位山灌區(qū)重力沉沙過濾池泥沙運動規(guī)律分析

王世鵬

(聊城市位山灌區(qū)管理處，山東 聊城 252000)

河水滴灌重力沉沙過濾池是一種由沉淀池、過濾網(wǎng)、清水池等組成的新型沉沙過濾池，具有經(jīng)濟性好、控制面積大以及無能耗等優(yōu)點，因此在各灌區(qū)應(yīng)用廣泛。目前，關(guān)于河水滴灌重力沉沙過濾池的研究已取得一定成果，但仍需作進一步的探討。

引黃灌區(qū)是黃河流域最重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，由于黃河泥沙含量高，因此，對于泥沙調(diào)控的研究就顯得尤為重要。位山引黃灌區(qū)屬特大型灌區(qū)，近年來，關(guān)于位山灌區(qū)的研究較多，如王艷茹等[1]、王玉偉等[2]分別基于MODFLOW和人工示蹤法對灌區(qū)地下水補給特征進行了分析研究；吳復(fù)昌[3]基于PSO算法對位山灌區(qū)和小開河灌區(qū)的輸水調(diào)度模型進行了優(yōu)化探討，結(jié)果表明兩個灌區(qū)的輸水滲漏損失量可以分別降低25.9%和16.8%；張虹龍等[4]、胡健等[5]則分別對位山灌區(qū)泥沙淤積特征和沉沙池輸沙通道減淤效果進行了研究，為灌區(qū)減沙、截沙提供了理論支撐，但仍有需要繼續(xù)改進和探討的地方。

本文以位山灌區(qū)為例，對不同沉淀池長度和溢流堰長度下的重力沉沙過濾池泥沙運動規(guī)律進行了探討分析，可為促進灌區(qū)建設(shè)、提高水沙分離效率提供借鑒。

1 灌區(qū)概況

位山灌區(qū)始建于1958年，設(shè)計最大灌溉面積1145萬畝，是黃河下游最大的引黃灌區(qū)，居全國特大型灌區(qū)的第五位。灌區(qū)主要骨干建筑物包括：東西2條輸沙渠、3條主干渠以及2個沉沙池，總長度達到274km；分干渠共53條，總長度為797km；流量大于1m3/s的支渠共有393條，總長度達到1419km；擁有各類型水工建筑物5000余座。引水至今，灌區(qū)已累計引水?dāng)?shù)百億立方米，為灌區(qū)帶來年均增產(chǎn)10億元的經(jīng)濟效益。

2 模型試驗設(shè)計

模型設(shè)計引水流量為0.05m3/s，沉淀池設(shè)計長度為15m、20m、25m，溢流堰設(shè)計長度為2m、3m、5m，共設(shè)計9種工況，見表1。濾網(wǎng)角度為38°，泥沙取自當(dāng)?shù)睾拥?每種工況下的泥沙級配均相同)，進水含沙量為1.5kg/m3，濾網(wǎng)數(shù)目為100目。實驗儀器包括流速儀、測針、電子天平、溫度計、錐形瓶、電子水準(zhǔn)儀和移液管等。為便于分析，將水流方向定義為X軸，寬度方向定義為Y軸，水深方向定義為Z軸，分別測定不同測點處的含沙量，測點布置示意見圖1。

表1 模型試驗工況及測點布置

3 試驗結(jié)果分析

3.1 含沙量沿程變化特征

不同工況下的斷面平均含沙量沿程變化曲線見圖2。從圖2中可以看出：不同工況下的斷面含沙量平均值大體呈三階段變化特征，即在沉淀池首部的快速降低階段、在沉淀池中部的緩慢減小階段以及在沉淀池尾部的回升階段。在沉淀池首部，由于大顆粒泥沙在重力作用下迅速沉降，因而水中的含沙量快速降低，在沉淀池中部，由于水流流速此時較為穩(wěn)定，泥沙顆粒受水流的影響較小，在重力和水流流動的共同作用下，泥沙顆粒出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，表層含沙量小于底層含沙量，越往沉淀池尾部走，水中及底部淤積的顆粒粒徑越細(xì)，當(dāng)在沉淀池尾部即溢流堰區(qū)時，由于水流流速降低，且受到溢流堰的橫向阻擋，使得各層之間的水流相對運動加大從而形成漩渦和回流現(xiàn)象，帶動底部的泥沙重新開始運動，故而加大了水中含沙量；因此，在設(shè)計時，應(yīng)該將溢流堰稍微往沉淀池上游移動一定距離以避免出現(xiàn)溢流堰前水流流速不均勻而導(dǎo)致含沙量較大的問題。

圖1 模型試驗測點布置示意 (單位：mm)

圖2 含沙量沿程變化曲線

3.2 含沙量隨水深方向變化特征

當(dāng)沉淀池長度一定(20m)時，不同溢流堰長度下的含沙量隨水深的變化關(guān)系曲線見圖3。從圖3中可知：在泥沙顆粒受重力作用情況下，含沙量表現(xiàn)為底層>1/2水深處>表層，表層的含沙量越小，則表明流過溢流堰的水體中含沙量越少，截沙效果越明顯；當(dāng)沉淀池長度一定時，隨著溢流堰長度的增加，同一深度處的含沙量增大，且隨著溢流堰長度的增加，含沙量的脈動性增強(起伏較小)，這表明溢流堰在一定程度上增加了水流的漩渦和回流現(xiàn)象，使得水體的沙顆粒再次運動；在沉淀池尾部，含沙量均有一定程度的回升，且隨著溢流堰長度的增加，回升幅度增大，這也與堰前產(chǎn)生的紊流有關(guān)；值得注意的是，當(dāng)溢流堰長度為3m時，沉淀池中后段的含沙量最小。

圖3 不同溢流堰長度下含沙量隨水深變化關(guān)系(沉淀池長20m)

當(dāng)溢流堰長度一定(3m)時，不同沉淀池長度下的含沙量隨水深的變化關(guān)系曲線見圖4。從圖4中可知：在相同層面，水體的含沙量在不同沉淀池長度下表現(xiàn)不同，整體而言隨著沉淀池長度的增加而減少，但在沉淀池尾部區(qū)域，20m沉淀池長度下表層、1/2水深處以及底層的含沙量最??；綜合分析可知：當(dāng)沉淀池長20m、溢流堰長3m時的堰前含沙量最小，表明過流水體含沙量越低，泥沙沉降效果越顯著。

圖4 不同沉淀池長度下含沙量隨水深的變化關(guān)系(溢流堰長3m)

3.3 截沙率分析

不同工況下的截沙率統(tǒng)計情況見表2。從表2數(shù)據(jù)可知：沉淀池的截沙率最大，其次為溢流堰，清水池的截沙率最小，這是因為在沉淀池中，大部分大顆粒泥沙已經(jīng)得到沉降，而在進入溢流堰后，一部分泥沙顆粒也得到沉降，使得進入清水池的泥沙含量本來就低，因此該部位的截沙率也較低；總體截沙率并不簡單等于沉淀池、溢流堰以及清水池的截沙率之和，存在一定出入，這可能與泥沙質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計誤差有關(guān)；對總體截沙率來講，沉淀池長20m和25m時的沉沙效果基本相當(dāng)，當(dāng)沉淀池長20m、溢流堰長3m時，截沙率達到60.8%，且此時沉降截沙主要集中于沉淀池，沉淀池的截沙率達到53.7%，對溢流堰和清水池的濾沙、沉沙過程有利。

表2 不同部位截沙率統(tǒng)計 單位：%

3.4 顆粒級配分析

對不同斷面處的沉積泥沙顆粒級配進行統(tǒng)計分析，見圖5(溢流堰長3m)。在沉淀池長15m時，粒徑大于0.1mm的顆?；救考杏诔恋沓貎?nèi)，僅有少部分0.1mm以下的粒徑沉淀于此，清水池內(nèi)的粒徑基本小于0.1mm，少部分0.1～0.08mm粒徑顆粒通過濾網(wǎng)進入到清水池內(nèi)，且0.08mm以下粒徑的含量占比達到了80%以上；當(dāng)沉淀池長20m時，0.1mm以上粒徑的泥沙顆粒主要集中于斷面0+10處，當(dāng)?shù)搅藬嗝?+19.5時，大于0.1mm粒徑的泥沙顆粒僅占20%，清水池中，小于0.1mm粒徑的泥沙顆粒占比達到85%，且基本都是細(xì)顆粒泥沙；當(dāng)沉淀池長25m時，斷面0+12.5之前基本均為0.1mm粒徑以上的泥沙顆粒，當(dāng)?shù)竭_斷面0+18.75后，泥沙顆粒開始變細(xì)，小于0.1mm粒徑的顆粒占比達到80%，當(dāng)?shù)竭_斷面0+24.5后，沉淀泥沙顆粒基本均為小顆粒，在清水池中，小顆粒泥沙的占比達到90%以上。

綜上分析：當(dāng)沉淀池長20m時，有85%以上的大顆粒均沉淀在沉淀池中，而通過濾網(wǎng)和清水池后，大顆粒泥沙顆?；究梢缘玫接行С恋?，增加沉淀池長度可以在一定程度上增加大顆粒泥沙的沉降效果，但是也會大大增加工程造價，綜合考慮各項因素，認(rèn)為20m長沉淀池為最佳選擇。

圖5 沉積泥沙顆粒級配分析

4 結(jié) 語

a.含沙量沿程呈“快速下降—緩慢穩(wěn)態(tài)下降—回升”三個階段，底層含沙量>1/2水深處含沙量>表層含沙量；溢流堰越長，含沙量脈動現(xiàn)象越明顯，溢流堰長3m時的堰前含沙量最?。怀恋沓卦介L，同一水深層面處的含沙量越小。

b.沉淀池長20m和25m時的沉沙效果基本相當(dāng)，當(dāng)沉淀池長20m、溢流堰長3m時，沉降截沙效果較為顯著，且此時大顆粒沉降率達到85%以上，由于后續(xù)過濾網(wǎng)和清水池還有一定的沉降作用，在考慮工程造價因素下，認(rèn)為20m長沉淀池為最佳選擇。

c.建議在設(shè)計時，將溢流堰向沉淀池方向稍微移動一定距離以防止漩渦、回流攪動泥沙，從而造成泥沙含量再次回升。