丁尚進(jìn)，王乾坤，高 博

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

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

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(gè)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(cè)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(yùn)行水位被迫抬高。

在多元化集中供水時(shí)，高水位運(yùn)行將會(huì)對(duì)整個(gè)干渠產(chǎn)生極為不利的影響，既需要大量的人力物力來(lái)監(jiān)控渠道的運(yùn)行狀況，又增加了防汛抗洪壓力。高水位運(yùn)行還會(huì)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(jì)效益。

1 研究計(jì)算公式的必要性

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

如何準(zhǔn)確掌握沉沙池的泥沙淤積情況及如何準(zhǔn)確計(jì)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(xiàng)十分必要的重大課題。為此，田山灌區(qū)決定建設(shè)“田山灌區(qū)渠道流量智能監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)”，繪出沉沙池水位庫(kù)容曲線，并加入泥沙淤積方量及沉沙池庫(kù)容差計(jì)算模塊，對(duì)沉沙池的水位庫(kù)容及淤積泥沙進(jìn)行數(shù)字化管理，提高灌區(qū)整體管理水平及科學(xué)調(diào)度能力。

2 存在的困難

2.1 沉沙池?cái)嗝鎻?fù)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(kuò)大，之后再漸漸縮小。變化的橫斷面給泥沙方量的計(jì)算帶來(lái)一定的困難，經(jīng)分析，將整個(gè)沉沙池分為兩段：前段，即橫斷面逐漸擴(kuò)張的部分；后段，即橫斷面逐漸縮小的部分。每一段建立一個(gè)棱臺(tái)模型，方便計(jì)算。

2.2 沉沙池淤積泥沙的高程呈隨機(jī)狀態(tài)

田山灌區(qū)沉沙池內(nèi)沉積的泥沙頂高程，無(wú)法完全用公式來(lái)擬合，需要進(jìn)行實(shí)測(cè)。經(jīng)過(guò)測(cè)算，沉沙池內(nèi)沉淀的泥沙因?yàn)楦鞣N條件的影響，并沒(méi)有規(guī)律分布，而是呈現(xiàn)隨機(jī)狀態(tài)，同一橫斷面不同位置的泥沙高程差較為明顯。為簡(jiǎn)化計(jì)算在一個(gè)橫斷面上，根據(jù)實(shí)際需要等間距選擇奇數(shù)個(gè)點(diǎn)的平均高程作為該斷面的平均高程。

3 經(jīng)驗(yàn)公式的推定

3.1 基本原理

計(jì)算起始時(shí)間至終止時(shí)間淤積的泥沙方量。

對(duì)第一泥沙淤積線（A號(hào)線，起始時(shí)間）進(jìn)行分段，從起點(diǎn)（0點(diǎn)）開(kāi)始，每隔一定間隔（假設(shè)為50 m，間隔越小，計(jì)算值越接近實(shí)際值）設(shè)置一個(gè)點(diǎn)位，分別編號(hào)（1、2....），不足50 m的最末點(diǎn)位編號(hào)m。測(cè)量出每個(gè)點(diǎn)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(gè)點(diǎn)位斷面作為一個(gè)棱臺(tái)模型，從0點(diǎn)位斷面開(kāi)始向后依次計(jì)算每個(gè)棱臺(tái)模型的泥沙淤積體積、過(guò)水體積。最后把每個(gè)棱臺(tái)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(yīng)的過(guò)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(diǎn)橫斷面圖

對(duì)第二泥沙淤積線（B號(hào)線，終止時(shí)間）采用同樣的方法進(jìn)行測(cè)算。

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

3.2 計(jì)算方法

泥沙棱臺(tái)模型是利用相鄰兩個(gè)點(diǎn)位斷面間的斷面線、渠底線、泥沙線所圍成的棱臺(tái)作為一個(gè)模型，計(jì)算模型的泥沙體積。

過(guò)水方量棱臺(tái)模型是利用相鄰兩個(gè)點(diǎn)位斷面間的斷面線、泥沙線、水面線所圍成的棱臺(tái)作為一個(gè)模型，計(jì)算模型的過(guò)水體積。

3.3 核心公式

棱臺(tái)模型體積公式：

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

4 結(jié)語(yǔ)

該經(jīng)驗(yàn)公式是對(duì)測(cè)算梭型沉沙池泥沙淤積方量的計(jì)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(cè)管理平臺(tái)”計(jì)算沉沙池庫(kù)容的重要理論依據(jù)，可較為準(zhǔn)確地計(jì)算梭型沉沙池中泥沙淤積方量，輔助清淤費(fèi)用預(yù)算，可以利用測(cè)算結(jié)果預(yù)測(cè)將來(lái)的泥沙淤積情況，分析評(píng)估泥沙淤積對(duì)供水效率和供水安全的影響。