干旱區(qū)多沙河流引水續(xù)灌沉沙排沙池一體化設(shè)計試驗研究

李 林，張 斌

（塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300）

0 引言

新疆干旱少雨，蒸發(fā)強烈，屬典型“綠洲經(jīng)濟、灌溉農(nóng)業(yè)”，形成了以渠道引水灌溉為主體的干旱區(qū)綠洲灌溉農(nóng)業(yè)技術(shù)體系；但新疆多數(shù)河流泥沙含量大，尤其是南疆塔里木河流域的含沙量普遍較高，多年平均含沙量在1.0 kg/m3左右，每年灌溉引水造成大量渠道泥沙淤積嚴(yán)重，極大地增加了渠道運行的清淤成本與維護負(fù)擔(dān)，降低了灌溉渠道系統(tǒng)的使用效率，制約微灌等高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)的發(fā)展［1，2］。多年來，雖然塔里木河等干旱多沙灌區(qū)建設(shè)了不少灌溉引水沉沙池設(shè)施，但沉沙效果仍不理想，難以滿足干旱區(qū)灌溉管理“通暢、及時、不淤、高效”之要求［3］，需要深入研究干旱多沙河流灌溉引水沉沙池新型設(shè)計與建設(shè)方法，提高引水渠首泥沙沉降的有效性與灌溉系統(tǒng)的運行效率。

受多沙河流灌溉引水本身水流慢、泥沙含量高及水工建筑物攔截等復(fù)雜因素影響，灌溉渠首沉沙池設(shè)計一直是國際灌溉工程建設(shè)面臨的難點問題之一［4］。近些年來，沉沙率作為衡量沉沙池工作效率的一個非常重要的指標(biāo)之一，得到了國內(nèi)外的廣泛研究［5］，并提出了準(zhǔn)靜水沉降法、沉降概率法和超飽和輸沙法等沉沙池的沉沙率計算方法，但多數(shù)研究主要針對水流挾沙能力在超飽和狀態(tài)下的沉沙池沉沙率計算［6］，多沙河流農(nóng)田灌溉引水渠首沉沙池設(shè)計理論仍不完善，缺少灌溉引水、沉沙、沖沙和供水同時進行的連續(xù)型沉沙池設(shè)計方法。

本文結(jié)合多年從事南疆地區(qū)引水灌溉工程規(guī)劃設(shè)計與試驗經(jīng)驗，研究了適用于南疆干旱區(qū)多沙河流灌溉引水的連續(xù)式沉沙池設(shè)計方法，推導(dǎo)了降低沉沙率計算誤差的連續(xù)式沉沙池沉沙率的計算公式。對多沙河流灌溉引水渠首連續(xù)式沉沙池工程設(shè)計與建設(shè)，具有參考意義。

1 材料和方法

1.1 模型設(shè)計及工作原理

模型設(shè)計：為了驗證理論模型的準(zhǔn)確性，本模型在按1∶5比例在塔里木大學(xué)水工試驗大廳內(nèi)進行搭建（圖1 和圖2），沉沙池工作段總長3.5 m，頂部寬0.8 m、底部寬0.2 m，底部開孔間距為0.15 m，孔徑之間間隔0.2 m，邊坡系數(shù)m=1.8。試驗裝置由蓄水池、離心泵（型號IS100-65-315B）、高位水箱、攪拌器、儲料倉、連續(xù)性沉沙池、閘門和壓力表等設(shè)備構(gòu)成一個完善的試驗體系。工作原理：本連續(xù)性沉沙池模型工作段斷面形狀為梯形（圖2）?？蓪⒐ぷ鞫畏譃樯舷聝蓪樱蠈訛槟嗌愁w粒沉淀段，下層為排沙廊道段；當(dāng)沉沙池處于工作狀態(tài)時，由蝶閥（5）控制來水流量，閘門（9）控制輸入攪拌池內(nèi)的含沙量，閘門（11）控制進入工作段沉沙池流量，保障含沙水流不間斷通過連續(xù)性沉沙池；當(dāng)水流經(jīng)過沉沙池時，泥沙顆粒受到重力作用通過底部開孔沉淀到排沙廊道，當(dāng)廊道泥沙沉淀到一定量時，打開閘門（16）進行沖沙，以實現(xiàn)沉沙和排沙不間斷，形成連續(xù)性沉沙池。

圖1 試驗設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of test equipment

圖2 沉沙池結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of sedimentation tank

1.2 模型沙的選取

由于本文主要研究南疆灌區(qū)的引水水源，但水源主要來源于塔里木河，因此，本次選擇塔里木河流域的阿拉爾市十二團農(nóng)田灌溉首部沉沙池池內(nèi)沉淀的沙子作為本次試驗的沙樣。顆粒級配如圖3所示。

圖3 模型沙顆粒級配圖Fig.3 Grain size distribution of model sand

1.3 研究內(nèi)容和方法

本試驗在定流量和含沙量兩種條件下進行研究，通過對沉沙池各監(jiān)測斷面水樣的檢測，以判斷沉沙池池內(nèi)池段分組、工作段分組、大于某粒徑級泥沙沉沙率。而后將實測值與理論計算值進行對比，實現(xiàn)對理論模型計算的驗證。試驗設(shè)計了5.5、7.5、9.5 L/s 3 種來水流量和0.5、1.0、1.5 kg/m3 三種含沙量條件下進行泥沙顆粒沉淀試驗，試驗中在工作段內(nèi)每隔0.5 m 設(shè)一個斷面進行取樣，每個檢查斷面橫向間隔10 cm、垂向間隔5 cm布置測點，使用CYS-Ⅲ型智能測沙顆粒分儀測試泥沙顆粒粒徑、采用烘干法測量含沙量，從而得到分組含沙量沿程的變化規(guī)律。

2 連續(xù)性沉沙池沉沙理論分析

2.1 沉沙池沉沙率基本公式

沉沙池的沉沙率是指沉沙池沉降下來的泥沙占總來水流量中總泥沙含量的百分?jǐn)?shù)，計算公式如（1）式所示：

式中：S為沉沙池的總沉沙率；Gs2為沉沙池排沙廊道輸沙率，kg/s；Gs為沉沙池來水渠道輸沙率，kg/s；Q2為排沙廊道流量，m3/s，Q0為渠道來水總流量，m3/s；Q1為溢流堰出水流量，m3/s；E2為排沙廊道出口含沙量，kg/m3；E0為渠道來水含沙量，kg/m3；E1為溢流堰出池含沙量，kg/m3。

若已知相應(yīng)某斷面處的粒徑級配情況，則用式（1）可計算分組粒徑的沉沙率，即：

式中：Si為第i粒徑組工作段沉沙率；Gs2i為沉沙池排沙廊道第i粒徑級輸沙率，kg/s；Gsi為沉沙池來水渠道i粒徑組輸沙率，kg/s；E2i為排沙廊道出口第i粒徑級含沙量，kg/m3；E0i為渠道來水第i粒徑級含沙量，kg/m3；E1i為溢流堰出池第i粒徑級含沙量，kg/m3。

2.2 池段分組沉沙率

由于沉沙池沿程較遠(yuǎn)，可將沉沙池分成若干個間距較小的工作段，由前至后計算各較小工作段內(nèi)泥沙運動規(guī)律，為此，推導(dǎo)出沉沙池各池段分組沉沙率，計算方法如式（3）所示：

其中，式（3）池段分組aik值的傳統(tǒng)計算方法如式（4）所示：

經(jīng)計算，用式（4）得到的實測aik值與吳丹［12］提出的d>0.03 mm 時，aik=0.072，d<0.03 mm 時，aik=0.17 和楊晉瑩［13］提出的d>0.25 mm時，（Kb為綜合經(jīng)驗系數(shù)，Kb= 1.0～1.2），d<0.25 mm 時，吻合度較低。為此，針對實測恢復(fù)飽和系數(shù)aik值進行重新分析，得到aik與和Jk具有更好的關(guān)系，從而建立aik與和Jk的關(guān)系式，通過擬合得到相關(guān)系數(shù)R2=0.952 92 的公式（5）［7］，說明aik計算值與實測值吻合較好，可以滿足工程計算精度，即。

式中：aik為池段分組粒徑恢復(fù)飽和系數(shù)；ωi為第i粒徑組泥沙的平均沉降速度，m/s；Ve為水流摩阻流速，m/s；Jk為k池段平均水力坡度；Rk為池段平均水力半徑，m；g為重力加速度，m/s2。

圖4 線性關(guān)系圖Fig.4 Linear relation diagram

根據(jù)沉沙率的定義［8］，由式（2）可得各池段的沉沙率為：

式中：Sik為池段的分組沉沙率；Qk，Qk+1分別為第k計算池段進出口斷面的流量，m3/s。

將式（3）代入式（7）可得池段分組沉沙率計算公式，即：

由式（8）可得，池段分組沉沙率與該池段的各水力要素和進出口斷面的流量緊密相連，但由于連續(xù)式沉沙池運行特點使得工作段內(nèi)的流量沿程不斷變化，導(dǎo)致池段分組沉沙率較定期沖洗式沉沙池較復(fù)雜及精確確定流量的沿程變化變得困難［9］。由于沉沙池工作段內(nèi)的水流紊動較弱，流速較小且分布均勻，因此，本文假定流量的沿程變化是均勻的，根據(jù)渠道來水流量Q0、溢流出水流量Q1和工作段的長度L近似算出單位長度沿程變化的流量ΔQ，即

式中：ΔQ為沉沙池單位長度沿程變化流量，m3/s；L為沉沙池工作段長度，m。

由式（9）可得到沉沙池第k計算池段進口斷面的流量計算公式為：

式中：x1，x2，…，xk-1分別為沉沙池工作段第1，2，…，k- 1計算段的長度。

將式（9）和（10）代入式（8）可得連續(xù)式沉沙池的池段分組沉沙率。

2.3 工作段分組沉沙率

將式（7）進行轉(zhuǎn)化可得式（12）：

可見：當(dāng)k=1時，；

當(dāng)k=2時，；

當(dāng)k=3 時，；

當(dāng)k=n時，。

將沉沙池的有效工作段斷面劃分為n個計算池段，即k=n，第n+ 1 斷面的分組含沙量Ei(k+1)即是Ei(n+1)，從而得到沉沙池內(nèi)第i粒徑級工作段內(nèi)沉沙率的計算公式：

經(jīng)過無量綱化簡為：

2.4 大于某粒徑級的總沉沙率

工程中通常將大于某一粒徑沉沙率作為衡量沉沙池沉沙效果的標(biāo)準(zhǔn)，其實際上是將泥沙進行了分級處理，每一粒徑組泥沙都可以用一個粒徑級表示，用i代表粒徑組，N代表粒徑級數(shù)，且最大粒徑組數(shù)與粒徑級數(shù)是相等的［10］。將泥沙劃分為m組（級），按粒徑由大到小對其進行粒徑級編號，排列順序為i=m，m-1，…，2，1，大于N粒徑級的泥沙沉沙率為：

式中：N為粒徑級編號，按粒徑由大到小順序排列，N=m，m-1，…，2，1；SN為大于N粒徑級的泥沙沉沙率；Δpi為第i粒徑組泥沙的沙重百分?jǐn)?shù)，%。

由此，可得大于0.5 mm 粒徑級的總沉沙率推定為式（15）中N=0.5時的沉沙率，即：

式中：S0.5為沉沙池大于0.5 mm粒徑級的總沉沙率。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 池段分組沉沙率

（1）池段分組沉沙率。利用室內(nèi)物理試驗得到池段分組沉沙率的實測值，利用式（11）得到池段分組沉沙率理論值，表1為流量7.5 L/s 和含沙量為1 kg/m3條件下的計算值，可得：計算值與理論值之間的誤差較小，最大差值僅為8.54%，隨池段長度的增長，相對誤差呈現(xiàn)遞減趨勢；隨顆粒粒徑的增大，相對誤差逐漸減小。在1.5 m 和2.0 m 池長之間，相對誤差相差較小，說明池段增加到一定程度后，計算誤差值趨于穩(wěn)定。在0.5、1.5 和2.0 m 池段平均相對誤差分別為4.65%、3.31%和2.53%，可以滿足工程計算的需要。

表1 池段分組沉沙率計算值與實測值比較Tab.1 Comparison between calculated and measured values of sediment settling rate in different groups

3.2 工作段分組沉沙率

沉沙池工作段分組沉沙率即全池分組沉沙率，理論值用式（14）計算。表2為1 kg/m3條件下工作段分組沉沙率實測值與理論值的計算結(jié)果比較表，從表2 中數(shù)據(jù)可得，隨流量的增加，在0.15 mm 以下相對誤差先減小后增大，0.15～0.2 mm 之間則逐漸增大，說明流量對沉沙率的影響較大，隨流量的增加，相對誤差逐漸增大。在9.5 L/s 流量下相對誤差雖較5.5 和7.5 L/s 較大，但平均值仍小于5%，說明滿足工程計算需求。

表2 工作段分組沉沙率計算值與實測值比較Tab.2 Comparison of calculation value and measured value of group sedimentation rate of working section

3.3 大于某粒徑級的總沉沙率

由于微灌系統(tǒng)要求的顆粒粒徑范圍小于0.5 mm，因此，本試驗主要驗證粒徑大于0.5 mm 粒徑級顆粒的總沉沙率。由式（16）的計算結(jié)果為理論計算值，從表3結(jié)果可以看出，當(dāng)含沙量一定時，隨流量的增加相對誤差呈現(xiàn)先減后增趨勢，當(dāng)流量一定時，隨含沙量增加呈相同趨勢，說明本公式使用有一定的限制條件，針對一定的閾值需要選擇相應(yīng)的修正系數(shù)。在5.5、7.5和9.5 L/s 流量下平均誤差分別為3.93%、3.56%和4.03%，說明流量對沉沙率的影響較大。針對不同流量不同含沙量對比發(fā)現(xiàn)，相對誤差都小于5%，說明本公式較為符合本范圍條件下的計算。

表3 總沉沙率計算值與實測值比較Tab.3 Comparison between calculated and measured values of total sedimentation rate

4 討 論

傳統(tǒng)連續(xù)性沉沙池主要包括雙室直線型、曲線型、圓中環(huán)型、中進周出型等沉沙池［11，12］。本文研究的連續(xù)性沉沙池主要為新型“V”字形單室直線型沉沙池，單室直線型沉沙池可以有效彌補供水排沙時池內(nèi)沉沙率降低的現(xiàn)象，使沉沙池工作的穩(wěn)定性得到有效保障［13］；較曲線型可有效降低工程的占地面積，并減少單獨在池外部搭建排沙廊道的工程量；圓中環(huán)型和中進周出型沉沙池結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于工程后期維護和管理，單室直線型結(jié)構(gòu)簡單，能夠有效解決上述問題［14，15］。新疆屬于“三山兩盆地”地勢和綠洲農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)多為平原，地勢較為平坦，多采用渠道引水，圓中環(huán)型、中進周出型和曲線型沉沙池，多適用于干、支渠引水的首部，且圓中環(huán)型和中進周出型對地勢要求高，不適用于農(nóng)田灌溉首部［16，17］；因此直線型沉沙池多適用于農(nóng)田灌溉首部，雙室直線型在供水量較大時，不利于底部泥沙的清洗，而單室直線型沉沙池則可有效避免此運行狀況［18］。本文研究過程中所采用的沙樣為十二團農(nóng)田灌溉首部沉沙池內(nèi)的樣品，并沒有將不同顆粒級配的泥沙對公式精確度影響進行分析；由于南疆灌區(qū)含沙量量長期維持為1 kg/m3左右條件下，但本文試驗僅選擇了常用的3種含沙量作為研究對象，對于極限含沙量條件下的研究存在不足，以后需要對不同顆粒級配和含沙量變化的計算精確度做進一步研究。

5 結(jié)論

（1）本文結(jié)合連續(xù)式沉沙池的結(jié)構(gòu)特性，對連續(xù)式沉沙池的池段分組沉沙率、工作段分組沉沙率和大于某粒徑級總沉沙率進行深入探討，通過變換方程、改變迭代變量和影響系數(shù)，推理提出了一個適合于南疆渠首灌溉應(yīng)用的連續(xù)性沉沙池設(shè)計理論指導(dǎo)公式。

（2）通過對池段分組、工作段分組和對大于0.5 mm 粒徑的泥沙顆粒粒徑的總沉沙率對比，平均相對誤差均小于5%，可為南疆引水渠首灌溉沉沙建設(shè)提供參考依據(jù)。

（3）由于本文主要基于5.5～9.5 L/s 流量和0.5～1.5 kg/m3含沙量下對沉沙池沉沙率的分析，所以建議使用范圍為本文研究的內(nèi)容?！?/p>