河水滴灌重力沉沙過(guò)濾池物理試驗(yàn)研究

劉亞麗 趙濤 戚印鑫 陶洪飛 張明強(qiáng)

摘要：農(nóng)業(yè)高效節(jié)水技術(shù)在新疆地區(qū)發(fā)展很快，但作為主要供水水源的地表水含沙量較高，影響了該技術(shù)的廣泛推行。為此，需要研究能有效處理地表水泥沙、滿足滴灌水質(zhì)要求、投資相對(duì)較少的除沙裝置，河水滴灌重力沉沙過(guò)濾池比較好地解決了這一問(wèn)題。以河水滴灌重力沉沙過(guò)濾池為研究對(duì)象，通過(guò)物理試驗(yàn)研究沉淀池長(zhǎng)25m，側(cè)向溢流堰長(zhǎng)分別為5，3，2m的沉沙過(guò)濾池除沙效果，結(jié)果表明：在沉淀池長(zhǎng)25m的工況下泥沙總處理效率可達(dá)50%以上，側(cè)向溢流堰長(zhǎng)度選取3m比較合適，滿足出池水質(zhì)要求的進(jìn)口最大含沙量約為1.5kg/擴(kuò)。

關(guān)鍵詞：重力沉沙過(guò)濾池；過(guò)濾網(wǎng)；溢流堰；含沙量；泥沙拉徑

中圖分類號(hào)：TV673+.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.032

作為我國(guó)最大的農(nóng)業(yè)高效節(jié)水區(qū)，新疆每年完成農(nóng)業(yè)高效節(jié)水面積20萬(wàn)hm2以上，發(fā)展速度居全國(guó)前列，到2020年全區(qū)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水面積將達(dá)到286萬(wàn)hm2，而以微灌為主的節(jié)水灌溉模式已經(jīng)確立了主導(dǎo)地位[1]。對(duì)于微灌系統(tǒng)，由于其灌水器孔徑比較小，容易被堵塞，因此對(duì)水質(zhì)的要求很高。而新疆地表水多為山溪性河流，水中泥沙含量大，未被排除的超過(guò)微灌系統(tǒng)灌水器指標(biāo)的泥沙顆粒會(huì)把灌水器堵塞，使其無(wú)法正常工作，因此在水進(jìn)入微灌系統(tǒng)之前，采用水沙分離設(shè)備或工程措施對(duì)來(lái)流河水進(jìn)行泥沙處理十分必要[2]。目前泥沙處理主要有水庫(kù)沉降泥沙、灌區(qū)上游沉沙池處理泥沙、滴灌系統(tǒng)首部沙石過(guò)濾器和網(wǎng)式過(guò)濾器除沙等多種方法。

河水滴灌重力沉沙過(guò)濾池是用來(lái)沉降河水或渠道水流中大于設(shè)計(jì)沉降粒徑的懸移質(zhì)泥沙，并通過(guò)不銹鋼濾網(wǎng)處理泥沙、漂浮物、浮游生物等雜物的建筑物，主要由沉淀池、溢流堰、過(guò)濾網(wǎng)、清水池、集污槽等幾部分構(gòu)成；與目前滴灌工程中普遍采用的機(jī)械加壓設(shè)施相比，具有占地面積小、投資少、易維護(hù)、控制面積大、不耗能、運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì)[3]。

通過(guò)對(duì)呼圖壁縣石梯子鄉(xiāng)白楊河村沉沙過(guò)濾池、大豐鎮(zhèn)聯(lián)豐村沉沙過(guò)濾池、紅山村沉沙過(guò)濾池，瑪納斯縣涼州戶鎮(zhèn)五圣宮村沉沙過(guò)濾池進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試與研究發(fā)現(xiàn)[4-7]：側(cè)向溢流堰長(zhǎng)度與沉淀池長(zhǎng)度相等，水流在沉淀池的首端就開始溢流，不僅影響過(guò)濾效果，還會(huì)造成濾網(wǎng)浪費(fèi)，同時(shí)增加了維修成本。經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，2013年建設(shè)的工程中將溢流堰布置在沉淀池的尾部，但側(cè)向溢流堰的適宜長(zhǎng)度還有待研究，沉沙過(guò)濾池的泥沙處理效果、出池泥沙含量及泥沙粒徑能否滿足設(shè)計(jì)要求，還缺乏理論依據(jù)。為此，筆者通過(guò)試驗(yàn)研究了沉淀池長(zhǎng)25m，尾部側(cè)向溢流堰長(zhǎng)分別為5、3、2m的沉沙過(guò)濾池除沙效果，旨在得到25m沉淀池所對(duì)應(yīng)的最佳溢流堰長(zhǎng)度及進(jìn)口適宜含沙量，為實(shí)際工程中河水滴灌重力沉沙過(guò)濾池的建設(shè)及運(yùn)行提供參考。

1 物理模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

河水滴灌重力沉沙過(guò)濾池可分為雙向內(nèi)斜跨式重力沉沙過(guò)濾池、雙向外斜跨式重力沉沙過(guò)濾池和單向斜跨式重力沉沙過(guò)濾池等3種類型[8-9]。根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地大小、泵房水循環(huán)出力及渾水?dāng)嚢柘到y(tǒng)供沙能力，同時(shí)參考地方標(biāo)準(zhǔn)，確定本次試驗(yàn)采用單向斜跨式重力沉沙過(guò)濾池，模型比尺1：1，設(shè)計(jì)流量0.05m3/s。根據(jù)試驗(yàn)要求及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)沉沙過(guò)濾池除沙效率，進(jìn)水含沙量選用1.0～2.5kg/m3。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠矫娌贾煤推拭嬉妶D1。

其中，沉淀池進(jìn)口設(shè)置導(dǎo)流墻，導(dǎo)流墻后設(shè)置調(diào)流板（樁號(hào)0+00.00m）。沉淀池長(zhǎng)25m，寬1.50m，池底坡度為1%。沉淀池尾部設(shè)置側(cè)向溢流堰，其長(zhǎng)度可通過(guò)調(diào)節(jié)溢流堰上游處擋水板來(lái)確定。側(cè)向溢流堰下方鋪設(shè)100目的不銹鋼濾網(wǎng)，根據(jù)2013-2014年工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，濾網(wǎng)角度在35°～40°之間除沙效果比較好，本次試驗(yàn)濾網(wǎng)角度為38°。清水池設(shè)于濾網(wǎng)下方，清水池長(zhǎng)25m，寬0.75m。為了實(shí)現(xiàn)水力沖沙，清水池底坡傾斜方向與沉淀池的一致，坡度為1%。集污槽長(zhǎng)25m，寬0.75m。

1.2 試驗(yàn)材料和儀器

本試驗(yàn)取試驗(yàn)地天然沙土作為模型沙，顆粒級(jí)配見圖2。粒徑大于0.075mm的沙占52.5%，小于0.075mm的沙占47.5%，小于0.005mm的沙占10%，中值粒徑為0.1mm。

試驗(yàn)儀器主要有LGY-Ⅲ型智能流速儀、顆分粒度儀，0.1mm電子水準(zhǔn)儀，0.0001g電子天平、0.01℃電子溫度計(jì)、50mL錐形瓶等。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

在沉淀池長(zhǎng)25m，側(cè)向溢流堰長(zhǎng)分別為5、3、2m工況下，重力沉沙過(guò)濾池設(shè)計(jì)流量為0.05m3/s，改變進(jìn)口含沙量，得到沿程水位、流速、含沙量分布、顆分?jǐn)?shù)據(jù)，確定重力沉沙過(guò)濾池的泥沙處理效率，分析25m沉淀池所對(duì)應(yīng)的最佳溢流堰長(zhǎng)度，得到滿足出口水質(zhì)要求的進(jìn)口最大含沙量。

1.3.2 試驗(yàn)步驟

確認(rèn)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)、模型進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)注入渾水，當(dāng)進(jìn)水流量與出水流量穩(wěn)定時(shí)，開始試驗(yàn)。在設(shè)計(jì)流量和其他參數(shù)相同的情況下開展以下工作：在側(cè)向溢流堰長(zhǎng)5m的工況下，調(diào)節(jié)上游加沙量，取出口水樣測(cè)量含沙量；在滿足出口含沙量分別為<0.5kg/m3、0.5～0.6kg/m3、>0.6kg/m3的情況下，測(cè)量進(jìn)口及各斷面的含沙量；出口含沙量滿足要求時(shí)測(cè)量水位、流速，觀測(cè)流態(tài)。以上數(shù)據(jù)采集后停止進(jìn)水，待池中水滲透完畢，采集沉淀池和清水池內(nèi)各斷面的沙樣進(jìn)行顆分試驗(yàn)。改變溢流堰長(zhǎng)度，分別為3、2m，重復(fù)上述步驟。

1.3.3 試驗(yàn)方法

沿X方向（水流方向）在沉淀池樁號(hào)分別為-0.17、2.00、6.25、12.5、18.75、24.5m處設(shè)6個(gè)斷面，其中-0.17m斷面位于調(diào)流板（0斷面）之前，以便于觀測(cè)水流通過(guò)調(diào)流板后的變化。

（1）水位測(cè)量。每個(gè)斷面沿Y方向設(shè)0.4、1.1m兩個(gè)測(cè)點(diǎn)（見圖3），每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量3次，取平均值。

（2）流速測(cè)量。每個(gè)斷面沿Y方向設(shè)置0.4、1.1m兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)沿Z方向設(shè)水面以下0.1m處、水深1/2處、水深2/3處3個(gè)位置（見圖3），每個(gè)位置測(cè)量3次，取平均值。

（3）含沙量測(cè)量。針對(duì)25m長(zhǎng)沉淀池和5、3、2m側(cè)堰長(zhǎng)度進(jìn)行組合，共3種結(jié)構(gòu)工況，每種結(jié)構(gòu)工況下安排滿足出口含沙量分別為<0.5kg/m3、0.5～0.6kg/m3、>0.6kg/m3的小、中、大3組進(jìn)水口含沙量，共9種工況。沉淀池中每斷面沿Y方向設(shè)置0.4、1.1m兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)沿Z方向設(shè)表層0.1m處、水深1/2處、距底0.1m處3個(gè)位置（見圖3），每個(gè)位置測(cè)量3次，取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 水位

圖4為不同溢流堰長(zhǎng)度的沉淀池水位及溢流堰水頭測(cè)量結(jié)果。由圖4可知，沉淀池不同位置的水位基本相同，水流較平穩(wěn)，沒(méi)有大的水位落差，有利于泥沙的沉降。水深與側(cè)向溢流堰長(zhǎng)度成反比，側(cè)向溢流堰越長(zhǎng)，沉淀池水位及溢流堰水頭越小。經(jīng)流態(tài)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在側(cè)向溢流堰長(zhǎng)度為2～3m時(shí)，過(guò)濾網(wǎng)上過(guò)流面積較大，能夠比較充分地利用過(guò)濾網(wǎng)。

2.2 流速

圖5為不同溢流堰長(zhǎng)度的沉淀池流速分布。由圖5可知，水流通過(guò)-0.17m斷面及調(diào)流板后流速迅速減小到0.1m/s以下，說(shuō)明調(diào)流板在降低流速、調(diào)整流態(tài)方面效果明顯[10]。除受到調(diào)流板影響外，上游連接段采用的是擴(kuò)散形式，使水流流速降低后均勻擴(kuò)散至沉淀池左、右室[11]。由沉沙池設(shè)計(jì)規(guī)范可知[12]：當(dāng)沉降泥沙最小粒徑在0.05～0.1mm范圍內(nèi)時(shí)，工作段平均流速可選0.05～0.15m/s，所以沉淀池內(nèi)流速有利于泥沙的沉降。不同溢流堰長(zhǎng)度的沉淀池內(nèi)流速分布規(guī)律基本相同，流速沿程變化大致可分為3個(gè)階段：①X=-0.17～1.00m為流速迅速降低階段；②X=1.00～18.75m為流速恒定階段；③X=18.75～25.00m為流速緩慢降低階段。側(cè)向溢流堰上流速隨溢流堰長(zhǎng)度的減小而增大，溢流堰上流速增大會(huì)對(duì)泥沙的沉降有不利的影響，所以側(cè)向溢流堰的長(zhǎng)度不宜過(guò)小。

2.3 含沙量

除沙效率是判斷沉淀池泥沙處理能力的一個(gè)重要參數(shù)，除沙效率越高說(shuō)明泥沙處理能力越好，其表達(dá)式為式中：η為除沙效率，%；S為初始時(shí)刻（t=0）的渾水含沙量，kg/m3；S1為t時(shí)刻的平均含沙量，kg/m3。

將9種工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（1），得到重力沉沙過(guò)濾池總除沙效率約為52.96%，其中沉淀池除沙效率為38.44%，清水池除沙效率為6.88%，過(guò)濾網(wǎng)除沙效率為7.64%。限于篇幅，表1只列出了堰長(zhǎng)分別為5、3、2m時(shí)滿足出口含沙量為0.5～0.6kg/m3的進(jìn)口含沙量測(cè)量值，以及沉淀池、溢流堰、清水池這三個(gè)主要部位的除沙效率，在堰長(zhǎng)5、3、2m時(shí)總除沙效率分別為51.32%、55.38%、52.17%。圖6為堰長(zhǎng)分別為5、3、2m時(shí)，出口含沙量為0.5～0.6kg/m3的沉淀池內(nèi)的斷面平均含沙量分布。圖7為堰長(zhǎng)3m時(shí)，出口含沙量為0.5～0.6kg/m3的沉淀池內(nèi)不同水深處的含沙量分布。

由圖6、圖7可知，渾水從上游流向沉淀池，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散段和調(diào)流板后，流速迅速降低，此時(shí)泥沙大部分沉降在-0.17～5.00m段內(nèi)，5.00～20.00m段各層含沙量均緩慢減小，此時(shí)表層水中泥沙因重力沉降而進(jìn)入中層及底層，故中層及底層水中的含沙量減小速率要比表層的小，同時(shí)泥沙含量分層現(xiàn)象比較明顯，表層含沙量小，中層及底層含沙量大。20.00～25.00m段，因沉淀池中的細(xì)顆粒泥沙未在其前段沉降而匯集于此，各層含沙量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

根據(jù)9種工況下的含沙量試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在0.05m3/s來(lái)水流量下，清水池出口含沙量為0.421～0.889kg/m3時(shí)所對(duì)應(yīng)的進(jìn)口含沙量為1.012～1.942kg/m3，重力沉沙過(guò)濾池出口含沙量滿足0.5～0.6kg/m3要求時(shí)，對(duì)應(yīng)的進(jìn)口最大含沙量不宜超過(guò)1.5kg/m3。

2.4 顆粒級(jí)配

滴灌用水主要有兩個(gè)控制指標(biāo)[13]：出口含沙量范圍為0.5～0.6kg/m3，出口泥沙粒徑小于0.05mm。本次顆分試驗(yàn)數(shù)據(jù)共21組，限于篇幅，只給出溢流堰長(zhǎng)3m的重力沉沙過(guò)濾池不同斷面處的泥沙顆分曲線和5、3、2m堰長(zhǎng)分別在沉淀池18.75m斷面和24.50m斷面的顆分結(jié)果曲線，見圖8、圖9。

由21組顆分試驗(yàn)結(jié)果分析可知，不同堰長(zhǎng)的沉淀池內(nèi)泥沙沉積粒徑沿程分布基本相同。0.1mm以上的泥沙主要分布在沉淀池前半段，處理率在50%-90%之間，后半段主要是0.05～0.1mm粒徑的泥沙。沉淀池前半段淤積泥沙中值粒徑為0.2mm，尾部淤積泥沙中值粒徑為0.07mm，清水池出口淤積泥沙中值粒徑為0.05mm，滿足灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范要求[14]。對(duì)于5、3、2m堰長(zhǎng)的沉淀池，0.1mm以上的泥沙主要沉積在14.5～19.5m范圍內(nèi)，處理率在50%90%之間，故可考慮將沉淀池縮短至20m。而小于0.1mm的細(xì)顆粒泥沙主要沉降在沉淀池尾部20～25m段內(nèi)，受側(cè)向溢流堰的影響其沉降情況不同，圖9中18.75m和24.50m斷面處，對(duì)應(yīng)2、3、5m堰長(zhǎng)的運(yùn)行工況，沉淀池內(nèi)泥沙中值粒徑依次減小，即隨著溢流堰長(zhǎng)的增大，側(cè)堰水流對(duì)泥沙擾動(dòng)能力不斷減弱，其中3、5m側(cè)堰工況時(shí)在沉淀池兩斷面處的中值粒徑相差不大。綜合考慮除沙效率和過(guò)濾網(wǎng)造價(jià)，選用3m溢流堰比較合適。

3 結(jié)論

（1）池長(zhǎng)25m的重力沉沙過(guò)濾池總除沙效率約為52.96%，其中：沉淀池除沙效率為38.44%，清水池除沙效率為6.88%，過(guò)濾網(wǎng)除沙效率為7.64%。增加過(guò)濾網(wǎng)對(duì)于凈化滴灌水質(zhì)非常必要，過(guò)濾網(wǎng)清除水生物及雜質(zhì)后，河水可以直接進(jìn)入滴灌系統(tǒng)，省去了田間過(guò)濾設(shè)備，為整個(gè)灌溉系統(tǒng)節(jié)約了投資。

（2）由含沙量和顆分結(jié)果可以看出，對(duì)于長(zhǎng)25m的沉淀池，0.1mm以上粒徑的泥沙主要沉積在14.5～19.5m范圍內(nèi)，故沉淀池長(zhǎng)度可減小至20m。同時(shí)根據(jù)顆分試驗(yàn)結(jié)果可知，側(cè)向溢流堰長(zhǎng)為3m時(shí)，其綜合除沙效果較好。

（3）通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析可以得出，沉淀池長(zhǎng)25m、設(shè)計(jì)流量為0.05m3/s、清水池出口泥沙含量滿足0.5-0.6kg/m3時(shí)，對(duì)應(yīng)的進(jìn)口最大含沙量不宜超過(guò)1.5kg/m3。

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