新型沉沙池沉沙效果的應用研究

楊 曉 軍(1.新疆農業職業技術學院，新疆 昌吉 831100；2.新疆昌吉方匯水電設計有限公司，新疆 昌吉 831100)

1 研究背景

新疆是農業灌溉用水大省，目前主要采用節水微灌技術進行大田灌溉[1-3]。因灌溉水源含有有機物、雜草、砂石、泥沙等各種雜質，故需要對灌溉水源進行過濾和凈化處理措施才能進入滴灌系統，這是保證農田滴灌系統正常、安全、長期可靠的運行的重要前提保證[4,5]。在新疆農田灌溉系統的首部，灌溉水源進入滴管帶前一般都在渠首設置沉沙池(多以矩形為主)對其進行處理，但受汛期河道來水含沙量大的影響，雖經沉沙池過濾，但仍會造成微灌系統的堵塞，同時可能還會加重后續灌溉過濾設備(如過濾器、滴管帶迷宮)的運行負擔[6-10]。因此，有必要對傳統沉沙池進行優化和改進，使新型沉沙池能夠有效處理掉推移質和懸移質顆粒，從而減少進入微灌系統的泥沙含量，真正做到泥沙過濾的作用。

傳統沉沙池[11,12]主要是不同形狀的水池組成，如單室和多室直線型、曲線型、沉沙條渠型、混合型等，它通過沉沙池的有效長寬面使灌溉水源的流速降低，進而水流挾沙率降低，泥沙難以隨水流繼續推進而慢慢沉降。經分析，傳統沉沙池沉沙效果往往受其長寬比影響較大，但在實際農田灌溉首部，很少有充足的場地去建設大比尺的沉沙池，因而必須對沉沙池的結構進行改進。本模型在傳統沉沙池結構上進行了如下的改進，即分別在池首處增加調流板、在池尾部的溢流堰區增設了溢流作用的溢流側堰來降低出池水流的含沙量[13,14]。顯然經過這種結構的改進，可明顯起到以下2個作用：其一，池首的流速經調流板作用后迅速降低，泥沙落淤速度明顯加快；其二，池尾的溢流堰是水流自動蓄滿溢出，含沙量明顯降低，這種新型沉沙池的設計思路將對整個微灌系統產生較好的效益，它可以使河渠水等高含沙水資源直接作為微灌系統的水源。為了檢測這種設計思路對泥沙的沉降效果，前期[15,16]已對沉沙池的室內試驗進行相關研究，而本文重點對沉沙池在實際工程的應用進行重點分析。

2 觀測試驗概況

本文主要研究新型沉沙池對灌溉水源中泥沙的沉降效果，整個觀測試驗過程是在新疆生產建設兵團222團應用非常廣泛的新型沉沙池上進行[17,18]，整個沉沙池由進水段、漸變過渡段、沉淀室段和集水區4部分組成(沉沙池的池首和池尾)，在其中室內的模型示意圖和工程應用實物圖見圖1。

圖1 沉沙池示意圖和工程應用圖

因222團的農田灌溉面積較大，故整個團場既有改進后的新型沉沙池也有部分未改進的傳統沉沙池(條形單室型為主)進而可為新舊兩種沉沙池的沉沙效果進行對比分析。在觀測試驗中，主要對兩種沉沙池進行沿程含沙水樣的測取工作，進而對比分析泥沙在沉沙池中的沿程分布淤積情況(主要是粒徑級配)及水流中懸移質含沙量的變化情況。

3 沉沙池應用效果分析

3.1 兩種沉沙池沉淀效率分析

(1)池尾溢流堰的泥沙分布情況。圖2為在沉沙池池尾的泥沙顆粒級配變化曲線圖。從圖2中可以看出：新型沉沙池的中值粒徑明顯小于傳統沉沙池；新型沉沙池的泥沙中細顆粒所占百分比明顯大于傳統沉沙池。這說明池尾的溢流堰區增設溢流側堰后含沙量更小，沉沙效果更為明顯。

圖2 兩種沉沙池池末級配變化

(2)沿程含沙量變化情況。圖3為該團兩種沉沙池沿程水流含沙量變化示意圖。從圖3可以看出：相比傳統沉沙池，新型沉沙池在池首位置的顆粒明顯較粗，這說明調流板對水流流速起到明顯的減緩作用；從池首接近池尾的過程中，新型沉沙池的含沙量迅速降低，這說明泥沙的沉降作用更為明顯。

圖3 兩種沉沙池沿程含沙量變化

3.2 新型沉沙池應用效果分析

(1)沿程泥沙分布情況。經對兩種沉沙池從渠首至渠尾的測量，新型沉沙池的泥沙淤積厚度由池首至池末逐漸減小，且池首最大淤積厚度接近25 cm，而池末淤積厚度則很少，不到5 cm；傳統沉沙池的泥沙淤積厚度卻呈現不明顯，即由池首至池末的顆粒粒徑變化范圍較小，經測量，沿程淤積厚度在池首附近約為3 cm，而在池末淤積厚度卻達到14 cm左右，這表明吃手的水流流速過大，水流挾沙率仍然較大。經過水流的長距離輸運作用，你車慢慢沉降下來。

經上述分析，無論是新型沉沙池還是傳統沉沙池，水流在剛進入池內的水流流速較大且在池首部的水流紊動也比較劇烈，因此若不經調流措施，水流挾沙能力由強變弱，尤其將較細的顆粒挾帶至更遠的地方才能沉降，進而使沉沙池的沉沙效果較小，這種情況在在傳統沉沙池中表現得更為明顯。在新型沉沙池中，由于在首部增設了調流墻對入池水流進行調節，水流流速降低引起水流挾沙能力降低，泥沙自然而然會出現迅速落淤現象，而細泥沙在經長距離的輸運作用后也慢慢沿程發生沉降，且沿程淤積厚度逐漸減小。

圖4為在新型沉沙池和傳統沉沙池末泥沙的顆粒級配變化。經上述分析，可總結出如下變化規律：新型沉沙池在池末端的細顆粒泥沙所占的百分比明顯大于傳統沉沙池，這表明調流板和溢流槽的布設起到明顯的消流降沙作用。

圖4 沉沙池末端級配變化

(2)水流含沙量變化情況。圖5為新型沉沙池和傳統沉沙池沿程含沙量變化圖。由圖5可明顯觀察出如下規律：在池首附近，新型沉沙池含沙量比傳統沉沙池大，說明調流板的作用使泥沙迅速沉降，因受水流的紊動作用，含沙量相對較大；而經過調流板調流后的水流的含沙量則迅速減小，且減小的幅度比傳統沉沙池大的多，這說明水流流速降低后，水流挾沙的能力逐漸減弱，尤其在沿程變化上更為明顯，這和上述分析相吻合。

圖5 沉沙池含沙量沿程變化

4 結 語

(1)經對比分析，新型沉沙池的池末細顆粒泥沙所占百分數明顯大于傳統沉沙池，說明新型沉沙池對細顆粒泥沙具有更好的沉降效果。

(2)相比傳統沉沙池，新型沉沙池含沙量自池首至池尾的沿程分布表現出由大到小變化規律，且渠尾出池水流的懸移質含沙量明顯減小。

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