談沉沙池泥沙淤積方量經(jīng)驗公式的推導

丁尚進，王乾坤，高 博

（1.濟南市水利工程服務中心，山東 濟南250000；2.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心，山東 濟南250100）

田山灌區(qū)沉沙池始建于20世紀70年代，位于平陰縣城西城西洼，在灌區(qū)一級提水泵站和二級提水泵站之間的一級總干渠內(nèi)，承擔著沉淀泥沙、凈化水質(zhì)的重要任務。

田山灌區(qū)現(xiàn)狀沉沙池利用自然洼地沉沙，占地約180 hm2，分為東、西2個沉沙條渠，均為梭型布置，呈南北走向。根據(jù)田山灌區(qū)多年觀測數(shù)據(jù)，1 m3黃河水含沙量約為5 kg，沉沙容重約1 200 kg/m3。隨著供水量的不斷提升，灌區(qū)沉沙池內(nèi)沉淀了大量泥沙，抬高了池底水位，在同等供水流量要求下，運行水位被迫抬高。

在多元化集中供水時，高水位運行將會對整個干渠產(chǎn)生極為不利的影響，既需要大量的人力物力來監(jiān)控渠道的運行狀況，又增加了防汛抗洪壓力。高水位運行還會造成暴露水面增大，水量自然蒸發(fā)及滲漏損失增大，供水效率降低，直接影響灌區(qū)供水的經(jīng)濟效益。

1 研究計算公式的必要性

2016年灌區(qū)完成了沉沙池自20世紀70年代建成以來首次大規(guī)模清淤，總清淤土方約為56萬m3。據(jù)山東省水利科學研究院測算，灌區(qū)年均清淤費用在百萬元以上。在核定灌區(qū)供水成本時，清淤費用也是一項非常重要的成本構(gòu)成，并且占比較高。

如何準確掌握沉沙池的泥沙淤積情況及如何準確計算泥沙淤積方量成為了保證灌區(qū)正常供水與節(jié)能降耗的一項十分必要的重大課題。為此，田山灌區(qū)決定建設“田山灌區(qū)渠道流量智能監(jiān)測管理平臺”，繪出沉沙池水位庫容曲線，并加入泥沙淤積方量及沉沙池庫容差計算模塊，對沉沙池的水位庫容及淤積泥沙進行數(shù)字化管理，提高灌區(qū)整體管理水平及科學調(diào)度能力。

2 存在的困難

2.1 沉沙池斷面復雜

田山灌區(qū)均為梭型布置，呈南北走向。沉沙池任一橫斷面均為梯形斷面，上游渠道斷面較窄，然后橫斷面逐漸擴大，之后再漸漸縮小。變化的橫斷面給泥沙方量的計算帶來一定的困難，經(jīng)分析，將整個沉沙池分為兩段：前段，即橫斷面逐漸擴張的部分；后段，即橫斷面逐漸縮小的部分。每一段建立一個棱臺模型，方便計算。

2.2 沉沙池淤積泥沙的高程呈隨機狀態(tài)

田山灌區(qū)沉沙池內(nèi)沉積的泥沙頂高程，無法完全用公式來擬合，需要進行實測。經(jīng)過測算，沉沙池內(nèi)沉淀的泥沙因為各種條件的影響，并沒有規(guī)律分布，而是呈現(xiàn)隨機狀態(tài)，同一橫斷面不同位置的泥沙高程差較為明顯。為簡化計算在一個橫斷面上，根據(jù)實際需要等間距選擇奇數(shù)個點的平均高程作為該斷面的平均高程。

3 經(jīng)驗公式的推定

3.1 基本原理

計算起始時間至終止時間淤積的泥沙方量。

對第一泥沙淤積線（A號線，起始時間）進行分段，從起點（0點）開始，每隔一定間隔（假設為50 m，間隔越小，計算值越接近實際值）設置一個點位，分別編號（1、2....），不足50 m的最末點位編號m。測量出每個點位斷面的渠底線、泥沙線、水面線、渠頂線的平均高程，以相鄰兩個點位斷面作為一個棱臺模型，從0點位斷面開始向后依次計算每個棱臺模型的泥沙淤積體積、過水體積。最后把每個棱臺的體積相加，即可得到泥沙淤積線內(nèi)的泥沙淤積方量和相應的過水方量，如圖1、圖2所示。

圖1 渠道縱剖面圖

圖2 渠道m(xù)點橫斷面圖

對第二泥沙淤積線（B號線，終止時間）采用同樣的方法進行測算。

第二泥沙淤積線與第一泥沙淤積線的泥沙淤積方量、過水方量的差值，即為該段時間內(nèi)的泥沙淤積方量、過水能力變化方量。

3.2 計算方法

泥沙棱臺模型是利用相鄰兩個點位斷面間的斷面線、渠底線、泥沙線所圍成的棱臺作為一個模型，計算模型的泥沙體積。

過水方量棱臺模型是利用相鄰兩個點位斷面間的斷面線、泥沙線、水面線所圍成的棱臺作為一個模型，計算模型的過水體積。

3.3 核心公式

棱臺模型體積公式：

式中：V為淤積泥沙方量或過水方量；H為相鄰兩個斷面之間的距離；S1、S2分別為相鄰兩個斷面面積。

4 結(jié)語

該經(jīng)驗公式是對測算梭型沉沙池泥沙淤積方量的計算方法的創(chuàng)新，已經(jīng)成為“田山灌區(qū)渠道流量智能監(jiān)測管理平臺”計算沉沙池庫容的重要理論依據(jù)，可較為準確地計算梭型沉沙池中泥沙淤積方量，輔助清淤費用預算，可以利用測算結(jié)果預測將來的泥沙淤積情況，分析評估泥沙淤積對供水效率和供水安全的影響。