，加大流量为27m3/s，由于流量较大，如果泥沙能够得到集中控制和处理，就能够有效控制下游渠系的引水引沙条件。另外，南干尾有一条大型泄水渠，可以作为排沙减淤工程的排沙渠，来水悬沙中容易造成下游渠系淤积的粗沙可以通过排沙渠直接泄入泾河。因此，南干渠尾磨子桥闸上游的永乐泄水渠闸口附近作为排沙减淤工程的建设位置。
初步地，建议在南干渠尾修建沉沙池，由于悬移质泥沙较细，即使作为害沙处理的泥沙，下限粒径也仅为0.02mm，如此细颗粒的泥沙是不容易落淤的，即使使其有效落淤，后期的处理仍然存在一系列技术难题。
4 结论
本文主要以实测资料为基础，对泾惠渠灌区泥沙淤积问题进行了分析讨论，从多个方面分析了渠道泥沙淤积的成因，并对灌区运行情况作出客观的评价，泾惠渠拟建排沙工程的建设位置确定在南干渠尾磨子桥闸上游永乐泄水渠闸口附近，初步地建议采用修建沉沙池来有效拦截造成下游渠道淤积的粗沙，这样就改变了下游渠系的引水引沙条件，从而有效地解决灌区渠道中的泥沙淤积问题。
参考文献：
[1]曹文洪，戴清，方春明等著.引黄灌区水沙配置理论与关键技术研究[M].北京：中国水利水电出版社，2008.
[2]钱宁，万兆惠.泥沙运动力学[M].北京：科学出版社，1983.
[3]韩其为，陈绪坚，薛晓春.不平衡输沙含沙量垂线分布研究[J].水科学进展，2010，21（04）：512-523.
[4]林超然.潘庄引黄灌区设计中泥沙处理的几个问题[J].人民黄河，1981，06：41-44.
[5]张瑞瑾，谢鉴衡，陈文彪.河流动力学[M].武汉大学出版社，2007.
[6]王延贵，李希霞，王冰伟.典型引黄灌区泥沙运动及泥沙淤积成因[J].水利学报，1997，07：13-18+36.
作者简介：田智（1972-），男，陕西三原人，工程师，主要从事灌区灌溉管理、水量调度工作。