新型沉沙池沉沙效果的應(yīng)用研究

楊 曉 軍(1.新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 昌吉 831100；2.新疆昌吉方匯水電設(shè)計有限公司，新疆 昌吉 831100)

1 研究背景

新疆是農(nóng)業(yè)灌溉用水大省，目前主要采用節(jié)水微灌技術(shù)進行大田灌溉[1-3]。因灌溉水源含有有機物、雜草、砂石、泥沙等各種雜質(zhì)，故需要對灌溉水源進行過濾和凈化處理措施才能進入滴灌系統(tǒng)，這是保證農(nóng)田滴灌系統(tǒng)正常、安全、長期可靠的運行的重要前提保證[4,5]。在新疆農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的首部，灌溉水源進入滴管帶前一般都在渠首設(shè)置沉沙池(多以矩形為主)對其進行處理，但受汛期河道來水含沙量大的影響，雖經(jīng)沉沙池過濾，但仍會造成微灌系統(tǒng)的堵塞，同時可能還會加重后續(xù)灌溉過濾設(shè)備(如過濾器、滴管帶迷宮)的運行負擔(dān)[6-10]。因此，有必要對傳統(tǒng)沉沙池進行優(yōu)化和改進，使新型沉沙池能夠有效處理掉推移質(zhì)和懸移質(zhì)顆粒，從而減少進入微灌系統(tǒng)的泥沙含量，真正做到泥沙過濾的作用。

傳統(tǒng)沉沙池[11,12]主要是不同形狀的水池組成，如單室和多室直線型、曲線型、沉沙條渠型、混合型等，它通過沉沙池的有效長寬面使灌溉水源的流速降低，進而水流挾沙率降低，泥沙難以隨水流繼續(xù)推進而慢慢沉降。經(jīng)分析，傳統(tǒng)沉沙池沉沙效果往往受其長寬比影響較大，但在實際農(nóng)田灌溉首部，很少有充足的場地去建設(shè)大比尺的沉沙池，因而必須對沉沙池的結(jié)構(gòu)進行改進。本模型在傳統(tǒng)沉沙池結(jié)構(gòu)上進行了如下的改進，即分別在池首處增加調(diào)流板、在池尾部的溢流堰區(qū)增設(shè)了溢流作用的溢流側(cè)堰來降低出池水流的含沙量[13,14]。顯然經(jīng)過這種結(jié)構(gòu)的改進，可明顯起到以下2個作用：其一，池首的流速經(jīng)調(diào)流板作用后迅速降低，泥沙落淤速度明顯加快；其二，池尾的溢流堰是水流自動蓄滿溢出，含沙量明顯降低，這種新型沉沙池的設(shè)計思路將對整個微灌系統(tǒng)產(chǎn)生較好的效益，它可以使河渠水等高含沙水資源直接作為微灌系統(tǒng)的水源。為了檢測這種設(shè)計思路對泥沙的沉降效果，前期[15,16]已對沉沙池的室內(nèi)試驗進行相關(guān)研究，而本文重點對沉沙池在實際工程的應(yīng)用進行重點分析。

2 觀測試驗概況

本文主要研究新型沉沙池對灌溉水源中泥沙的沉降效果，整個觀測試驗過程是在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團222團應(yīng)用非常廣泛的新型沉沙池上進行[17,18]，整個沉沙池由進水段、漸變過渡段、沉淀室段和集水區(qū)4部分組成(沉沙池的池首和池尾)，在其中室內(nèi)的模型示意圖和工程應(yīng)用實物圖見圖1。

圖1 沉沙池示意圖和工程應(yīng)用圖

因222團的農(nóng)田灌溉面積較大，故整個團場既有改進后的新型沉沙池也有部分未改進的傳統(tǒng)沉沙池(條形單室型為主)進而可為新舊兩種沉沙池的沉沙效果進行對比分析。在觀測試驗中，主要對兩種沉沙池進行沿程含沙水樣的測取工作，進而對比分析泥沙在沉沙池中的沿程分布淤積情況(主要是粒徑級配)及水流中懸移質(zhì)含沙量的變化情況。

3 沉沙池應(yīng)用效果分析

3.1 兩種沉沙池沉淀效率分析

(1)池尾溢流堰的泥沙分布情況。圖2為在沉沙池池尾的泥沙顆粒級配變化曲線圖。從圖2中可以看出：新型沉沙池的中值粒徑明顯小于傳統(tǒng)沉沙池；新型沉沙池的泥沙中細顆粒所占百分比明顯大于傳統(tǒng)沉沙池。這說明池尾的溢流堰區(qū)增設(shè)溢流側(cè)堰后含沙量更小，沉沙效果更為明顯。

圖2 兩種沉沙池池末級配變化

(2)沿程含沙量變化情況。圖3為該團兩種沉沙池沿程水流含沙量變化示意圖。從圖3可以看出：相比傳統(tǒng)沉沙池，新型沉沙池在池首位置的顆粒明顯較粗，這說明調(diào)流板對水流流速起到明顯的減緩作用；從池首接近池尾的過程中，新型沉沙池的含沙量迅速降低，這說明泥沙的沉降作用更為明顯。

圖3 兩種沉沙池沿程含沙量變化

3.2 新型沉沙池應(yīng)用效果分析

(1)沿程泥沙分布情況。經(jīng)對兩種沉沙池從渠首至渠尾的測量，新型沉沙池的泥沙淤積厚度由池首至池末逐漸減小，且池首最大淤積厚度接近25 cm，而池末淤積厚度則很少，不到5 cm；傳統(tǒng)沉沙池的泥沙淤積厚度卻呈現(xiàn)不明顯，即由池首至池末的顆粒粒徑變化范圍較小，經(jīng)測量，沿程淤積厚度在池首附近約為3 cm，而在池末淤積厚度卻達到14 cm左右，這表明吃手的水流流速過大，水流挾沙率仍然較大。經(jīng)過水流的長距離輸運作用，你車慢慢沉降下來。

經(jīng)上述分析，無論是新型沉沙池還是傳統(tǒng)沉沙池，水流在剛進入池內(nèi)的水流流速較大且在池首部的水流紊動也比較劇烈，因此若不經(jīng)調(diào)流措施，水流挾沙能力由強變?nèi)酰绕鋵⑤^細的顆粒挾帶至更遠的地方才能沉降，進而使沉沙池的沉沙效果較小，這種情況在在傳統(tǒng)沉沙池中表現(xiàn)得更為明顯。在新型沉沙池中，由于在首部增設(shè)了調(diào)流墻對入池水流進行調(diào)節(jié)，水流流速降低引起水流挾沙能力降低，泥沙自然而然會出現(xiàn)迅速落淤現(xiàn)象，而細泥沙在經(jīng)長距離的輸運作用后也慢慢沿程發(fā)生沉降，且沿程淤積厚度逐漸減小。

圖4為在新型沉沙池和傳統(tǒng)沉沙池末泥沙的顆粒級配變化。經(jīng)上述分析，可總結(jié)出如下變化規(guī)律：新型沉沙池在池末端的細顆粒泥沙所占的百分比明顯大于傳統(tǒng)沉沙池，這表明調(diào)流板和溢流槽的布設(shè)起到明顯的消流降沙作用。

圖4 沉沙池末端級配變化

(2)水流含沙量變化情況。圖5為新型沉沙池和傳統(tǒng)沉沙池沿程含沙量變化圖。由圖5可明顯觀察出如下規(guī)律：在池首附近，新型沉沙池含沙量比傳統(tǒng)沉沙池大，說明調(diào)流板的作用使泥沙迅速沉降，因受水流的紊動作用，含沙量相對較大；而經(jīng)過調(diào)流板調(diào)流后的水流的含沙量則迅速減小，且減小的幅度比傳統(tǒng)沉沙池大的多，這說明水流流速降低后，水流挾沙的能力逐漸減弱，尤其在沿程變化上更為明顯，這和上述分析相吻合。

圖5 沉沙池含沙量沿程變化

4 結(jié) 語

(1)經(jīng)對比分析，新型沉沙池的池末細顆粒泥沙所占百分數(shù)明顯大于傳統(tǒng)沉沙池，說明新型沉沙池對細顆粒泥沙具有更好的沉降效果。

(2)相比傳統(tǒng)沉沙池，新型沉沙池含沙量自池首至池尾的沿程分布表現(xiàn)出由大到小變化規(guī)律，且渠尾出池水流的懸移質(zhì)含沙量明顯減小。

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