河水滴灌重力沉沙过滤池物理试验研究

2018-09-10刘亚丽赵涛戚印鑫陶洪飞张明强

人民黄河 2018年5期

刘亚丽赵涛戚印鑫陶洪飞张明强

摘要：农业高效节水技术在新疆地区发展很快，但作为主要供水水源的地表水含沙量较高，影响了该技术的广泛推行。为此，需要研究能有效处理地表水泥沙、满足滴灌水质要求、投资相对较少的除沙装置，河水滴灌重力沉沙过滤池比较好地解决了这一问题。以河水滴灌重力沉沙过滤池为研究对象，通过物理试验研究沉淀池长25m，侧向溢流堰长分别为5，3，2m的沉沙过滤池除沙效果，结果表明：在沉淀池长25m的工况下泥沙总处理效率可达50%以上，侧向溢流堰长度选取3m比较合适，满足出池水质要求的进口最大含沙量约为1.5kg/扩。

关键词：重力沉沙过滤池；过滤网；溢流堰；含沙量；泥沙拉径

中图分类号：TV673+.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.032

作为我国最大的农业高效节水区，新疆每年完成农业高效节水面积20万hm2以上，发展速度居全国前列，到2020年全区农业高效节水面积将达到286万hm2，而以微灌为主的节水灌溉模式已经确立了主导地位[1]。对于微灌系统，由于其灌水器孔径比较小，容易被堵塞，因此对水质的要求很高。而新疆地表水多为山溪性河流，水中泥沙含量大，未被排除的超过微灌系统灌水器指标的泥沙颗粒会把灌水器堵塞，使其无法正常工作，因此在水进入微灌系统之前，采用水沙分离设备或工程措施对来流河水进行泥沙处理十分必要[2]。目前泥沙处理主要有水库沉降泥沙、灌区上游沉沙池处理泥沙、滴灌系统首部沙石过滤器和网式过滤器除沙等多种方法。

河水滴灌重力沉沙过滤池是用来沉降河水或渠道水流中大于设计沉降粒径的悬移质泥沙，并通过不锈钢滤网处理泥沙、漂浮物、浮游生物等杂物的建筑物，主要由沉淀池、溢流堰、过滤网、清水池、集污槽等几部分构成；与目前滴灌工程中普遍采用的机械加压设施相比，具有占地面积小、投资少、易维护、控制面积大、不耗能、运行成本低等优势[3]。

通过对呼图壁县石梯子乡白杨河村沉沙过滤池、大丰镇联丰村沉沙过滤池、红山村沉沙过滤池，玛纳斯县凉州户镇五圣宫村沉沙过滤池进行现场跟踪测试与研究发现[4-7]：侧向溢流堰长度与沉淀池长度相等，水流在沉淀池的首端就开始溢流，不仅影响过滤效果，还会造成滤网浪费，同时增加了维修成本。经过不断改进，2013年建設的工程中将溢流堰布置在沉淀池的尾部，但侧向溢流堰的适宜长度还有待研究，沉沙过滤池的泥沙处理效果、出池泥沙含量及泥沙粒径能否满足设计要求，还缺乏理论依据。为此，笔者通过试验研究了沉淀池长25m，尾部侧向溢流堰长分别为5、3、2m的沉沙过滤池除沙效果，旨在得到25m沉淀池所对应的最佳溢流堰长度及进口适宜含沙量，为实际工程中河水滴灌重力沉沙过滤池的建设及运行提供参考。

1 物理模型试验

1.1 试验设计

河水滴灌重力沉沙过滤池可分为双向内斜跨式重力沉沙过滤池、双向外斜跨式重力沉沙过滤池和单向斜跨式重力沉沙过滤池等3种类型[8-9]。根据试验场地大小、泵房水循环出力及浑水搅拌系统供沙能力，同时参考地方标准，确定本次试验采用单向斜跨式重力沉沙过滤池，模型比尺1：1，设计流量0.05m3/s。根据试验要求及现场试验沉沙过滤池除沙效率，进水含沙量选用1.0～2.5kg/m3。试验模型的平面布置和剖面见图1。

其中，沉淀池进口设置导流墙，导流墙后设置调流板（桩号0+00.00m）。沉淀池长25m，宽1.50m，池底坡度为1%。沉淀池尾部设置侧向溢流堰，其长度可通过调节溢流堰上游处挡水板来确定。侧向溢流堰下方铺设100目的不锈钢滤网，根据2013-2014年工程现场试验可知，滤网角度在35°～40°之间除沙效果比较好，本次试验滤网角度为38°。清水池设于滤网下方，清水池长25m，宽0.75m。为了实现水力冲沙，清水池底坡倾斜方向与沉淀池的一致，坡度为1%。集污槽长25m，宽0.75m。

1.2 试验材料和仪器

本试验取试验地天然沙土作为模型沙，颗粒级配见图2。粒径大于0.075mm的沙占52.5%，小于0.075mm的沙占47.5%，小于0.005mm的沙占10%，中值粒径为0.1mm。

试验仪器主要有LGY-Ⅲ型智能流速仪、颗分粒度仪，0.1mm电子水准仪，0.0001g电子天平、0.01℃电子温度计、50mL锥形瓶等。

1.3 试验方案

1.3.1 试验内容

在沉淀池长25m，侧向溢流堰长分别为5、3、2m工况下，重力沉沙过滤池设计流量为0.05m3/s，改变进口含沙量，得到沿程水位、流速、含沙量分布、颗分数据，确定重力沉沙过滤池的泥沙处理效率，分析25m沉淀池所对应的最佳溢流堰长度，得到满足出口水质要求的进口最大含沙量。

1.3.2 试验步骤

确认系统正常运转、模型进入工作状态时注入浑水，当进水流量与出水流量稳定时，开始试验。在设计流量和其他参数相同的情况下开展以下工作：在侧向溢流堰长5m的工况下，调节上游加沙量，取出口水样测量含沙量；在满足出口含沙量分别为<0.5kg/m3、0.5～0.6kg/m3、>0.6kg/m3的情况下，测量进口及各断面的含沙量；出口含沙量满足要求时测量水位、流速，观测流态。以上数据采集后停止进水，待池中水渗透完毕，采集沉淀池和清水池内各断面的沙样进行颗分试验。改变溢流堰长度，分别为3、2m，重复上述步骤。

1.3.3 试验方法

沿X方向（水流方向）在沉淀池桩号分别为-0.17、2.00、6.25、12.5、18.75、24.5m处设6个断面，其中-0.17m断面位于调流板（0断面）之前，以便于观测水流通过调流板后的变化。

（1）水位测量。每个断面沿Y方向设0.4、1.1m两个测点（见图3），每个测点测量3次，取平均值。

（2）流速测量。每个断面沿Y方向设置0.4、1.1m两个测点，各测点沿Z方向设水面以下0.1m处、水深1/2处、水深2/3处3个位置（见图3），每个位置测量3次，取平均值。

（3）含沙量测量。针对25m长沉淀池和5、3、2m侧堰长度进行组合，共3种结构工况，每种结构工况下安排满足出口含沙量分别为<0.5kg/m3、0.5～0.6kg/m3、>0.6kg/m3的小、中、大3组进水口含沙量，共9种工况。沉淀池中每断面沿Y方向设置0.4、1.1m两个测点，每个测点沿Z方向设表层0.1m处、水深1/2处、距底0.1m处3个位置（见图3），每个位置测量3次，取平均值。

2 试验结果及分析

2.1 水位

图4为不同溢流堰长度的沉淀池水位及溢流堰水头测量结果。由图4可知，沉淀池不同位置的水位基本相同，水流较平稳，没有大的水位落差，有利于泥沙的沉降。水深与侧向溢流堰长度成反比，侧向溢流堰越长，沉淀池水位及溢流堰水头越小。经流态观测发现，在侧向溢流堰长度为2～3m时，过滤网上过流面积较大，能够比较充分地利用过滤网。

2.2 流速

图5为不同溢流堰长度的沉淀池流速分布。由图5可知，水流通过-0.17m断面及调流板后流速迅速减小到0.1m/s以下，说明调流板在降低流速、调整流态方面效果明显[10]。除受到调流板影响外，上游连接段采用的是扩散形式，使水流流速降低后均匀扩散至沉淀池左、右室[11]。由沉沙池设计规范可知[12]：当沉降泥沙最小粒径在0.05～0.1mm范围内时，工作段平均流速可选0.05～0.15m/s，所以沉淀池内流速有利于泥沙的沉降。不同溢流堰长度的沉淀池内流速分布规律基本相同，流速沿程变化大致可分为3个阶段：①X=-0.17～1.00m为流速迅速降低阶段；②X=1.00～18.75m为流速恒定阶段；③X=18.75～25.00m为流速缓慢降低阶段。侧向溢流堰上流速随溢流堰长度的减小而增大，溢流堰上流速增大会对泥沙的沉降有不利的影响，所以侧向溢流堰的长度不宜过小。

2.3 含沙量

除沙效率是判断沉淀池泥沙处理能力的一个重要参数，除沙效率越高说明泥沙处理能力越好，其表达式为式中：η为除沙效率，%；S为初始时刻（t=0）的浑水含沙量，kg/m3；S1为t时刻的平均含沙量，kg/m3。

将9种工况下的试验数据代入式（1），得到重力沉沙过滤池总除沙效率约为52.96%，其中沉淀池除沙效率为38.44%，清水池除沙效率为6.88%，过滤网除沙效率为7.64%。限于篇幅，表1只列出了堰长分别为5、3、2m时满足出口含沙量为0.5～0.6kg/m3的进口含沙量测量值，以及沉淀池、溢流堰、清水池这三个主要部位的除沙效率，在堰长5、3、2m时总除沙效率分别为51.32%、55.38%、52.17%。图6为堰长分别为5、3、2m时，出口含沙量为0.5～0.6kg/m3的沉淀池内的断面平均含沙量分布。图7为堰长3m时，出口含沙量为0.5～0.6kg/m3的沉淀池内不同水深处的含沙量分布。

由图6、图7可知，浑水从上游流向沉淀池，经过扩散段和调流板后，流速迅速降低，此时泥沙大部分沉降在-0.17～5.00m段内，5.00～20.00m段各层含沙量均缓慢减小，此时表层水中泥沙因重力沉降而进入中层及底层，故中层及底层水中的含沙量减小速率要比表层的小，同时泥沙含量分层现象比较明显，表层含沙量小，中层及底层含沙量大。20.00～25.00m段，因沉淀池中的细颗粒泥沙未在其前段沉降而汇集于此，各层含沙量呈增长趋势。

根据9种工况下的含沙量试验数据统计分析，在0.05m3/s来水流量下，清水池出口含沙量为0.421～0.889kg/m3时所对应的进口含沙量为1.012～1.942kg/m3，重力沉沙过滤池出口含沙量满足0.5～0.6kg/m3要求时，对应的进口最大含沙量不宜超过1.5kg/m3。

2.4 颗粒级配

滴灌用水主要有两个控制指标[13]：出口含沙量范围为0.5～0.6kg/m3，出口泥沙粒径小于0.05mm。本次颗分试验数据共21组，限于篇幅，只给出溢流堰长3m的重力沉沙过滤池不同断面处的泥沙颗分曲线和5、3、2m堰长分别在沉淀池18.75m断面和24.50m断面的颗分结果曲线，见图8、图9。

由21组颗分试验结果分析可知，不同堰长的沉淀池内泥沙沉积粒径沿程分布基本相同。0.1mm以上的泥沙主要分布在沉淀池前半段，处理率在50%-90%之間，后半段主要是0.05～0.1mm粒径的泥沙。沉淀池前半段淤积泥沙中值粒径为0.2mm，尾部淤积泥沙中值粒径为0.07mm，清水池出口淤积泥沙中值粒径为0.05mm，满足灌溉与排水工程设计规范要求[14]。对于5、3、2m堰长的沉淀池，0.1mm以上的泥沙主要沉积在14.5～19.5m范围内，处理率在50%90%之间，故可考虑将沉淀池缩短至20m。而小于0.1mm的细颗粒泥沙主要沉降在沉淀池尾部20～25m段内，受侧向溢流堰的影响其沉降情况不同，图9中18.75m和24.50m断面处，对应2、3、5m堰长的运行工况，沉淀池内泥沙中值粒径依次减小，即随着溢流堰长的增大，侧堰水流对泥沙扰动能力不断减弱，其中3、5m侧堰工况时在沉淀池两断面处的中值粒径相差不大。综合考虑除沙效率和过滤网造价，选用3m溢流堰比较合适。

3 结论

（1）池长25m的重力沉沙过滤池总除沙效率约为52.96%，其中：沉淀池除沙效率为38.44%，清水池除沙效率为6.88%，过滤网除沙效率为7.64%。增加过滤网对于净化滴灌水质非常必要，过滤网清除水生物及杂质后，河水可以直接进入滴灌系统，省去了田间过滤设备，为整个灌溉系统节约了投资。

（2）由含沙量和颗分结果可以看出，对于长25m的沉淀池，0.1mm以上粒径的泥沙主要沉积在14.5～19.5m范围内，故沉淀池长度可减小至20m。同时根据颗分试验结果可知，侧向溢流堰长为3m时，其综合除沙效果较好。

（3）通过试验结果分析可以得出，沉淀池长25m、设计流量为0.05m3/s、清水池出口泥沙含量满足0.5-0.6kg/m3时，对应的进口最大含沙量不宜超过1.5kg/m3。

参考文献：

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[2]郑思敏，汤弊，安杰.新型微灌用沉沙池水力特性的数值模拟[J].石河子大学学报（自然科学版），2011，29（4）：490-494.

[3]董新光.以标准化规范化为抓手努力提升田间高效节水技术水平[J].新疆水利，2012（3）：11-14.

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[5]孙娟.河水滴灌重力沉沙过滤池的设计与推广研究[J].泥沙研究，2014（3）：71-80.

[6]戚印鑫.河水滴灌重力沉沙过滤池对河水泥沙处理效果的试验研究[J].中国农村水利水电，2014（4）：15-17.

[7]何建村.河水滴灌重力沉沙过滤池的设计、施工及运行管理[J].节水灌溉，2014（9）：87-90.