基于SPSS的新型沉沙池的影響參數分析

張 軍

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

中國新疆地區干旱少雨，水資源緊缺，大量的農田水利工程采用微灌和滴灌等灌溉技術進行節水，然而灌溉系統對水質要求較高。若采用傳統泥沙處理設施，如條形沉砂池，處理多泥沙水流，細顆粒泥沙處理效率較低，則水流中的部分細顆粒泥沙進入噴滴灌系統，將導致整個節水灌溉系統被堵塞和報廢，造成工程投入較大，因此許多學者不斷改造排沙窩管[1]、條形沉沙池[2]、排沙漏斗[3]、自排沙廊道沉沙池[4]及其他沉淀池[5- 6]的形式和結構，以確保灌溉系統的正常運行。圓中環沉沙排沙池是一種新型的水沙分離裝置系統，依靠水力作用，自動排出沉積泥沙，耗水量少，為間歇性排沙[7- 8]。相較于其他排沙裝置，“圓中環”對地形要求相對低，流量應用范圍廣等特點。在新疆阿葦灘渠首、塔尕克水電站、烏魯木齊青年渠渠首處理粗顆粒泥沙獲得較好的效果[7-11]。

近些年來，常采用多元統計分析的方法對兩個或者兩個以上的變量進行相關分析，獲得不同變量之間的相關特性，相關分析在水文地質、氣象、水資源利用、采礦工程、凍土等領域廣泛應用[12-15]。SPSS軟件是進行回歸分析最常用的軟件之一，利用該軟件對兩個及兩個以上變量進行回歸分析，建立良好的回歸模型。“圓中環”設計影響參數較復雜，參數之間關聯性較強，為了便于優化設計參數，以其大量試驗數據為基礎，采用SPSS軟件對其流量、沉降時間、內環半徑及沉沙粒徑進行統計分析，找出相關性，建立回歸模型，為“圓中環”設計應用提供分析參考。

1 物理模型

“圓中環”主要由進流、內環、外環、沖沙、匯流、出流等建筑物構成[7-11]，見圖1。設計流量為2.0 m3/s，加大流量為3.0 m3/s，內環直徑30.0 m，外環直徑32.0 m，中心出水環直徑2.0 m。物理模型根據幾何比尺λ=14的正態模型進行設計。依據前期對不同中心出水環增高高度的“圓中環”流速和沉沙特性進行研究和分析，結果表明，當中心出水環增加高度為1.26 m時，流速分布相對均勻，泥沙沉降量大[8，10]。因此，本文針對多種流量條件下，研究了中心出水環不增高和增高1.26 m工況的泥沙沉降特性，并分析計算沉降時間與流量，以及半徑與沉降粒徑的關系。

圖1 “圓中環”結構布置

為了更好地分析沉降時間與流量的相關關系，建立回歸模型，懸移質泥沙沉降相似試驗采用粉沙[10]，容重為15.2 kN/m3，水下容重比尺λγs-γ=1，沉降相似比尺λd=3.74，沉沙時間比尺λt=3.74。分別在進水流量Q為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 m3/s，含沙量均為2 kg/m3條件下，觀測中心出水環高度不增加及增加1.26 m的泥沙沉降分布，并記錄泥沙沉降過程及時間。為了保證試驗結果的準確性，在不同流量條件下，內環溢出泥沙含量相同。為便于數據統一，試驗成果中將模型試驗數據均換算為原型數據。

為了更好地分析半徑與沉降粒徑的相關關系，建立回歸模型，為保證推移質沉降相似，模型沙采用天然粗沙[11]，推移質泥沙沉降相似比尺λd=14，容重16 kN/m3，顆分曲線見圖2。在設計流量Q=2 m3/s和加大流量Q=3 m3/s條件下，含沙量均為2 kg/m3，測試中心出水環高度不增加及增加1.26 m工況，內環半徑為2.0、5.0、8.0、12.0 m及15.0 m的最大沉降粒徑。為便于數據統一，試驗成果中將模型試驗數據均換算為原型數據。

圖2 模型沙顆分曲線

2 試驗結果與分析

2.1 流量與沉降時間分析

在進水流量Q=0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 m3/s條件下，含沙量均為2 kg/m3，內環溢出泥沙含量相同。在不同流量條件下，圖3僅列出中心出水環不增高和增高的典型沉沙形態，不同流量的沉沙時間見表1。

圖3 “圓中環”沉沙形態

表1 不同流量的沉降時間

從圖3可以看出：

(1)不同進水流量條件下，由于水流自中心出水環至內環流速沿徑向逐漸減小，泥沙首先沉降在中心出水環周圍，進而沿徑向沉降。當中心出水環高度不增加時，流速分布不均勻，泥沙主要沉降在135°～225°范圍內，并逐漸沿徑向推進至內環邊，而其他范圍泥沙沉降量較少；當中心出水環增高1.26 m時，泥沙沉降分布均勻，沉降量較大。從表1及圖3可以看出，在中心出水環增加高度相同的條件下，隨著流量增加，內環溢出泥沙含量相同，內環泥沙沉降形態基本相同，沉沙時間不同，時間減小，平均減小50%。相同流量條件下，中心出水環增高1.26 m時，沉沙時間增加，平均增加28%。結果表明：中心出水環增高1.26 m可有效延長泥沙沉降時間。

(2)中心出水環高度不增加條件下，隨著流量增加，內環溢出泥沙含量相同時，泥沙主要沉降在135°～225°范圍內，沉沙體積約占內環體積的25%，沉沙容積利用率較低，但沉沙體積與沉沙量基本相同。中心出水環增高1.26 m條件下，隨著流量增加，內環溢出泥沙含量相同時，沉沙四周沉降，沉沙體積約占內環體積的50%，內環容積利用率大大提高，但沉沙體積和沉沙量基本相同；相比中心出水環不增加條件，沉沙體積內環容積利用率迅速增加，增幅提高1倍。結果表明：相同條件下，內環泥沙沉降量基本相同，泥沙沉降量不隨流量的變化而變化，這與中心出水環高度直接相關。中心出水環增高1.26 m可有效增加內環沉沙容積利用率。

通過表1中的數據，采用SPSS分析不同進水流量和相應泥沙沉降時間的相關性，如圖4所示。由圖4可知，相關系數R2=1，說明泥沙沉降時間與進水流量相關性很強，該組試驗泥沙沉降時間與設計流量吻合良好；此外，隨著設計流量增加，“圓中環”的泥沙沉降時間迅速減小，設計流量與泥沙沉降時間成反比關系，但在進水流量Q>3.0m3/s后，沉降時間變化不大。

圖4 沉降時間與設計流量關系曲線

2.2 半徑與最大沉降泥沙粒徑分析

在設計流量Q=2 m3/s和加大Q=3 m3/s條件下，含沙量均為2 kg/m3，內環溢出泥沙含量相同。研究了中心出水環不增高及增高1.26 m時，不同內環半徑(分別為2、5、8、11、15 m)與最大沉降粒徑的關系如表2所示。

由表2可知，在相應半徑條件下，大于相應最大沉降粒徑的泥沙顆粒完全沉降在內環；相同流量條件下，最大沉降粒徑隨著內環半徑增加而減小，但不隨中心出水環增高而變化；隨著流量增大，內環半徑在2～8 m范圍內最大沉降粒徑增加，半徑在12～15 m范圍內最大沉降粒徑不變。即相同流量條件下，隨著內環半徑增加，水流流速和動能減小，最大沉降粒徑減小，最大沉降粒徑與中心出水環環高度無關，只與內環半徑直接相關。試驗結果還表明：該工程內環半徑為15 m滿足加大流量要求。內環長度隨著半徑增加而增加，最大沉降粒徑減小。最大沉降粒徑沿徑向減小的核心是流速和動能降低，關鍵因素是增加內環長度，即增加內環半徑。

表2 內環半徑與最大沉降粒徑關系

通過表2中的數據，采用SPSS分析不同內環半徑和相應最大沉降粒徑的相關性，如圖4所示。由圖5可知，在設計流量Q=2 m3/s和加大Q=3 m3/s條件下，相關系數R2分別為0.998和0.982，說明內環半徑與最大沉降粒徑相關性很強，該組試驗內環半徑與最大沉降粒徑吻合良好。由圖5還可以看出，隨著內環半徑增加，最大沉降粒徑迅速減小，內環半徑與最大沉降粒徑成二次函數關系，但在半徑≥12 m時，最大沉降粒徑變化不大。結果表明：現狀“圓中環”設計半徑是合適的；當處理較小泥沙粒徑，需增加半徑或者改變內環的結構體形以增加過水橫斷面。

圖5 半徑與最大沉沙粒徑關系曲線

3 結 論

通過對“圓中環”的泥沙沉降影響參數進行SPSS分析研究，得出以下結論：

(1)在中心出水環高度不增加和增加1.26 m條件下，隨著進水流量變化，內環泥沙沉積形態和沉降量基本相同。沉降時間隨進水流量的增加而驟減，兩者成反比關系，但進水流量大于3 m3/s，沉降時間基本不變。中心出水環增高1.26 m可有效延長泥沙沉降時間和增加內環沉沙容積利用率。研究成果可為其沉降特性研究提供依據。

(2)內環長度隨內環半徑增大而增大，最大沉降粒徑迅速減小的核心是流速和動能降低，兩者成二次函數關系，但在半徑大于12 m時，最大沉降粒徑基本不變；最大沉降粒徑與中心出水環高度無關。“圓中環”半徑滿足加大流量要求。研究成果可為“圓中環”設計提供依據。