位山灌區重力沉沙過濾池泥沙運動規律分析

2020-07-08 08:16:00王世鵬

水利建設與管理 2020年6期

王世鵬

(聊城市位山灌區管理處，山東聊城 252000)

河水滴灌重力沉沙過濾池是一種由沉淀池、過濾網、清水池等組成的新型沉沙過濾池，具有經濟性好、控制面積大以及無能耗等優點，因此在各灌區應用廣泛。目前，關于河水滴灌重力沉沙過濾池的研究已取得一定成果，但仍需作進一步的探討。

引黃灌區是黃河流域最重要的農業生產基地，由于黃河泥沙含量高，因此，對于泥沙調控的研究就顯得尤為重要。位山引黃灌區屬特大型灌區，近年來，關于位山灌區的研究較多，如王艷茹等[1]、王玉偉等[2]分別基于MODFLOW和人工示蹤法對灌區地下水補給特征進行了分析研究；吳復昌[3]基于PSO算法對位山灌區和小開河灌區的輸水調度模型進行了優化探討，結果表明兩個灌區的輸水滲漏損失量可以分別降低25.9%和16.8%；張虹龍等[4]、胡健等[5]則分別對位山灌區泥沙淤積特征和沉沙池輸沙通道減淤效果進行了研究，為灌區減沙、截沙提供了理論支撐，但仍有需要繼續改進和探討的地方。

本文以位山灌區為例，對不同沉淀池長度和溢流堰長度下的重力沉沙過濾池泥沙運動規律進行了探討分析，可為促進灌區建設、提高水沙分離效率提供借鑒。

1 灌區概況

位山灌區始建于1958年，設計最大灌溉面積1145萬畝，是黃河下游最大的引黃灌區，居全國特大型灌區的第五位。灌區主要骨干建筑物包括：東西2條輸沙渠、3條主干渠以及2個沉沙池，總長度達到274km；分干渠共53條，總長度為797km；流量大于1m3/s的支渠共有393條，總長度達到1419km；擁有各類型水工建筑物5000余座。引水至今，灌區已累計引水數百億立方米，為灌區帶來年均增產10億元的經濟效益。

2 模型試驗設計

模型設計引水流量為0.05m3/s，沉淀池設計長度為15m、20m、25m，溢流堰設計長度為2m、3m、5m，共設計9種工況，見表1。濾網角度為38°，泥沙取自當地河道(每種工況下的泥沙級配均相同)，進水含沙量為1.5kg/m3，濾網數目為100目。實驗儀器包括流速儀、測針、電子天平、溫度計、錐形瓶、電子水準儀和移液管等。為便于分析，將水流方向定義為X軸，寬度方向定義為Y軸，水深方向定義為Z軸，分別測定不同測點處的含沙量，測點布置示意見圖1。

表1 模型試驗工況及測點布置

3 試驗結果分析

3.1 含沙量沿程變化特征

不同工況下的斷面平均含沙量沿程變化曲線見圖2。從圖2中可以看出：不同工況下的斷面含沙量平均值大體呈三階段變化特征，即在沉淀池首部的快速降低階段、在沉淀池中部的緩慢減小階段以及在沉淀池尾部的回升階段。在沉淀池首部，由于大顆粒泥沙在重力作用下迅速沉降，因而水中的含沙量快速降低，在沉淀池中部，由于水流流速此時較為穩定，泥沙顆粒受水流的影響較小，在重力和水流流動的共同作用下，泥沙顆粒出現明顯的分層現象，表層含沙量小于底層含沙量，越往沉淀池尾部走，水中及底部淤積的顆粒粒徑越細，當在沉淀池尾部即溢流堰區時，由于水流流速降低，且受到溢流堰的橫向阻擋，使得各層之間的水流相對運動加大從而形成漩渦和回流現象，帶動底部的泥沙重新開始運動，故而加大了水中含沙量；因此，在設計時，應該將溢流堰稍微往沉淀池上游移動一定距離以避免出現溢流堰前水流流速不均勻而導致含沙量較大的問題。

圖1 模型試驗測點布置示意 (單位：mm)

圖2 含沙量沿程變化曲線

3.2 含沙量隨水深方向變化特征

當沉淀池長度一定(20m)時，不同溢流堰長度下的含沙量隨水深的變化關系曲線見圖3。從圖3中可知：在泥沙顆粒受重力作用情況下，含沙量表現為底層>1/2水深處>表層，表層的含沙量越小，則表明流過溢流堰的水體中含沙量越少，截沙效果越明顯；當沉淀池長度一定時，隨著溢流堰長度的增加，同一深度處的含沙量增大，且隨著溢流堰長度的增加，含沙量的脈動性增強(起伏較小)，這表明溢流堰在一定程度上增加了水流的漩渦和回流現象，使得水體的沙顆粒再次運動；在沉淀池尾部，含沙量均有一定程度的回升，且隨著溢流堰長度的增加，回升幅度增大，這也與堰前產生的紊流有關；值得注意的是，當溢流堰長度為3m時，沉淀池中后段的含沙量最小。

圖3 不同溢流堰長度下含沙量隨水深變化關系(沉淀池長20m)

當溢流堰長度一定(3m)時，不同沉淀池長度下的含沙量隨水深的變化關系曲線見圖4。從圖4中可知：在相同層面，水體的含沙量在不同沉淀池長度下表現不同，整體而言隨著沉淀池長度的增加而減少，但在沉淀池尾部區域，20m沉淀池長度下表層、1/2水深處以及底層的含沙量最小；綜合分析可知：當沉淀池長20m、溢流堰長3m時的堰前含沙量最小，表明過流水體含沙量越低，泥沙沉降效果越顯著。

圖4 不同沉淀池長度下含沙量隨水深的變化關系(溢流堰長3m)

3.3 截沙率分析

不同工況下的截沙率統計情況見表2。從表2數據可知：沉淀池的截沙率最大，其次為溢流堰，清水池的截沙率最小，這是因為在沉淀池中，大部分大顆粒泥沙已經得到沉降，而在進入溢流堰后，一部分泥沙顆粒也得到沉降，使得進入清水池的泥沙含量本來就低，因此該部位的截沙率也較低；總體截沙率并不簡單等于沉淀池、溢流堰以及清水池的截沙率之和，存在一定出入，這可能與泥沙質量數據統計誤差有關；對總體截沙率來講，沉淀池長20m和25m時的沉沙效果基本相當，當沉淀池長20m、溢流堰長3m時，截沙率達到60.8%，且此時沉降截沙主要集中于沉淀池，沉淀池的截沙率達到53.7%，對溢流堰和清水池的濾沙、沉沙過程有利。

表2 不同部位截沙率統計單位：%

3.4 顆粒級配分析

對不同斷面處的沉積泥沙顆粒級配進行統計分析，見圖5(溢流堰長3m)。在沉淀池長15m時，粒徑大于0.1mm的顆粒基本全部集中于沉淀池內，僅有少部分0.1mm以下的粒徑沉淀于此，清水池內的粒徑基本小于0.1mm，少部分0.1～0.08mm粒徑顆粒通過濾網進入到清水池內，且0.08mm以下粒徑的含量占比達到了80%以上；當沉淀池長20m時，0.1mm以上粒徑的泥沙顆粒主要集中于斷面0+10處，當到了斷面0+19.5時，大于0.1mm粒徑的泥沙顆粒僅占20%，清水池中，小于0.1mm粒徑的泥沙顆粒占比達到85%，且基本都是細顆粒泥沙；當沉淀池長25m時，斷面0+12.5之前基本均為0.1mm粒徑以上的泥沙顆粒，當到達斷面0+18.75后，泥沙顆粒開始變細，小于0.1mm粒徑的顆粒占比達到80%，當到達斷面0+24.5后，沉淀泥沙顆粒基本均為小顆粒，在清水池中，小顆粒泥沙的占比達到90%以上。

綜上分析：當沉淀池長20m時，有85%以上的大顆粒均沉淀在沉淀池中，而通過濾網和清水池后，大顆粒泥沙顆粒基本可以得到有效沉淀，增加沉淀池長度可以在一定程度上增加大顆粒泥沙的沉降效果，但是也會大大增加工程造價，綜合考慮各項因素，認為20m長沉淀池為最佳選擇。