河水滴灌重力沉沙過濾池物理試驗研究

劉亞麗 趙濤 戚印鑫 陶洪飛 張明強

摘要：農業高效節水技術在新疆地區發展很快，但作為主要供水水源的地表水含沙量較高，影響了該技術的廣泛推行。為此，需要研究能有效處理地表水泥沙、滿足滴灌水質要求、投資相對較少的除沙裝置，河水滴灌重力沉沙過濾池比較好地解決了這一問題。以河水滴灌重力沉沙過濾池為研究對象，通過物理試驗研究沉淀池長25m，側向溢流堰長分別為5，3，2m的沉沙過濾池除沙效果，結果表明：在沉淀池長25m的工況下泥沙總處理效率可達50%以上，側向溢流堰長度選取3m比較合適，滿足出池水質要求的進口最大含沙量約為1.5kg/擴。

關鍵詞：重力沉沙過濾池；過濾網；溢流堰；含沙量；泥沙拉徑

中圖分類號：TV673+.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.032

作為我國最大的農業高效節水區，新疆每年完成農業高效節水面積20萬hm2以上，發展速度居全國前列，到2020年全區農業高效節水面積將達到286萬hm2，而以微灌為主的節水灌溉模式已經確立了主導地位[1]。對于微灌系統，由于其灌水器孔徑比較小，容易被堵塞，因此對水質的要求很高。而新疆地表水多為山溪性河流，水中泥沙含量大，未被排除的超過微灌系統灌水器指標的泥沙顆粒會把灌水器堵塞，使其無法正常工作，因此在水進入微灌系統之前，采用水沙分離設備或工程措施對來流河水進行泥沙處理十分必要[2]。目前泥沙處理主要有水庫沉降泥沙、灌區上游沉沙池處理泥沙、滴灌系統首部沙石過濾器和網式過濾器除沙等多種方法。

河水滴灌重力沉沙過濾池是用來沉降河水或渠道水流中大于設計沉降粒徑的懸移質泥沙，并通過不銹鋼濾網處理泥沙、漂浮物、浮游生物等雜物的建筑物，主要由沉淀池、溢流堰、過濾網、清水池、集污槽等幾部分構成；與目前滴灌工程中普遍采用的機械加壓設施相比，具有占地面積小、投資少、易維護、控制面積大、不耗能、運行成本低等優勢[3]。

通過對呼圖壁縣石梯子鄉白楊河村沉沙過濾池、大豐鎮聯豐村沉沙過濾池、紅山村沉沙過濾池，瑪納斯縣涼州戶鎮五圣宮村沉沙過濾池進行現場跟蹤測試與研究發現[4-7]：側向溢流堰長度與沉淀池長度相等，水流在沉淀池的首端就開始溢流，不僅影響過濾效果，還會造成濾網浪費，同時增加了維修成本。經過不斷改進，2013年建設的工程中將溢流堰布置在沉淀池的尾部，但側向溢流堰的適宜長度還有待研究，沉沙過濾池的泥沙處理效果、出池泥沙含量及泥沙粒徑能否滿足設計要求，還缺乏理論依據。為此，筆者通過試驗研究了沉淀池長25m，尾部側向溢流堰長分別為5、3、2m的沉沙過濾池除沙效果，旨在得到25m沉淀池所對應的最佳溢流堰長度及進口適宜含沙量，為實際工程中河水滴灌重力沉沙過濾池的建設及運行提供參考。

1 物理模型試驗

1.1 試驗設計

河水滴灌重力沉沙過濾池可分為雙向內斜跨式重力沉沙過濾池、雙向外斜跨式重力沉沙過濾池和單向斜跨式重力沉沙過濾池等3種類型[8-9]。根據試驗場地大小、泵房水循環出力及渾水攪拌系統供沙能力，同時參考地方標準，確定本次試驗采用單向斜跨式重力沉沙過濾池，模型比尺1：1，設計流量0.05m3/s。根據試驗要求及現場試驗沉沙過濾池除沙效率，進水含沙量選用1.0～2.5kg/m3。試驗模型的平面布置和剖面見圖1。

其中，沉淀池進口設置導流墻，導流墻后設置調流板（樁號0+00.00m）。沉淀池長25m，寬1.50m，池底坡度為1%。沉淀池尾部設置側向溢流堰，其長度可通過調節溢流堰上游處擋水板來確定。側向溢流堰下方鋪設100目的不銹鋼濾網，根據2013-2014年工程現場試驗可知，濾網角度在35°～40°之間除沙效果比較好，本次試驗濾網角度為38°。清水池設于濾網下方，清水池長25m，寬0.75m。為了實現水力沖沙，清水池底坡傾斜方向與沉淀池的一致，坡度為1%。集污槽長25m，寬0.75m。

1.2 試驗材料和儀器

本試驗取試驗地天然沙土作為模型沙，顆粒級配見圖2。粒徑大于0.075mm的沙占52.5%，小于0.075mm的沙占47.5%，小于0.005mm的沙占10%，中值粒徑為0.1mm。

試驗儀器主要有LGY-Ⅲ型智能流速儀、顆分粒度儀，0.1mm電子水準儀，0.0001g電子天平、0.01℃電子溫度計、50mL錐形瓶等。

1.3 試驗方案

1.3.1 試驗內容

在沉淀池長25m，側向溢流堰長分別為5、3、2m工況下，重力沉沙過濾池設計流量為0.05m3/s，改變進口含沙量，得到沿程水位、流速、含沙量分布、顆分數據，確定重力沉沙過濾池的泥沙處理效率，分析25m沉淀池所對應的最佳溢流堰長度，得到滿足出口水質要求的進口最大含沙量。

1.3.2 試驗步驟

確認系統正常運轉、模型進入工作狀態時注入渾水，當進水流量與出水流量穩定時，開始試驗。在設計流量和其他參數相同的情況下開展以下工作：在側向溢流堰長5m的工況下，調節上游加沙量，取出口水樣測量含沙量；在滿足出口含沙量分別為<0.5kg/m3、0.5～0.6kg/m3、>0.6kg/m3的情況下，測量進口及各斷面的含沙量；出口含沙量滿足要求時測量水位、流速，觀測流態。以上數據采集后停止進水，待池中水滲透完畢，采集沉淀池和清水池內各斷面的沙樣進行顆分試驗。改變溢流堰長度，分別為3、2m，重復上述步驟。

1.3.3 試驗方法

沿X方向（水流方向）在沉淀池樁號分別為-0.17、2.00、6.25、12.5、18.75、24.5m處設6個斷面，其中-0.17m斷面位于調流板（0斷面）之前，以便于觀測水流通過調流板后的變化。

（1）水位測量。每個斷面沿Y方向設0.4、1.1m兩個測點（見圖3），每個測點測量3次，取平均值。

（2）流速測量。每個斷面沿Y方向設置0.4、1.1m兩個測點，各測點沿Z方向設水面以下0.1m處、水深1/2處、水深2/3處3個位置（見圖3），每個位置測量3次，取平均值。

（3）含沙量測量。針對25m長沉淀池和5、3、2m側堰長度進行組合，共3種結構工況，每種結構工況下安排滿足出口含沙量分別為<0.5kg/m3、0.5～0.6kg/m3、>0.6kg/m3的小、中、大3組進水口含沙量，共9種工況。沉淀池中每斷面沿Y方向設置0.4、1.1m兩個測點，每個測點沿Z方向設表層0.1m處、水深1/2處、距底0.1m處3個位置（見圖3），每個位置測量3次，取平均值。

2 試驗結果及分析

2.1 水位

圖4為不同溢流堰長度的沉淀池水位及溢流堰水頭測量結果。由圖4可知，沉淀池不同位置的水位基本相同，水流較平穩，沒有大的水位落差，有利于泥沙的沉降。水深與側向溢流堰長度成反比，側向溢流堰越長，沉淀池水位及溢流堰水頭越小。經流態觀測發現，在側向溢流堰長度為2～3m時，過濾網上過流面積較大，能夠比較充分地利用過濾網。

2.2 流速

圖5為不同溢流堰長度的沉淀池流速分布。由圖5可知，水流通過-0.17m斷面及調流板后流速迅速減小到0.1m/s以下，說明調流板在降低流速、調整流態方面效果明顯[10]。除受到調流板影響外，上游連接段采用的是擴散形式，使水流流速降低后均勻擴散至沉淀池左、右室[11]。由沉沙池設計規范可知[12]：當沉降泥沙最小粒徑在0.05～0.1mm范圍內時，工作段平均流速可選0.05～0.15m/s，所以沉淀池內流速有利于泥沙的沉降。不同溢流堰長度的沉淀池內流速分布規律基本相同，流速沿程變化大致可分為3個階段：①X=-0.17～1.00m為流速迅速降低階段；②X=1.00～18.75m為流速恒定階段；③X=18.75～25.00m為流速緩慢降低階段。側向溢流堰上流速隨溢流堰長度的減小而增大，溢流堰上流速增大會對泥沙的沉降有不利的影響，所以側向溢流堰的長度不宜過小。

2.3 含沙量

除沙效率是判斷沉淀池泥沙處理能力的一個重要參數，除沙效率越高說明泥沙處理能力越好，其表達式為式中：η為除沙效率，%；S為初始時刻（t=0）的渾水含沙量，kg/m3；S1為t時刻的平均含沙量，kg/m3。

將9種工況下的試驗數據代入式（1），得到重力沉沙過濾池總除沙效率約為52.96%，其中沉淀池除沙效率為38.44%，清水池除沙效率為6.88%，過濾網除沙效率為7.64%。限于篇幅，表1只列出了堰長分別為5、3、2m時滿足出口含沙量為0.5～0.6kg/m3的進口含沙量測量值，以及沉淀池、溢流堰、清水池這三個主要部位的除沙效率，在堰長5、3、2m時總除沙效率分別為51.32%、55.38%、52.17%。圖6為堰長分別為5、3、2m時，出口含沙量為0.5～0.6kg/m3的沉淀池內的斷面平均含沙量分布。圖7為堰長3m時，出口含沙量為0.5～0.6kg/m3的沉淀池內不同水深處的含沙量分布。

由圖6、圖7可知，渾水從上游流向沉淀池，經過擴散段和調流板后，流速迅速降低，此時泥沙大部分沉降在-0.17～5.00m段內，5.00～20.00m段各層含沙量均緩慢減小，此時表層水中泥沙因重力沉降而進入中層及底層，故中層及底層水中的含沙量減小速率要比表層的小，同時泥沙含量分層現象比較明顯，表層含沙量小，中層及底層含沙量大。20.00～25.00m段，因沉淀池中的細顆粒泥沙未在其前段沉降而匯集于此，各層含沙量呈增長趨勢。

根據9種工況下的含沙量試驗數據統計分析，在0.05m3/s來水流量下，清水池出口含沙量為0.421～0.889kg/m3時所對應的進口含沙量為1.012～1.942kg/m3，重力沉沙過濾池出口含沙量滿足0.5～0.6kg/m3要求時，對應的進口最大含沙量不宜超過1.5kg/m3。

2.4 顆粒級配

滴灌用水主要有兩個控制指標[13]：出口含沙量范圍為0.5～0.6kg/m3，出口泥沙粒徑小于0.05mm。本次顆分試驗數據共21組，限于篇幅，只給出溢流堰長3m的重力沉沙過濾池不同斷面處的泥沙顆分曲線和5、3、2m堰長分別在沉淀池18.75m斷面和24.50m斷面的顆分結果曲線，見圖8、圖9。

由21組顆分試驗結果分析可知，不同堰長的沉淀池內泥沙沉積粒徑沿程分布基本相同。0.1mm以上的泥沙主要分布在沉淀池前半段，處理率在50%-90%之間，后半段主要是0.05～0.1mm粒徑的泥沙。沉淀池前半段淤積泥沙中值粒徑為0.2mm，尾部淤積泥沙中值粒徑為0.07mm，清水池出口淤積泥沙中值粒徑為0.05mm，滿足灌溉與排水工程設計規范要求[14]。對于5、3、2m堰長的沉淀池，0.1mm以上的泥沙主要沉積在14.5～19.5m范圍內，處理率在50%90%之間，故可考慮將沉淀池縮短至20m。而小于0.1mm的細顆粒泥沙主要沉降在沉淀池尾部20～25m段內，受側向溢流堰的影響其沉降情況不同，圖9中18.75m和24.50m斷面處，對應2、3、5m堰長的運行工況，沉淀池內泥沙中值粒徑依次減小，即隨著溢流堰長的增大，側堰水流對泥沙擾動能力不斷減弱，其中3、5m側堰工況時在沉淀池兩斷面處的中值粒徑相差不大。綜合考慮除沙效率和過濾網造價，選用3m溢流堰比較合適。

3 結論

（1）池長25m的重力沉沙過濾池總除沙效率約為52.96%，其中：沉淀池除沙效率為38.44%，清水池除沙效率為6.88%，過濾網除沙效率為7.64%。增加過濾網對于凈化滴灌水質非常必要，過濾網清除水生物及雜質后，河水可以直接進入滴灌系統，省去了田間過濾設備，為整個灌溉系統節約了投資。

（2）由含沙量和顆分結果可以看出，對于長25m的沉淀池，0.1mm以上粒徑的泥沙主要沉積在14.5～19.5m范圍內，故沉淀池長度可減小至20m。同時根據顆分試驗結果可知，側向溢流堰長為3m時，其綜合除沙效果較好。

（3）通過試驗結果分析可以得出，沉淀池長25m、設計流量為0.05m3/s、清水池出口泥沙含量滿足0.5-0.6kg/m3時，對應的進口最大含沙量不宜超過1.5kg/m3。

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