新型異向流沉沙池結構優(yōu)化研究

付海林 李琳

摘要：

為獲得二級泥沙處理設施——新型異向流沉沙池的較優(yōu)結構參數(shù)組合，采用正交試驗的方法，以進流量、薄板間距、泥沙通道寬度、沉沙箱單元寬度為因素，根據(jù)L9（34）標準正交表確定試驗工況并開展試驗。基于試驗結果，應用極差分析獲得各因素對沉沙池泥沙截除率影響的權重順序為：進流量>薄板間距>泥沙通道寬度>沉沙箱單元寬度。應用層次分析法獲得了各因素水平的較優(yōu)組合，含沙濃度為5 kg/m3時，較優(yōu)組合為：進流量135 L/h，薄板間距20 mm，泥沙通道寬度1 mm，沉沙箱單元寬度30 cm，泥沙截除率為72.7%；含沙濃度為15 kg/m3時，較優(yōu)組合參數(shù)為：進流量135 L/h，薄板間距10 mm，泥沙通道寬度5 mm，沉沙箱單元寬度30 cm，泥沙截除率為98.8%。研究結果對新型異向流沉沙池的工程設計具有一定的指導意義。

關 鍵 詞：

異向流沉沙池； 結構設計； 層次分析法； 正交試驗； 支持向量機

中圖法分類號： S275.6

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.028

0 引 言

西北內(nèi)陸干旱半干旱地區(qū)河流普遍具有水少沙多、汛期含沙量高、泥沙級配分布廣的特點，部分河水中的泥沙濃度可達每數(shù)十甚至數(shù)百kg/m3［1-3］，若不經(jīng)處理直接引水入庫、引水發(fā)電、引水灌溉，會造成水庫淤積、水電站機組磨損、灌渠淤積及灌水設備報廢等問題［4-7］。因此，在多沙河流地區(qū)修建引水發(fā)電及引水灌溉工程時，需要配套修建一級、二級攔沙排沙建筑物對泥沙進行處理。目前工程中廣泛應用的二級泥沙處理設施為傳統(tǒng)的條形或箱式沉沙池，國內(nèi)外諸多學者對其開展了大量研究和應用，結果表明傳統(tǒng)沉沙池對大粒徑的泥沙去除效果較明顯。但對于含細顆粒泥沙的水流，如一些粒徑小于0.03 mm的泥沙占含沙總量40%以上的河流［8-9］，傳統(tǒng)沉沙池攔沙排沙效果并不理想，未去除的泥沙會堵塞后續(xù)用水系統(tǒng)中的過濾器和微灌設備，給農(nóng)業(yè)灌溉和生產(chǎn)造成不利影響，而若為了去除細顆粒泥沙而擴大沉沙池規(guī)模，又往往受到土地面積的限制。為了進一步提高高濃度含細沙水流中細顆粒泥沙的沉降效率，減小占地面積，國內(nèi)外學者陸續(xù)研發(fā)了新型的泥沙處理設施，如斜板沉沙池［10］、斜管沉沙池［11］、分離鰓［12］等。相關研究表明，新型泥沙處理設施相較于傳統(tǒng)沉沙池而言，占地面積小，對細顆粒泥沙的沉降效率高，但沉沙池的斜板或斜管內(nèi)易積存泥沙、排沙耗水量大、造價高［13-17］；分離鰓應用于泥沙動水沉降時截除率降低，且其結構形式不便于清淤與維修［18-20］。

基于目前工程中二級泥沙處理設施的應用現(xiàn)狀及存在的問題，筆者所在課題組研發(fā)了一種新型水沙分離裝置——新型異向流沉沙池［21］（專利號：ZL202011376457.4）。該裝置可實現(xiàn)高效率、低能耗、無淤積、自清洗、綠色無污染的細顆粒泥沙預處理。李琳等［22］探明并揭示了該裝置高效沉沙的機理，確定了薄板最佳布置傾角。但目前該沉沙池的泥沙截除率和結構參數(shù)（進流量大小、薄板間距、泥沙通道寬度及沉沙箱單元寬度）間的響應關系尚不明確，工程應用時缺乏設計依據(jù)。因此，本文通過系統(tǒng)試驗和理論分析相結合的方法對新型異向流沉沙池結構參數(shù)對泥沙截除率的影響及其較優(yōu)參數(shù)組合開展研究，建立泥沙截除率計算模型，為該沉沙池結構設計優(yōu)化和工程應用提供理論依據(jù)。

1 試驗方法及過程

1.1 新型異向流沉沙池工作原理

新型異向流沉沙池（見圖1）由有壓進水管、有壓進水箱、沉沙箱、薄板、集沙箱、排沙管和無壓出水池組成，水沙混合物自有壓進水管流入進水箱，進水箱內(nèi)設有隔水擋板將進水箱和集沙箱分隔，使泥沙沉降過程不受進流干擾。水沙混合物在沉沙箱內(nèi)實現(xiàn)異向水沙分離，分離后的“清水”沿沉沙池頂部及左邊墻向上游流動進入出水池，通過清水出流通道由溢流槽排出；泥沙則沉降于薄板上（每個沉沙箱單元內(nèi)置有多層且沿長度和寬度方向傾斜布置）并沿薄板表面滑動進入右邊墻處的泥沙通道，隨即在泥沙通道自由沉降至底板，最終匯入集沙箱內(nèi)，在泥沙通道的自由沉降過程會形成“沙簾”現(xiàn)象。集沙箱頂部設有蓋板，防止集沙箱內(nèi)泥沙二次懸浮。圖1所示為沉沙池寬度固定時將沉沙箱分為兩個單元的情況（黑色箭頭表示水流流向，紅色箭頭表示泥沙沉降路徑），設每個單元寬度為D，泥沙通道寬度為C（薄板低端與右邊墻形成的間距），薄板間距為B（兩薄板間的垂直距離）。

1.2 試驗裝置、材料及方案

本次研究采用的沉沙池裝置長96 cm、寬30 cm、高110 cm，薄板的傾角α為60°，β為45°（α為薄板沿沉沙箱單元寬度方向的傾角，β為薄板沿沉沙池長度方向的傾角）。以進流量A、薄板間距B、泥沙通道寬度C和沉沙箱的單元寬度D為影響因素，選擇L9（34）的標準正交表［23］確定試驗工況，各影響因素及取值見表1。表中沉沙箱單元寬度是指沉沙池寬度不變（試驗中固定為30 cm），沉沙箱被均分成不同數(shù)量的單元時每一單元的寬度，如沉沙箱被分成3個單元時，其對應的沉沙箱單元寬度為10 cm。

該沉沙池主要應用于南疆地區(qū)的河流泥沙處理，該區(qū)域主要河流汛期的平均含沙濃度為5 kg/m3，最大含沙濃度不超過15 kg/m3，細顆粒泥沙含量高，且以小于0.075 mm的泥沙為主［24］。因此，結合實際河流中的泥沙特征及工程當中對泥沙攔截的需求，試驗中水流含沙濃度Sv選定為5 kg/m3和15 kg/m3，試驗用泥沙級配曲線如圖2所示，其中粒徑小于0.075 mm的顆粒占80%，顆粒中值粒徑d50為0.029 mm。

2 結果及討論

2.1 水沙分離現(xiàn)象分析

圖3為試驗進行2 h、含沙濃度為15 kg/m3時，不同試驗組次的水沙分離現(xiàn)象。圖3（a），（b）為試驗組次1、3下的水沙分離現(xiàn)象，進流量均為135 L/h。圖3（a）中清渾交界面位于進水池1/2高處，圖3（b）中清渾交界面與進水池蓋板齊平。由兩小圖中出水池的局部放大圖可知，雖然清渾交界面高低有差異，但兩組出水池中水的透明度相差無幾。這說明，沉沙池中薄板間距越小，池中的清渾交界面越低，相同時間泥沙沉降速度越快。這是因為薄板間距越小，薄板越多，濕周越大，水流流速越小，越有利于泥沙沉降，泥沙沉降路徑隨薄板間距減小而縮短，經(jīng)過較短的時間沉降至薄板后以較大的滑動速度運動至泥沙通道后排出。

試驗組次4～9的試驗現(xiàn)象類似，故圖3（c），（d）中僅列出了試驗組次4和5的試驗現(xiàn)象，進流量均為540 L/h。從圖3（c），（d）中可以看到，由于進流量較大，兩沉沙池均未出現(xiàn)清渾交界面，沉沙箱內(nèi)的水沙分離現(xiàn)象無明顯差異，這是因為流量增大，紊動強度增大，泥沙更易隨水流向上運動。另外發(fā)現(xiàn)，進流量較大時，沉沙池內(nèi)出現(xiàn)了“沙簾”現(xiàn)象，如圖3（c），（d）所示。對比可知試驗組次5的“沙簾”相較試驗組次4的更密集，說明泥沙通道寬度過小不利于薄板上的泥沙快速排出，且會降低沉沙池的截除效率。這是因為泥沙通道過小易被堵塞，會阻礙泥沙在通道內(nèi)的沉降，同時當泥沙淤積在通道無法及時排出時，會出現(xiàn)沉降下來的泥沙再次懸浮并隨水流溢出的現(xiàn)象。當泥沙通道寬度增加后，堵塞現(xiàn)象消失，有利于泥沙的及時排出，提高了沉沙池的攔沙排沙效率。

2.2 極差分析

基于正交試驗結果（見表2）的泥沙截除率極差分析結果列于表3中。表中Ki1表示第i因素1水平下所對應試驗指標和的平均值，以此類推。極差Ri反映了第i因素水平變動時試驗指標的變動幅度。Ri越大，說明該因素對試驗指標的影響越大。

由表3可知，在不同含沙濃度的試驗工況下，各因素對泥沙截除率的影響因素主次順序一致。按對泥沙截除率影響作用大小排序，進水口流量的極差最大，其次是薄板間距、泥沙通道寬度和沉沙箱單元寬度，故各因素對泥沙截除率的影響主次順序為A>B>C>D。

2.3 層次分析法分析

為了檢驗上述模型的精度，用表2中的試驗組次7和文獻［22］中的試驗數(shù)據(jù)對泥沙截除率進行預測，具體結果見表6。由表6可知，不同含沙濃度時絕對誤差范圍分別為：0.46%～8.85%（5 kg/m3）、3.52%～9.40%（11 kg/m3）、1.76%（15 kg/m3），絕對誤差均小于10%，模型較穩(wěn)定，預測精度較高。

基于以上回歸模型，計算了表1中各因素及其水平下全面組合共計81組數(shù)據(jù)的泥沙截除率，計算結果見圖4。圖4中試驗組次1～27、28～54、55～81的進流量分別為135 L/h、540 L/h和1 080 L/h。通過圖4可得：沉沙池的截除率隨著進流量增加而下降，當進流量一定時，隨著各組次沉沙池結構尺寸的變化，泥沙截除率會隨之變化。在所有預測值中，含沙濃度為5 kg/m3和15 kg/m3時泥沙截除率的最大值分別為72.7%和98.8%，相應的較優(yōu)結構參數(shù)組合與層次分析法選出的最佳水平組合工況一致，即含沙濃度為5 kg/m3時，較優(yōu)組合為：進流量135 L/h、薄板間距20 mm、泥沙通道寬度1mm、沉沙箱單元寬度30 cm；當含沙濃度為15 kg/m3時，較優(yōu)組合為：進流量135 L/h、薄板間距10 mm、泥沙通道寬度5 mm、沉沙箱單元寬度30 cm。

3 結 論

本文基于正交試驗法對新型異向流沉沙池結構參數(shù)開展了優(yōu)化研究，并結合極差分析法、層次分析法和支持向量機模型對試驗結果進行了分析，主要得到如下結論：

（1） 新型異向流沉沙池各因素對泥沙截除率的影響權重順序為：進流量>薄板間距>泥沙通道寬度>沉沙箱單元寬度。進流含沙濃度為5 kg/m3時，各參數(shù)較優(yōu)水平組合為：進流量135 L/h、薄板間距20 mm、泥沙通道寬度1 mm、沉沙箱單元寬度30 cm；進流含沙濃度為15 kg/m3時，各參數(shù)較優(yōu)水平組合為：進流量135 L/h、薄板間距10 mm、泥沙通道寬度5 mm、沉沙箱單元寬度30 cm。

（2） 基于試驗結果建立了以泥沙截除率為因變量，進流量、薄板間距、泥沙通道寬度和沉沙箱單元寬度為自變量的SVM回歸模型，不同含沙濃度時擬合優(yōu)度（R2）分別為：0.999 9（5 kg/m3）和0.999 9（15 kg/m3），對應MSE分別為：1.19×10-4和5.57×10-5。經(jīng)過檢驗，本文提出的SVM回歸模型的絕對誤差均小于10%，模型較穩(wěn)定，預測精度高。

工程設計時，若待處理泥沙粒徑級配與本次試驗所用泥沙級配接近，可以不同含沙濃度下較高泥沙截除率時的較優(yōu)參數(shù)水平組合作為新型異向流沉沙池的標準單元；當實際工程所需處理流量遠大于本次試驗采用的流量時，可并聯(lián)多個沉沙池標準單元以滿足實際處理流量的要求。若待處理泥沙的粒徑小于本次試驗所用泥沙，可進行相關模型試驗確定出標準單元的沉沙池長度，其他尺寸保持不變。

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（編輯：胡旭東）

Abstract：

To obtain a better set of structural parameters of new anisotropic flow sedimentation tank，a type of secondary sediment treatment facility，the orthogonal test were carried out.The flow rate，spacing between two plates，the width of sediment channel，and the unit width of sedimentation box were selected as factors.According to the L9 （34） standard orthogonal table，the test conditions were determined and the test was carried out.In view of the test results，the weight order of each factor on sediment trapping efficiency was obtained by range analysis from large to small： the flow rate，spacing between two plates，the width of sediment channel，the unit width of sedimentation box.The better combination of each factor level was obtained by the analytic hierarchy process method.When the inlet sediment concentration was 5kg/m3，the better combination was： flow rate of 135 L/h，spacing between two plates of 20mm，width of sediment channel of 1mm，unit width of sedimentation box of 30 cm，and trapping efficiency was 727%.When the inlet sediment concentration was 15kg/m3，the better combination was： flow rate of 135 L/h，spacing between two plates of 10 mm，width of sediment channel of 5 mm，unit width of sedimentation box of 30 cm，and trapping efficiency was 988%.The research results can provide guidance for the design of the new anisotropic flow sedimentation tank.

Key words：

anisotropic flow sedimentation tank；structure design；analytic hierarchy process method；orthogonal experiment；support vector machine