重力沉沙過濾池對高含沙河水的沉沙效果分析

戚印鑫，孫 娟，耿凡坤

(新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830049)

新疆干旱少雨，農(nóng)業(yè)發(fā)展主要依靠田間灌溉。隨著耕地面積的不斷開發(fā)，水資源也日趨緊張。為了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保障農(nóng)業(yè)用水安全，水利主管部門一方面嚴(yán)格控制用水總量，另一方面不斷提高用水效率，尤其是農(nóng)業(yè)用水方面。為此，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉在新疆大面積推廣，十二五以來實(shí)施滴灌面積133.33萬hm2[1]，目前在全國范圍內(nèi)發(fā)展迅速，逐步成為最大的高效節(jié)水灌溉區(qū)。按照目前的發(fā)展勢頭，到十三五末期新疆高效節(jié)水面積將達(dá)到286.67萬hm2以上[2]。由于滴灌用水對水質(zhì)要求較高，節(jié)水灌溉初期主要以地下水為主，造成地下水開采嚴(yán)重。為了遏制過度開采地下水，幾年來逐步采用地表水作為滴灌水源，以緩解嚴(yán)重超采的地下水。

新疆山溪性河流眾多，洪水期河水含沙量大，同期也是灌溉高峰期，采用河水作為滴灌水源，首要解決的問題就是要降低河水含沙量。為此，科研人員研制了多種除沙裝置，如條形沉沙池、砂石過濾器等，其中河水滴灌重力沉沙過濾池是在傳統(tǒng)沉沙池的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的一種新型沉沙池，其以投資較低、運(yùn)行管理方便、沖沙水量少等優(yōu)勢，研制四年來得到了較快發(fā)展，目前全疆已建成30多座重力沉沙池。近兩年對重力沉沙過濾池進(jìn)行原型試驗(yàn)觀測，其除沙率可以達(dá)到30% ～50%以上[3]，相比同規(guī)格尺寸的直線型沉沙池，重力沉沙過濾池處理泥沙效果明顯，同時(shí)具有清除水中漂浮物、浮游生物的作用。對此類沉沙池的研究與技術(shù)推廣，將具有很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)尺寸

1.1 工作原理

重力沉沙過濾池是在傳統(tǒng)條形沉沙池結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，沉沙池主要包括條形沉淀池和過濾池兩大部分，同時(shí)在沉淀池下段設(shè)置溢流側(cè)堰和過濾網(wǎng)，過濾網(wǎng)采用斜鋪方式，過濾網(wǎng)具有除沙和清除漂浮物的作用，過濾池還可以繼續(xù)沉淀一部分泥沙。在條形沉淀池和過濾池末端各設(shè)置沖沙閘，用于定期沖洗池內(nèi)沉淀的泥沙。在過濾網(wǎng)外側(cè)設(shè)置集污槽，用于收集泥沙、漂浮物及浮游生物等，同時(shí)集污槽末端也有沖沙閘，定期打開沖沙閘排泄泥沙及污物。過濾池末端的清水通過埋設(shè)的管道將河水輸送至田間滴灌系統(tǒng)。以上沉沙、清漂、供水、沖沙等功能都可以自然完成，或借助河水自動完成，無需提供外來動力。如選擇較高的地形布置重力沉沙過濾池，還可以為田間滴灌系統(tǒng)提供重力加壓功能，不用機(jī)械加壓，運(yùn)行費(fèi)用也隨之降低。

1.2 結(jié)構(gòu)尺寸

重力沉沙過濾池主要結(jié)構(gòu)布置可以采用矩形和梯形，依據(jù)水流流過過濾網(wǎng)方向分為外斜跨、內(nèi)斜跨、內(nèi)外斜跨等三種常用的型式。條形池尺寸計(jì)算依據(jù)《水利水電工程沉沙池設(shè)計(jì)規(guī)范》[4](SL269－2001))有關(guān)公式，泥沙沉降控制粒徑0.1mm。過濾網(wǎng)目數(shù)在80目～150目之間。過濾池容積計(jì)算以上游突然斷水后清水池內(nèi)供5min～10min滴灌用水水量要求進(jìn)行控制[5]。

沉沙池在沖洗泥沙時(shí)應(yīng)具有足夠的沖沙水頭和相應(yīng)的流量，沖沙時(shí)根據(jù)泥沙沉淀情況定期沖洗，一般沖洗周期要滿足滴灌的輪灌時(shí)段安排。在不滿足自動沖洗條件下，可以采用機(jī)械清淤或人工清淤，并需留有足夠的堆沙位置，不要對周圍環(huán)境和其他工程造成不利影響。

下面主要針對瑪納斯涼州戶鎮(zhèn)五圣宮村重力沉沙過濾池進(jìn)行介紹，沉沙池主要包括:引水渠、沉沙池、溢流堰、過濾網(wǎng)、清水池等幾部分。詳見圖1。

圖1 五圣宮村重力沉沙過濾池平面布置圖

重力沉沙過濾池尺寸依據(jù)規(guī)范計(jì)算[6]，池長80 m、寬30m、池深2.6m。其中過濾網(wǎng)及溢流側(cè)堰長60m，過濾網(wǎng)鋪設(shè)角度30°，濾網(wǎng)下設(shè)置清水池，采用直墻布置。進(jìn)水渠軸線與沉沙池軸線90°夾角，引水渠設(shè)計(jì)為工作流量。

條形沉沙池內(nèi)設(shè)置束水墻，束水墻進(jìn)口處設(shè)置進(jìn)水閘和攔污柵，束水墻末端設(shè)置一孔沖沙閘。沖沙流量一般取工作流量的5% ～8%[4]。同時(shí)保證沖沙順暢。

條形沉沙池左側(cè)設(shè)置側(cè)向溢流堰，溢流表層清水，溢流堰頂高程低于條形沉沙池頂部0.3m～0.4 m，水深小于 0.1m[4]。溢流堰應(yīng)滿足自由出流條件。

過濾池包含不銹鋼濾網(wǎng)、清水池和集污槽三部分。過濾網(wǎng)周邊及骨架采用角鋼和螺栓固定，過濾網(wǎng)周邊角鋼與混凝土池體應(yīng)封閉。過濾網(wǎng)型號采用GB316L不銹鋼絲材料，濾網(wǎng)網(wǎng)目為120目，過濾河水中的泥沙、漂浮物、浮游生物等雜物，濾網(wǎng)頂高程比堰頂高程低0.05m左右。

清水池在過濾網(wǎng)下部，采用直墻布置，用于收集過濾后的河水，過濾池還可以沉降一部分泥沙。集污槽主要用于收集從濾網(wǎng)上沖下來的泥沙、雜物，集污槽的頂高程應(yīng)高于清水池設(shè)計(jì)水深0.2m左右。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)及成果分析

2.1 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)設(shè)備

重力沉沙過濾池利用條形沉淀池和過濾網(wǎng)兩級處理泥沙，其泥沙處理效果主要從除沙率和泥沙粒徑兩個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)，沉沙池中的流速是影響泥沙沉淀的一個(gè)主要因素。因此，試驗(yàn)方案將圍繞以上三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行布置。首先，利用測沙儀對重力沉沙池的進(jìn)口、條形池、過濾池、出口等14個(gè)斷面進(jìn)行含沙量測試。瑪河夏季6月～8月主要發(fā)生暴雨融雪混合型洪水，洪水峰高、量大、持續(xù)時(shí)間短[7]，山洪一般在第二天的上午10∶00～16∶00時(shí)段到達(dá)沉沙池位置，之后逐漸減小，隔天又逐漸增大、減小。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性及一致性，需要在3h內(nèi)完成以上斷面的含沙量和流速數(shù)據(jù)采集。顆分試驗(yàn)則是在一次沖沙周期內(nèi)取樣，在試驗(yàn)室內(nèi)完成。含沙量和流速數(shù)據(jù)采用南京水利科學(xué)研究院研制的智能測沙儀和智能流速儀進(jìn)行測試，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，試驗(yàn)中對含沙量取3組～5組做室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行對比，復(fù)核測沙儀的準(zhǔn)確性。

2.2 斷面選擇與試驗(yàn)成果

試驗(yàn)選取五圣宮村重力沉沙過濾池，該工程采用單項(xiàng)斜跨式布置，設(shè)計(jì)流量1.0m3/s，河水泥沙經(jīng)處理后，主要為下游城市景觀提供水源，流經(jīng)城市后再進(jìn)入農(nóng)田灌溉。

瑪河在洪水季節(jié)河水含沙量較大，由于上游沒有水庫，高含沙水流直接通過渠首引入渠道和灌區(qū)。現(xiàn)場測試三宮渠河水含沙量都在3kg/m3～10kg/m3左右，在洪水季節(jié)河水含沙量較大。

本次試驗(yàn)，主要測試沉沙池中進(jìn)池和出池含沙量變化，沉沙池內(nèi)不同部位沉積的泥沙粒徑，沉沙池中各點(diǎn)流速。

試驗(yàn)測試時(shí)河水在進(jìn)入沉沙池其含沙量分別為3.57kg/m3、5.27kg/m3，通過條形沉沙池、過濾池后，測試清水池出口，其含沙量有明顯的減小。試驗(yàn)中每個(gè)測試點(diǎn)均測試二十五組以上數(shù)據(jù)，然后取多組比較接近的數(shù)據(jù)的平均值作為該點(diǎn)的含沙量數(shù)據(jù)，從而消除單組測試誤差。試驗(yàn)點(diǎn)位見圖2，試驗(yàn)成果見表1、表2。不同河水含沙量經(jīng)過重力沉沙過濾池時(shí)，在不同測試點(diǎn)的含沙量通過圖3可以反映出來，泥沙含量在不斷減少。

圖2 重力沉沙過濾池測試點(diǎn)位圖

表1 重力沉沙池試驗(yàn)1結(jié)果

表2 重力沉沙池試驗(yàn)2結(jié)果

試驗(yàn)中取樣部位包括條形沉沙池內(nèi)、過濾網(wǎng)上部、過濾網(wǎng)下部清水池內(nèi)，以及沉沙池進(jìn)口、出口等部位，顆分試驗(yàn)成果見圖4。具體位置分別在沉沙池上游渠道內(nèi)，進(jìn)水閘后5m，濾網(wǎng)前條形池內(nèi)0m、20m、40m、60m 位置，濾網(wǎng)上 0m、60m 位置，清水池20m、40m、60m位置，以及沉沙池出口等斷面處沉積的泥沙。

圖3 不同河水含沙量沉沙效果

圖4 重力沉沙池泥沙不同位置泥沙顆分曲線

2.3 不同含沙量的沉沙率

河水通過條形沉沙池及過濾網(wǎng)后，泥沙經(jīng)過兩級處理，河水中的有機(jī)物、雜質(zhì)等也經(jīng)過過濾網(wǎng)濾除，出池水質(zhì)有較明顯的改善。具體內(nèi)容為:

(1)通過表1和表2的試驗(yàn)成果分析，河水通過沉沙過濾池的沉淀與過濾處理，泥沙處理率達(dá)到38% ～46%，清水池出口位置含沙量在2.23kg/m3～2.85kg/m3以內(nèi)。其中條形沉沙池泥沙處理率為15%～22%。過濾網(wǎng)及清水池泥沙處理率為24%。該座沉沙池過濾網(wǎng)泥沙處理效率比前述15%左右還有所提高[8]，說明加入過濾網(wǎng)后泥沙處理效率仍然顯著，同時(shí)對處理含沙量較大的河水效果明顯。

(2)從表1、表2中還可以看出，對于相同結(jié)構(gòu)型式的重量沉沙過濾池，河水含沙量越高，其處理泥沙的效果越好。尤其是對于條形沉沙池部分效果明顯，即顆粒大的泥沙可以通過自然沉降清除，顆粒小的泥沙通過濾網(wǎng)強(qiáng)行清除，說明增加過濾網(wǎng)可以有效減小條形池的容積，達(dá)到降低工程投資的作用。

(3)對沉沙池中不同位置取樣做顆分試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見圖4，從圖4顆分曲線分析，條形沉沙池中處理的泥沙粒徑主要分布在0.25mm～0.05mm之間，過濾網(wǎng)上的泥沙粒徑范圍0.1mm～0.03mm;清水池中的泥沙粒徑范圍0.03mm～0.002mm。通過以上數(shù)據(jù)反映出，重力沉沙過濾池不同部位在處理不同粒徑的泥沙中各自發(fā)揮效應(yīng)，從而將河水中大于0.05mm以上的泥沙基本都能處理掉。

從顆分曲線還可以反映出，條形沉沙池主要處理粗顆粒泥沙、即河水中大于0.1mm粒徑的泥沙，這也與前述沉沙池結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)時(shí)控制粒徑相一致，說明沉沙池設(shè)計(jì)尺寸基本合適。過濾網(wǎng)及清水池主要處理0.1mm以下的泥沙，反映出過濾網(wǎng)也承擔(dān)了一部分處理泥沙的功能，尤其是細(xì)顆粒泥沙。按照規(guī)范計(jì)算，泥沙粒徑每減小0.01mm，相應(yīng)的條形沉沙池增加長度是原來的四倍左右。而采用過濾網(wǎng)后，條形沉沙池長度則可以減少很多，從而降低了重力沉沙池的工程投資。

(4)沉沙池內(nèi)各斷面流速基本都小于0.2m/s，只有在清水池出口局部有流速超過0.2m/s的斷面，主要是由于下游進(jìn)入景觀河道縱坡較大造成。以上流速也符合規(guī)范要求。通過對多座沉沙池的現(xiàn)場測試，流速都在0.2m/s以下，該流速將作為重力沉沙池的控制流速，從而保證沉沙池能夠充分工作。

2.4 重力沉沙過濾池的優(yōu)點(diǎn)及不足

現(xiàn)場試驗(yàn)表明，在相同結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，重力沉沙過濾池優(yōu)于傳統(tǒng)沉沙池，但目前設(shè)計(jì)的重力沉沙過濾池還有部分結(jié)構(gòu)尺寸需要進(jìn)一步優(yōu)化和研究。

首先，需要明確條形沉沙池與過濾網(wǎng)清水池各自處理泥沙的粒徑大小，從而為計(jì)算其尺寸提供依據(jù)。

其次，溢流側(cè)堰長度的選取除采用側(cè)堰公式計(jì)算外，還需要通過大量實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。目前運(yùn)行中的沉沙池側(cè)堰長度普遍偏長。

第三，過濾網(wǎng)對投資的影響較大，應(yīng)合理確定濾網(wǎng)面積;為提高過濾網(wǎng)使用效率，濾網(wǎng)鋪放角度也是重要的參數(shù)，需要通過試驗(yàn)確定。

3 結(jié)論

(1)重力沉沙過濾池采用條形池與過濾池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型式，一方面可以提高泥沙的處理效果，另一方面可以過濾水中的漂浮物、浮游生物等影響滴頭的雜質(zhì)。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還可以實(shí)現(xiàn)自動沖洗沉積的泥沙。提高了沉沙池的除沙效率。

(2)現(xiàn)場試驗(yàn)揭示，條形池主要處理0.25mm～0.1mm 的泥沙，過濾池主要處理0.1mm ～0.002 mm的泥沙。采用條形池與過濾網(wǎng)結(jié)合使用，除沙范圍擴(kuò)大很多，條形池與過濾網(wǎng)具有互補(bǔ)作用。泥沙經(jīng)過過濾網(wǎng)后，河水中的泥沙粒徑可以滿足滴灌用水要求[9]。

(3)進(jìn)水含沙量在2.0kg/m3以下時(shí)，出水泥沙含量基本可以滿足滴灌水質(zhì)要求。如果進(jìn)水含沙量超過2.5kg/m3，河水通過沉沙池及過濾網(wǎng)后，出口泥沙含量大于規(guī)范[10]規(guī)定，出水含沙量較大。對于本工程，河水經(jīng)過城市景觀河道后二次沉沙，河水清澈，目測水質(zhì)可滿足滴灌用水要求。

(4)條形沉沙池內(nèi)的流速應(yīng)控制在0.2m/s以下[11]，其沉沙效果相對較好。

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[2]錢 智.在自治區(qū)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水建設(shè)現(xiàn)場會上的講話[J].新疆水利，2012，(3):1-5.

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[5]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中華人民共和國建設(shè)部.GB/T50085－2007.噴灌工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社，2007.

[6]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國建設(shè)部.GB50288－99.灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社，1999.

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[9]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T50485－2009.微灌工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社，2009.

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[11]水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.國家規(guī)劃重點(diǎn)圖書.水工設(shè)計(jì)手冊，第9卷，灌排、供水[M].北京:中國水利水電出版社，2014.