改進直線型沉沙池在農業(yè)微灌中的運行效果

胡松可，李文昊，楊廣，劉寧寧

(石河子大學水利建筑工程學院,新疆 石河子832003)

新疆是中國70%以上棉花的生產基地，但區(qū)域內年均降水量僅為147 mm，蒸降比達到10∶1，是典型的干旱、半干旱綠洲灌溉農業(yè)區(qū)，80%以上的農田依靠灌溉來完成耕作.新疆的農田灌溉水有效利用系數為0.532，仍低于發(fā)達國家的0.837[1].為了提高灌溉水利用率，新疆農田多采用微灌工程，但由于山溪性河流含泥沙量大，入管易堵塞微灌系統.沉沙池作為清除灌溉水源泥沙的水工建筑物，對于水質凈化起到了關鍵性作用.沉沙池發(fā)展至今，按幾何類型可分為直線型、曲線型、漏斗型、混合型和其他類型；按運行方式可分為沖洗式、機械清淤式和淤積式等，不同類型的沉沙池有不同的沉沙和排沙特點[2].

直線型沉沙池已成為中國灌溉水源泥沙處理的主流，具有結構簡單、造價低、管理方便、適應性強等優(yōu)點，但也存在水頭損失大、沖沙需斷流、沉沙效果不穩(wěn)定、耗時長等缺點[3].直線型沉沙池的沉沙效果除了受流量的影響外，還與池中顆粒級配、結構形式等因素有關[4].文中基于水力特性、泥沙分布和沉淀特性對傳統的直線型沉沙池進行改進，提出一種可同時去除推移質和懸移質泥沙的新型雙重沉沙池，即在沉沙池的引流段增設開孔調流齒，在一重沉沙池尾部的溢流堰上增設鋸齒狀溢流槽，在后設置人字形渦流管，實現二重沉沙.文中主要分析不同來水流量對改進直線型沉沙池沉淀效果的影響，其大大降低后續(xù)微灌設備的工作負擔，減少微灌系統的堵塞現象，提高灌溉水源水質，達到經濟效益持續(xù)發(fā)展的目的.

1 材料和方法

1.1 理論基礎

文中來水流量采用直角三角堰流量進行監(jiān)測和控制，流量計算公式[5]為

Q=1.343H2.47，

(1)

式中：Q為模擬的渠道來水流量，m3/s；H為直角三角形溢流堰上的水頭高度，m.

泥沙去除率是衡量沉沙池工作性能的主要指標.計算泥沙去除率的公式[6]為

(2)

式中：R為泥沙去除率；C1為沉沙池來水水源的含沙量，g/L；C2為沉沙池出口處的含沙量，g/L.

1.2 模型設計

試驗模型根據新疆某生產建設兵團沉沙池原型按1∶3比例修建.模型全長15.0 m,其中引流段長5.0 m，寬1.0 m，深0.6 m.漸變段長1.0 m，工作段長8.0 m，寬2.0 m，尾部高0.7 m.沉沙池引流段和漸變段坡度為5‰，工作段坡度為1%，如圖1所示.

圖1 改進直線型示意圖(單位：cm)Fig.1 Improved linear diagram

1.3 改進措施

1.3.1 增設開孔調流齒

傳統直線型沉沙池水流直接經漸變段進入工作段，造成水流劇烈紊動，流場分布不均勻.為改善水流條件，對傳統沉沙池增設引流段，并在引流段加設開孔調流齒，如圖2所示.

圖2 調流齒示意圖Fig.2 Schematic diagram of flow regulating tooth

主流直接頂沖在調流齒上，然后通過連續(xù)的彎曲消能向下游運行，實現總工程不變，最大限度地降低流速.調流齒阻撓較大動能的水流和改變水流運動方向，減緩運動趨勢，迫使來水動能和紊動強度降低，降低水流流速，使沉沙池工作段更有利于泥沙的沉降.針對調流齒前泥沙淤積問題，文中對底坡進行了坡度和調流齒開孔設計，使淤積的泥沙能夠隨水流通過孔洞向下移動.開孔調流齒在一定程度上還增加水流和泥沙運動的跡線長度，起到進一步消能的作用，使水流經過調流板齒后在整個沉沙池工作段內形成均勻的流態(tài).

1.3.2 增設鋸齒狀溢流槽

由于池內存在上稀下濃的現象，即越靠近水表面，水流含沙量越小，且相應粒徑較小，因此，為了進一步提高沉沙池的沉沙率，需要盡可能取得表層水.本模型在溢流堰上增設鋸齒狀溢流槽，降低了溢流水流高度，取得表層水，從而大大提高了沉沙池的沉沙率，如圖3所示.

圖3 鋸齒狀溢流槽示意圖Fig.3 Schematic diagram of serrated spillway trough

1.3.3 人字形渦流管

經過第一重除沙后，水流仍含有大量的懸移質泥沙，而傳統直線型沉沙池并不能將其除去.本模型利用渦流管原理，設置了人字形渦流管(見圖4)，大幅度減少渦管堵塞，提高了渦管的排沙效率.渦管利用離心力原理使泥沙與水分離，當渦管兩端排沙閘門開啟時，利用螺旋流原理實現自動排沙，優(yōu)化了沖沙設施，實現了二重沉沙.

圖4 人字形渦流管示意圖Fig.4 Schematic diagram of herringbone vortex tube

1.4 試驗方法

文中設置了S1—S7共7個縱向斷面(如圖5所示)，每個縱向斷面設置3個垂向測點，根據CYS-Ⅲ型測沙顆分儀測試儀探頭大小，含沙量垂向等間距10 cm布置測點，頂端測點位于表面5 cm處.文中采用天然河沙，參考錢寧等著的《泥沙運動力學》[7]，本次試驗中定義推移質泥沙為0.05 mm以上，懸移質為0.05 mm以下.本次試驗主體結構采用混凝土制作，調流齒和溢流槽使用亞力克板預制，渦流管使用PVC管制作.在10,15 L/s兩組流量變量條件下，分別對有無調流齒、溢流槽和渦流管條件下沉沙池的沉沙率進行對比分析.

圖5 試驗點斷面布置平面圖(單位：cm)Fig.5 Plan view of test points

2 試驗結果與分析

2.1 開孔調流齒對池內泥沙沉降的影響

通過監(jiān)測改進直線型沉沙池沿程含沙量的變化，判斷沉沙效率.試驗分別設置了有無調流齒對水流含沙量的影響，并取各個斷面的平均含沙量S0作為代表值.當來水流量為15 L/s時，得到的試驗數據如圖6所示，其中Cl為來水初始含沙量,l為距離渠道位置.

從圖6可得，池內含沙量總體呈現遞減趨勢，距離調流齒越遠，含沙量越低，沉沙效果越好.從池內各斷面含沙量的變化可得到，無調流齒的各斷面含沙量的沉降率小于有調流齒的沉降率，表明調流齒消能效果顯著，能夠降低水流流速，促進池內泥沙沉淀.在S3—S4斷面，有調流齒的含沙量下降了54.11%，無調流齒的僅為28.64%，調流齒降低了流速，有利于池內泥沙提前沉淀.在沉沙池的后半部，有調流齒的沉沙率趨于穩(wěn)定，無調流齒的則以某一趨勢繼續(xù)沉淀，表明調流齒能夠穩(wěn)固流態(tài)，形成大顆粒泥沙在沉沙池前半部開始沉淀，后半部沉淀小顆粒泥沙.在S7斷面有無調流齒的含沙量均值分別為3.07，4.39 g/L，調流齒降低了水流的含沙量.沿程對比發(fā)現，有調流齒的沉沙池沉沙量比無調流齒的高10.38%.

2.2 鋸齒狀溢流槽對泥沙沉降的影響

在改進直線型沉沙池工作段后的溢流堰區(qū)域增設鋸齒狀溢流槽，增加了溢流堰的有效長度，降低了溢流堰的水頭.為驗證溢流槽對水流含沙量的影響，文中在來水流量為15 L/s的情況下，測得沿程水流含沙量試驗數據，如圖7所示.

圖6 開孔調流齒含沙量沿程變化Fig.6 Variation of sediment concentration along course at flow regulating teeth

圖7 鋸齒狀溢流槽含沙量沿程變化Fig.7 Sediment content changes along course at zigzag overflow channel

通過圖7對比發(fā)現，增設溢流槽后，泥沙分布規(guī)律顯著，沿程含沙量的變化趨于穩(wěn)態(tài).根據S3—S7斷面的沿程含泥沙量折線的曲率，增設溢流槽的沿程含沙量降低的速率比無溢流槽高，當無溢流槽時池內含泥沙量波動較大，不利于泥沙沉降；當有溢流槽時，池內流場變化程度較小，泥沙可實現穩(wěn)步沉淀.根據末端的含沙量，有溢流槽的含沙量均值為0.78 g/L，無溢流槽均值為1.25 g/L，通過S7與S1斷面含沙量的對比，有溢流槽的泥沙沉沙率約94.03%，無溢流槽的泥沙沉沙率約81.33%.

2.3 渦流管對泥沙沉降的影響

根據水流和泥沙特性，設計了人字形渦流管，水流在渦管內產生螺旋流和離心力作用，泥沙將在渦管內以螺旋的形式排出管外，即達到渦管自動排沙的目的.由于前部已經經過第一重沉淀，所以僅有通過表層水的小顆粒泥沙被帶入渦流管內，試驗數據如表1所示，表中d為泥沙粒徑，R為泥沙去除率.

表1 不同粒徑的泥沙沉降效果Tab.1 Sedimentation effects of different particle sizes

通過渦流管對不同粒徑的泥沙沉淀效果分析可得，隨著粒徑由大到小，除沙率呈現遞減的趨勢.增設渦流管后，對于0.05 mm以上泥沙顆粒的除沙率可達96.00%以上，池內的水流流態(tài)較為均勻，沒有出現泥沙翻滾和偏流現象.對于小于0.05 mm的泥沙顆粒去除率提高了28.44%，極大地降低了泥沙的出池率，改善出池水質.針對小于0.50 mm的泥沙顆粒，有渦流管比無渦流管對泥沙去除率提高了18.80%.

2.4 泥沙顆粒級配和泥沙含量的沿程變化

當水流經過引流段時，水流動能經過調流齒消能，流速降低，部分大顆粒沉降的泥沙隨水流向下運動，小顆粒泥沙在沉沙池中部和尾部進行沉降.由于泥沙顆粒大小的不同，池內泥沙出現分層現象.池內不同斷面顆粒級配和泥沙含量如圖8，9所示，圖中ω為小于某粒徑的泥沙質量分數.

圖8 新型沉沙池各斷面顆粒級配曲線圖Fig.8 Grain grading curve of each section of new type grit chamber

從圖8可得，池內泥沙顆粒粒徑主要在0.001～0.500 mm，且泥沙在池內呈現一定的分布規(guī)律：0.010 mm以上的泥沙主要沉淀在S5斷面以前，泥沙沉淀比達到80.24%以上；0.010 mm以下的泥沙顆粒主要在渦管內沉淀，說明渦流管清除小顆粒泥沙效果顯著.通過對比池內S1—S2斷面發(fā)現，引流段有部分泥沙沉淀，但在試驗中并沒有發(fā)現引流段有明顯的淤積，說明引流段結構優(yōu)化有利于上層泥沙顆粒沉淀，在底部水流和結構作用下向下移動.

圖9 2種沉沙池沿程含沙量變化Fig.9 Variation of sediment concentration along two desilting basins

沿流動方向，S6之前各斷面處粒徑大于0.050 mm的推移質泥沙占比逐漸減小，粒徑大于0.050 mm泥沙沉淀量占總量的85%以上，總沉沙率達到90%以上；而粒徑小于0.050 mm的懸移質泥沙超過75%以上通過溢流堰向下流動.結合表1可得，加渦流管前，懸移質沉降率僅為68.91%；加設渦流管后，懸移質沉降率得到顯著提升，可達88.51%.

本試驗設計了2個流量級對同一泥沙含量的新舊沉沙池進行組合試驗.由圖9可得，不同結構類型和來水流量條件對沉沙池沉淀率都有一定的影響.在一定來水流量下，每一斷面新型沉沙池的含沙量均小于傳統型沉沙池，15 L/s來水流量下，在S7斷面檢測到新型沉沙池比傳統型沉沙池的沉沙量提高了38.21%，沉沙效果顯著.在同一類型不同來水流量下，隨來水流量的降低，新舊沉沙池沉沙率在15 L/s流量下提升了28.43%，在10 L/s流量下提升了44.07%，說明來水流量影響沉沙率，來水流量越小，沉沙效率越高.

3 討 論

傳統沉沙池主要沉淀推移質泥沙,對懸移質去除率較低.文中利用水力學、結構和泥沙分布特性改進沉沙池，從而極大地提高了懸移質泥沙的去除率.

眾多學者[8-10]提出可在池內入口處加設擋板，急速降低水流動能，但存在板前泥沙淤積問題.文中研究顯示，引流段調流齒的設計能有效消除來水水流的動能，使泥沙沉淀率提高到87.28%，并有效解決了調流板前泥沙淤積問題，前部沉淀的少量泥沙隨底部水流經過開孔向下滾動進入沉淀池內.

宗全利等[11]提出增加沉沙池中溢流堰的長度，可降低出池水流含沙量.文中試驗增設鋸齒狀溢流槽，降低了溢流堰的過水單寬量和取水深度，取得表層水，結合試驗分析結果，溢流槽的設計增加了溢流堰的有效長度，提高了15.62%的沉沙率，這與前人研究結論相同.

劉煥芳等[12]和GOTO等[13]都對渦管內的水流運動情況進行了水力特性分析，利用渦管分流的特性，使用較小的分流比除去較多的懸移質泥沙.文中設計人字形渦流管，降低渦流運動路徑，更有利于管內螺旋流的產生，可以更加充分地利用好螺旋流和離心力原理，有效降低了對來水流速的要求，針對懸移質泥沙提升了28.44%的沉沙率.

綜上，沉沙池內含沙量受流速和結構的影響比較大，改進直線型沉沙池隨著流速增加，出口的含沙量也會相應地增加，但相對于傳統直線形沉沙池則增加量較小，說明新型沉沙池結構的改進對水流挾沙力和沿程含泥沙量的降低起到關鍵性作用，進水流量與調流齒、溢流槽長度和渦流管呈正相關性.

4 結 論

新型沉沙池能夠有效地處理微灌系統中的泥沙沉積問題，為農業(yè)發(fā)展提供有效措施.通過本次沉沙池模型試驗研究和理論分析，得到池中含沙量的沿程變化規(guī)律和顆粒的沉淀區(qū)域.

1) 在引流段設置開孔調流齒，對來水起到有效的消能作用，明顯降低流速，有調流齒的沉沙池比無調流齒的沉沙量提高10.38%，并在引流段無局部泥沙沉淀.

2) 增設鋸齒狀溢流槽，最大限度增加溢流堰的有效長度，降低出池水位取水高度，盡量取得表層水，降低出池水流含泥沙量，使池內泥沙的沉沙率基本維持在94.03%.

3) 沉沙池后部設置人字形渦流管，有效提高了懸移質泥沙去除率，最大可達到28.44%，并實現了二重沉沙.

4) 新型沉沙池相對于傳統類型能夠有效地提高沉沙率達28.43%以上，具有明顯的沉沙作用，在10 L/s時，出口含泥沙量能達到0.34 g/L，最大沉沙率可達到96.88%，進一步說明新型沉沙池具有良好的運行效果.