新型沉沙池沉沙效果的应用研究

杨 晓 军(1.新疆农业职业技术学院，新疆 昌吉 831100；2.新疆昌吉方汇水电设计有限公司，新疆 昌吉 831100)

1 研究背景

新疆是农业灌溉用水大省，目前主要采用节水微灌技术进行大田灌溉[1-3]。因灌溉水源含有有机物、杂草、砂石、泥沙等各种杂质，故需要对灌溉水源进行过滤和净化处理措施才能进入滴灌系统，这是保证农田滴灌系统正常、安全、长期可靠的运行的重要前提保证[4,5]。在新疆农田灌溉系统的首部，灌溉水源进入滴管带前一般都在渠首设置沉沙池(多以矩形为主)对其进行处理，但受汛期河道来水含沙量大的影响，虽经沉沙池过滤，但仍会造成微灌系统的堵塞，同时可能还会加重后续灌溉过滤设备(如过滤器、滴管带迷宫)的运行负担[6-10]。因此，有必要对传统沉沙池进行优化和改进，使新型沉沙池能够有效处理掉推移质和悬移质颗粒，从而减少进入微灌系统的泥沙含量，真正做到泥沙过滤的作用。

传统沉沙池[11,12]主要是不同形状的水池组成，如单室和多室直线型、曲线型、沉沙条渠型、混合型等，它通过沉沙池的有效长宽面使灌溉水源的流速降低，进而水流挟沙率降低，泥沙难以随水流继续推进而慢慢沉降。经分析，传统沉沙池沉沙效果往往受其长宽比影响较大，但在实际农田灌溉首部，很少有充足的场地去建设大比尺的沉沙池，因而必须对沉沙池的结构进行改进。本模型在传统沉沙池结构上进行了如下的改进，即分别在池首处增加调流板、在池尾部的溢流堰区增设了溢流作用的溢流侧堰来降低出池水流的含沙量[13,14]。显然经过这种结构的改进，可明显起到以下2个作用：其一，池首的流速经调流板作用后迅速降低，泥沙落淤速度明显加快；其二，池尾的溢流堰是水流自动蓄满溢出，含沙量明显降低，这种新型沉沙池的设计思路将对整个微灌系统产生较好的效益，它可以使河渠水等高含沙水资源直接作为微灌系统的水源。为了检测这种设计思路对泥沙的沉降效果，前期[15,16]已对沉沙池的室内试验进行相关研究，而本文重点对沉沙池在实际工程的应用进行重点分析。

2 观测试验概况

本文主要研究新型沉沙池对灌溉水源中泥沙的沉降效果，整个观测试验过程是在新疆生产建设兵团222团应用非常广泛的新型沉沙池上进行[17,18]，整个沉沙池由进水段、渐变过渡段、沉淀室段和集水区4部分组成(沉沙池的池首和池尾)，在其中室内的模型示意图和工程应用实物图见图1。

图1 沉沙池示意图和工程应用图

因222团的农田灌溉面积较大，故整个团场既有改进后的新型沉沙池也有部分未改进的传统沉沙池(条形单室型为主)进而可为新旧两种沉沙池的沉沙效果进行对比分析。在观测试验中，主要对两种沉沙池进行沿程含沙水样的测取工作，进而对比分析泥沙在沉沙池中的沿程分布淤积情况(主要是粒径级配)及水流中悬移质含沙量的变化情况。

3 沉沙池应用效果分析

3.1 两种沉沙池沉淀效率分析

(1)池尾溢流堰的泥沙分布情况。图2为在沉沙池池尾的泥沙颗粒级配变化曲线图。从图2中可以看出：新型沉沙池的中值粒径明显小于传统沉沙池；新型沉沙池的泥沙中细颗粒所占百分比明显大于传统沉沙池。这说明池尾的溢流堰区增设溢流侧堰后含沙量更小，沉沙效果更为明显。

图2 两种沉沙池池末级配变化

(2)沿程含沙量变化情况。图3为该团两种沉沙池沿程水流含沙量变化示意图。从图3可以看出：相比传统沉沙池，新型沉沙池在池首位置的颗粒明显较粗，这说明调流板对水流流速起到明显的减缓作用；从池首接近池尾的过程中，新型沉沙池的含沙量迅速降低，这说明泥沙的沉降作用更为明显。

图3 两种沉沙池沿程含沙量变化

3.2 新型沉沙池应用效果分析

(1)沿程泥沙分布情况。经对两种沉沙池从渠首至渠尾的测量，新型沉沙池的泥沙淤积厚度由池首至池末逐渐减小，且池首最大淤积厚度接近25 cm，而池末淤积厚度则很少，不到5 cm；传统沉沙池的泥沙淤积厚度却呈现不明显，即由池首至池末的颗粒粒径变化范围较小，经测量，沿程淤积厚度在池首附近约为3 cm，而在池末淤积厚度却达到14 cm左右，这表明吃手的水流流速过大，水流挟沙率仍然较大。经过水流的长距离输运作用，你车慢慢沉降下来。

经上述分析，无论是新型沉沙池还是传统沉沙池，水流在刚进入池内的水流流速较大且在池首部的水流紊动也比较剧烈，因此若不经调流措施，水流挟沙能力由强变弱，尤其将较细的颗粒挟带至更远的地方才能沉降，进而使沉沙池的沉沙效果较小，这种情况在在传统沉沙池中表现得更为明显。在新型沉沙池中，由于在首部增设了调流墙对入池水流进行调节，水流流速降低引起水流挟沙能力降低，泥沙自然而然会出现迅速落淤现象，而细泥沙在经长距离的输运作用后也慢慢沿程发生沉降，且沿程淤积厚度逐渐减小。

图4为在新型沉沙池和传统沉沙池末泥沙的颗粒级配变化。经上述分析，可总结出如下变化规律：新型沉沙池在池末端的细颗粒泥沙所占的百分比明显大于传统沉沙池，这表明调流板和溢流槽的布设起到明显的消流降沙作用。

图4 沉沙池末端级配变化

(2)水流含沙量变化情况。图5为新型沉沙池和传统沉沙池沿程含沙量变化图。由图5可明显观察出如下规律：在池首附近，新型沉沙池含沙量比传统沉沙池大，说明调流板的作用使泥沙迅速沉降，因受水流的紊动作用，含沙量相对较大；而经过调流板调流后的水流的含沙量则迅速减小，且减小的幅度比传统沉沙池大的多，这说明水流流速降低后，水流挟沙的能力逐渐减弱，尤其在沿程变化上更为明显，这和上述分析相吻合。

图5 沉沙池含沙量沿程变化

4 结 语

(1)经对比分析，新型沉沙池的池末细颗粒泥沙所占百分数明显大于传统沉沙池，说明新型沉沙池对细颗粒泥沙具有更好的沉降效果。

(2)相比传统沉沙池，新型沉沙池含沙量自池首至池尾的沿程分布表现出由大到小变化规律，且渠尾出池水流的悬移质含沙量明显减小。

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