胡松可，李文昊，楊 廣，劉寧寧，金 瑾

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

新疆干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，屬典型“綠州經(jīng)濟(jì)、灌溉農(nóng)業(yè)”。新疆每年完成農(nóng)業(yè)高效節(jié)水面積1.33 萬(wàn)hm2以上，發(fā)展速度居全國(guó)前列，截至目前，全疆農(nóng)業(yè)高效節(jié)水面積累計(jì)達(dá)到286.77 萬(wàn)hm2以上，而以滴灌為主的節(jié)水灌溉模式已經(jīng)確立了主導(dǎo)地位[1,2]。由于滴灌孔徑比較小，易堵塞，對(duì)水質(zhì)要求較高，因此，絕大部分滴灌水源使用地下水，造成地下水開(kāi)采嚴(yán)重，為了遏制過(guò)度開(kāi)采地下水，幾年來(lái)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[3]。但地表水多來(lái)源于山溪性河流，泥沙含量大，粒徑易超過(guò)滴灌系統(tǒng)要求，嚴(yán)重制約滴灌系統(tǒng)的使用效率[4]。目前地表水泥沙處理方法主要有水庫(kù)沉淀、沉沙池、沙石和網(wǎng)式過(guò)濾器處理等，其中，沉沙池以成本低、簡(jiǎn)單、方便作為泥沙沉淀的主流[5]。傳統(tǒng)沉沙池主要有直線(xiàn)型、曲線(xiàn)型、漏斗型和混合型等[6, 7]，其直線(xiàn)型因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、管理方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為我國(guó)西部泥沙處理的核心，但也存在水頭損失大、沉沙效果不穩(wěn)定、沉淀粒徑偏大等缺點(diǎn)[8]。

文中基于水力特性和泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)傳統(tǒng)的直線(xiàn)型沉沙池缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新型沉沙池，即在沉沙池的引流段增設(shè)開(kāi)孔調(diào)流齒，在沉沙池尾部的溢流堰上增設(shè)鋸齒狀溢流槽，形成具有占地面積小、投資少、控制面積大、運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì)的新型直線(xiàn)型沉沙池。但沉沙池的泥沙處理效果、出池含沙量及泥沙粒徑能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，還缺乏理論依據(jù)，為此，本文分析了不同工況下對(duì)改進(jìn)直線(xiàn)型沉沙池沉淀效果的影響，旨在找到較優(yōu)的沉沙類(lèi)型，降低滴灌設(shè)備的工作負(fù)擔(dān)，提高灌溉水源水質(zhì)，為實(shí)際工程建設(shè)提供參考。

1 材料和方法

1.1 理論基礎(chǔ)

本試驗(yàn)根據(jù)已有研究[9, 10]，流量、沉沙率、池長(zhǎng)、槽長(zhǎng)采用以下理論基礎(chǔ)公式分別計(jì)算：

本試驗(yàn)來(lái)水流量采用直角三角堰進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，推薦的直角三角堰流量計(jì)算公式如下：

Q=1.343H2.47

(1)

式中：Q為模擬渠道的來(lái)水流量，m3/s；H為直角三角形溢流堰上的水頭，m。

泥沙的沉淀率是衡量沉沙池工作性能好壞的主要性能指示，沉淀率公式如下：

(2)

式中：R為泥沙沉淀率；C1為沉沙池來(lái)水水源的含沙量，kg/m3；C2為監(jiān)測(cè)斷面處的含沙量，kg/m3。

池長(zhǎng)和槽長(zhǎng)工作段計(jì)算依據(jù)如下：

(3)

式中：Lc為沉沙池工作長(zhǎng)度，m；E為安全系數(shù)，取1.5；Hp為工作水深，m；V為平均流速，m/s；ω為泥沙沉降速度，mm/s。

(4)

式中：Ly為溢流槽工作長(zhǎng)度，m；φ為收縮系數(shù)，取0.8；H0為堰上水頭，m；Q為模擬渠道的來(lái)水流量，m3/s；m為流量系數(shù)，取0.32。

1.2 模型設(shè)計(jì)及工作原理

模型設(shè)計(jì)：為了更準(zhǔn)確反映研究成果，試驗(yàn)在石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室搭建改進(jìn)直線(xiàn)型沉沙池物理模型，本沉沙池主要分為引流段和工作段兩部分，改進(jìn)部位為引流段增設(shè)開(kāi)孔調(diào)流齒，工作段的溢流堰處增設(shè)鋸齒狀溢流槽，改進(jìn)直線(xiàn)型沉沙池試驗(yàn)尺寸為：池長(zhǎng)23 m，池寬2 m，池深0.6 m，底面坡度為1%，其中溢流槽寬0.4 m，槽間間隔0.4 m，如圖1所示。

圖1 改進(jìn)直線(xiàn)型沉沙池示意圖(單位：cm)Fig.1 Schematic diagram of improved linear sedimentation basin

工作原理：水流經(jīng)入口撞擊在調(diào)流齒上，通過(guò)連續(xù)的彎曲消能向下游運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)總工程不變條件下，極大限度地改變流態(tài)，迫使來(lái)水的動(dòng)能和紊動(dòng)強(qiáng)度降低，減緩運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，降低水流流速，降低池內(nèi)水流挾沙能力，進(jìn)而降低水流含沙量，促進(jìn)泥沙顆粒沉淀。且針對(duì)調(diào)流齒前泥沙淤積問(wèn)題，分別對(duì)池底面設(shè)置坡度和對(duì)調(diào)流齒進(jìn)行開(kāi)孔設(shè)計(jì)，使淤積的泥沙能夠跟隨水流通過(guò)孔洞向下移動(dòng)。水流含沙量在池內(nèi)垂直方向存在“上小下大”現(xiàn)象，即越靠近水表面，含沙量越小，且多為小顆粒泥沙，越接近池底面含沙量越大，且多為大顆粒泥沙，因此，需要盡可能取得表層水，提高沉沙率。根據(jù)宗全利[11]等人研究表明，延長(zhǎng)溢流堰的有效長(zhǎng)度可提高過(guò)流能力，降低池內(nèi)水流出池水頭，本模型在溢流堰上增設(shè)了三道鋸齒狀溢流槽，極大地降低了溢流水頭，取得池內(nèi)的表層水，從而大大提高泥沙顆粒沉淀率。

1.3 模型沙的選取

試驗(yàn)原型的泥沙顆粒主要來(lái)源于瑪納斯河，因此，本模型使用瑪納斯河灌溉流域內(nèi)的泥沙顆粒，顆粒級(jí)配見(jiàn)圖2。

圖2 模型沙顆粒級(jí)配圖Fig.2 Model sand particle gradation map

1.4 研究?jī)?nèi)容與試驗(yàn)方法

為了得到不同工況下較優(yōu)的沉沙池結(jié)構(gòu)類(lèi)型，本試驗(yàn)在定流速和含沙量?jī)煞N條件下進(jìn)行研究。試驗(yàn)選取有無(wú)調(diào)流齒，溢流槽長(zhǎng)度為3、4和5 m，共計(jì)六種工況進(jìn)行對(duì)比分析，參考瑪納斯河流域?qū)嶋H滴灌工程應(yīng)用的傳統(tǒng)直線(xiàn)型沉沙池的相關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)入口流速為0.15 m/s，含沙量分別為0.5、1.0、1.5 kg/m3。

本試驗(yàn)依據(jù)運(yùn)行狀況設(shè)置了7個(gè)橫向斷面，分別如下：0、4.5、7.5、9.5、11.5、14.5(或15.5、16.5 m)、20.5 m，每個(gè)橫向斷面取3列垂向監(jiān)測(cè)，每列取3點(diǎn)監(jiān)測(cè)(見(jiàn)圖3)，其表層距離水面1 cm；溢流槽中水平方向間隔0.5 m設(shè)置監(jiān)斷面，每個(gè)斷面兩側(cè)各取一點(diǎn)。試驗(yàn)采用LGY-Ⅲ型多功能智能流速儀測(cè)量流速、CYS-Ⅲ型智能測(cè)沙顆分析儀測(cè)試斷面含沙量，電熱恒溫烘干箱蒸發(fā)水分，千分之一天平稱(chēng)重，泥沙顆粒用標(biāo)準(zhǔn)篩篩分和LT3600 Plus激光粒度分析儀進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水位和流速變化規(guī)律

水頭越低，說(shuō)明出池水流越為表層水，泥沙含量越低；水位越穩(wěn)定，流速越低，越有利于降低水流挾沙力，從而提高沉沙率。圖4為不同槽長(zhǎng)工況下池內(nèi)水位、槽上水頭及流速的變化規(guī)律。由圖4可知，同一工況下，池內(nèi)不同位置的水位和槽上水頭較平順，無(wú)較大水位差，有利于泥沙顆粒的沉淀。有調(diào)流齒較無(wú)調(diào)流齒工況下，提高池內(nèi)水位約0.024 m；尾部增設(shè)溢流槽發(fā)現(xiàn)，溢流槽越長(zhǎng)，池內(nèi)水位及堰水頭越小，表明水深和水頭與溢流堰長(zhǎng)度呈負(fù)相關(guān)性。在槽長(zhǎng)5 m工況下水位和水頭最小，實(shí)現(xiàn)池內(nèi)水深0.417 m，槽上水頭0.016 m，且隨槽長(zhǎng)縮小1 m距離，水位和水頭以約0.018 m的幅度增加。

圖3 試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)布置示意圖(單位：cm)Fig.3 Schematic diagram of the arrangement of test points

引流段增設(shè)調(diào)流齒后，水流經(jīng)過(guò)調(diào)流齒的消能作用，流速逐漸降低，通過(guò)有無(wú)調(diào)流齒流速試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有調(diào)流齒流速比無(wú)調(diào)流齒降低了25.45%；隨后，由于尾部設(shè)立溢流堰起到阻力作用，池內(nèi)水流形成回流，進(jìn)一步降低流速。通過(guò)對(duì)增設(shè)溢流槽的研究結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，前三個(gè)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)流速相差在0.8%范圍內(nèi)，相差較小，隨后流速呈現(xiàn)明顯分層和遞減趨勢(shì)，且隨溢流槽長(zhǎng)度的增加，流速逐漸降低，說(shuō)明溢流槽能夠有效提高溢流堰的過(guò)流能力，穩(wěn)定流速；并實(shí)現(xiàn)5 m槽長(zhǎng)工況下出口流速僅為入口流速的31.73%，流速降低效果顯著。依據(jù)有無(wú)調(diào)流齒和不同槽長(zhǎng)工況下流速試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，池內(nèi)流速可分為流速迅速降低、流速相對(duì)恒定和流速緩慢降低3個(gè)階段，但不同工況下20.5 m斷面流速與前一段監(jiān)測(cè)斷面對(duì)比有約0.001 2 m/s幅度的增加。

2.2 含沙量變化規(guī)律

通過(guò)監(jiān)測(cè)改進(jìn)直線(xiàn)型沉沙池沿程含沙量的變化，以判斷沉沙率；表1是槽長(zhǎng)5 m，有無(wú)調(diào)流齒進(jìn)口含沙量約1 kg/m3時(shí)池內(nèi)不同位置含沙量變化規(guī)律，表2是不同工況下、不同含沙量、不同分層池內(nèi)沿程含沙量的變化規(guī)律。由表1和表2得，池內(nèi)含沙量總體呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，距離沉沙池入口越遠(yuǎn)，含沙量越小。由表1得，有調(diào)流齒的沿程含沙量均低于無(wú)調(diào)流齒，且下降趨勢(shì)大于無(wú)調(diào)流齒，在0～4.5 m段有無(wú)調(diào)流齒含沙量相差較小，說(shuō)明引流段增設(shè)調(diào)流齒并無(wú)出現(xiàn)泥沙顯著下降和淤堵現(xiàn)象；在7.5 m斷面開(kāi)始明顯分層，有無(wú)調(diào)流齒含沙量相差4.32%；但在出口處有無(wú)調(diào)流齒含沙量對(duì)比，沉沙率提升了9.42%，說(shuō)明調(diào)流齒消能效果顯著，能夠降低水流流速，促進(jìn)池內(nèi)泥沙顆粒沉淀，且主要在7.5～20 m段內(nèi)沉淀。由表2得，不同槽長(zhǎng)工況下對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨槽長(zhǎng)越長(zhǎng)，表層含沙量越低，底層含沙量越高；隨含沙量的增加，池內(nèi)沉沙率越高；同時(shí)，含沙量分層較為明顯，形成表層較小，底層較大現(xiàn)象，在5 m槽長(zhǎng)工況下最大相差為沙率；表1是槽長(zhǎng)5 m，有無(wú)調(diào)流齒進(jìn)口含沙量約1 kg/m3時(shí)池內(nèi)不同位置含沙量變化規(guī)律，表2是不同工況下、不同含沙量、不同分層池內(nèi)沿程含沙量的變化規(guī)律。由表1和表2得，池內(nèi)含沙量總體呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，距離沉沙池入口越遠(yuǎn)，含沙量越小。由表1得，有調(diào)流齒的沿程含沙量均低于無(wú)調(diào)流齒，且下降趨勢(shì)大于無(wú)調(diào)流齒，在0～4.5 m段有無(wú)調(diào)流齒含沙量相差較小，說(shuō)明引流段增設(shè)調(diào)流齒并無(wú)出現(xiàn)泥沙顯著下降和淤堵現(xiàn)象；在7.5 m斷面開(kāi)始明顯分層，有無(wú)調(diào)流齒含沙量相差4.32%；但在出口處有無(wú)調(diào)流齒含沙量對(duì)比，沉沙率提升了9.42%，說(shuō)明調(diào)流齒消能效果顯著，能夠降低水流流速，促進(jìn)池內(nèi)泥沙顆粒沉淀，且主要在7.5～20 m段內(nèi)沉淀。由表2得，不同槽長(zhǎng)工況下對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨槽長(zhǎng)越長(zhǎng)，表層含沙量越低，底層含沙量越高；隨含沙量的增加，池內(nèi)沉沙率越高；同時(shí)，含沙量分層較為明顯，形成表層較小，底層較大現(xiàn)象，在5 m槽長(zhǎng)工況下最大相差為

圖4 沉沙池內(nèi)不同位置水位和流速變化規(guī)律圖Fig.4 Variation of water level and flow velocity at different positions in the sedimentation basin

表1 有無(wú)調(diào)流齒沉沙池含沙量試驗(yàn)表Tab.1 Sediment concentration test table of settling basin with and without regulating teeth

表2 不同槽長(zhǎng)工況下沉沙池含沙量試驗(yàn)表Tab.2 Sediment concentration test of settling basin under different tank length conditions

2.3 顆粒級(jí)配變化規(guī)律

依據(jù)試驗(yàn)中取的沙樣做顆粒分析，繪制顆分曲線(xiàn)圖；本試驗(yàn)監(jiān)測(cè)了槽長(zhǎng)5 m工況下改進(jìn)直線(xiàn)型沉沙池內(nèi)各監(jiān)測(cè)斷面顆分曲線(xiàn)如圖5(a)所示，不同槽長(zhǎng)工況下，20.5 m斷面處顆分曲線(xiàn)如圖5(b)所示。

圖5 沉沙池內(nèi)顆分曲線(xiàn)圖Fig.5 Curve graph of particle size in the sand pool

從圖5(a)中得，池內(nèi)顆粒分布較為規(guī)律，在工作段為20 m、槽長(zhǎng)5 m的工況下，池內(nèi)沉淀顆粒的粒徑區(qū)間主要在0.05～1 mm之間，在4.5 m斷面以前主要沉淀0.6 mm以上的顆粒，到7.5 m段面顆粒粒徑開(kāi)始逐漸變小，0.1 mm以下的顆粒占比在45%～55%之間，到14.5 m斷面則提高到73.79%，在出口處更是提升到85.97%，說(shuō)明大于0.1 mm超過(guò)85%已經(jīng)在池內(nèi)沉淀，僅有少部分流向下游；在0.05～0.1 mm之間的顆粒在7.5 m斷面時(shí)占比為20%～30%，在出口斷面占比達(dá)到66.84%以上，說(shuō)明在0.05～0.1 mm之間的顆粒主要在7.5～20 m段內(nèi)沉淀。

從圖5(b)顆粒級(jí)配曲線(xiàn)反映出，不同槽長(zhǎng)工況下，隨槽長(zhǎng)的增加，出口處泥沙顆粒粒徑依次減小，在5、4、3 m槽長(zhǎng)下，0.05～0.1 mm之間泥沙的質(zhì)量占比分別為60%～70%、55%～65%、50%～60%；0.05 mm以下泥沙的質(zhì)量占比分別為65.98%、52.72%、36.48%以上，說(shuō)明大于0.05 mm以上的泥沙顆粒大部分已經(jīng)在池內(nèi)沉淀，且進(jìn)一步驗(yàn)證溢流槽的增加對(duì)泥沙顆粒沉淀具有較好的促進(jìn)作用。

3 討 論

傳統(tǒng)直線(xiàn)型沉沙池能夠滿(mǎn)足漫灌的灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但隨著滴灌系統(tǒng)的推廣，低效率的傳統(tǒng)直線(xiàn)型沉沙池已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)地表水灌溉應(yīng)用的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，為此，本文利用水力學(xué)和泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律優(yōu)化沉沙池結(jié)構(gòu)類(lèi)型，從而極大地提高了泥沙顆粒的沉淀率。

眾多學(xué)者[12, 13]通過(guò)對(duì)入口增設(shè)擋板消耗水流動(dòng)能、降低流速，但存在板前泥沙淤積問(wèn)題，本文利用開(kāi)孔調(diào)流齒和底面坡度設(shè)計(jì)，消除水流動(dòng)能、降低流速、解決了入口泥沙淤積問(wèn)題，經(jīng)試驗(yàn)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，雖有少量的泥沙沉淀，但通過(guò)底面坡度和開(kāi)孔設(shè)計(jì)，泥沙顆粒隨水流在池底部逐步向下游移動(dòng)，使引流段不產(chǎn)生淤積。

結(jié)合宗全利等[14]人提出的增加溢流堰的長(zhǎng)度，可降低出池水流含沙量的理論，本文對(duì)溢流堰進(jìn)行增設(shè)鋸齒狀溢流槽改進(jìn)，降低了過(guò)水單寬流量和水頭、取得表層水，與前人結(jié)論相同。同時(shí)，本文在20.5 m斷面的流速較前一段有微小的增加，這與戚印鑫[15]提出的池內(nèi)流速逐漸降低相反，原因?yàn)楸疚脑谝缌餮吆蟛吭O(shè)計(jì)為傾斜結(jié)構(gòu)，造成過(guò)堰水流的部分重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，提高了流速。

依據(jù)沿程流速、含沙量和顆粒級(jí)配的變化可得，0.1 mm粒徑以上的泥沙顆粒在沉沙池前段已經(jīng)開(kāi)始沉淀，小于0.1 mm粒徑的泥沙顆粒主要在沉沙池工作段后部開(kāi)始進(jìn)行沉淀，其中0.05～0.1 mm之間的泥沙顆粒主要在14.5～20 m段進(jìn)行沉淀，原因?yàn)榇硕瘟魉佥^低，水流的相對(duì)挾沙能力大幅度下降，促進(jìn)了泥沙顆粒的沉淀。

綜上，通過(guò)改進(jìn)沉沙池結(jié)構(gòu)，改變池內(nèi)流態(tài)，能夠降低池內(nèi)沿程流速和含沙量，提高沉沙率；但針對(duì)小于0.05 mm泥沙含量提高到了65.98%，為進(jìn)一步提高0.05 mm以上的泥沙顆粒，試驗(yàn)下一步將對(duì)溢流槽和溢流堰進(jìn)行增設(shè)不同目次的過(guò)濾網(wǎng)和分成處理，形成尾部自動(dòng)化過(guò)濾、清洗和排沙系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

改進(jìn)直線(xiàn)型沉沙池能夠有效解決滴灌系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的泥沙堵塞問(wèn)題，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有效措施，通過(guò)對(duì)本次沉沙池模型試驗(yàn)的研究和理論分析，得到池中水位、流速、含沙量的沿程變化規(guī)律和顆粒的沉淀區(qū)域。

(1)不同工況下池內(nèi)水位和水頭無(wú)明顯突變，且與槽長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)性；引流段增設(shè)開(kāi)孔調(diào)流齒有效降低25.45%的流速；在5 m槽長(zhǎng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)出口流速降低為入口流速的31.73%，促進(jìn)了泥沙顆粒沉淀。

(2)有調(diào)流齒設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)較無(wú)調(diào)流齒出口含沙量降低了9.42%；隨溢流槽長(zhǎng)的增加，表層的沿程含沙量逐漸減小，隨含沙量增加，沉沙率逐漸升高，且槽長(zhǎng)5 m、進(jìn)口 含沙量約1.5kg/m3時(shí)沉沙率最高為72.08%，沉沙效果顯著。

(3)距離入口越遠(yuǎn)，斷面泥沙顆粒粒徑逐漸減小，4.5 m斷面以前主要沉淀0.6 mm以上的泥沙顆粒，其后，大量沉淀0.1 mm以下的泥沙顆粒，出口處實(shí)現(xiàn)0.05 mm以上泥沙的質(zhì)量占比僅為34.02%，其中，0.05～0.1 mm之間的泥沙顆粒主要在7.5～20 m段內(nèi)沉淀。

(4)通過(guò)模型試驗(yàn)綜合分析可得，改進(jìn)直線(xiàn)型沉沙池較傳統(tǒng)直線(xiàn)型沉沙率提高了34.39%，效果顯著；因此，依據(jù)本試驗(yàn)研究成果，建議對(duì)現(xiàn)存實(shí)際工程應(yīng)用中的傳統(tǒng)直線(xiàn)型沉沙池進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即引流段增設(shè)調(diào)流板，溢流堰增設(shè)溢流槽。