位山灌区重力沉沙过滤池泥沙运动规律分析

王世鹏

(聊城市位山灌区管理处，山东 聊城 252000)

河水滴灌重力沉沙过滤池是一种由沉淀池、过滤网、清水池等组成的新型沉沙过滤池，具有经济性好、控制面积大以及无能耗等优点，因此在各灌区应用广泛。目前，关于河水滴灌重力沉沙过滤池的研究已取得一定成果，但仍需作进一步的探讨。

引黄灌区是黄河流域最重要的农业生产基地，由于黄河泥沙含量高，因此，对于泥沙调控的研究就显得尤为重要。位山引黄灌区属特大型灌区，近年来，关于位山灌区的研究较多，如王艳茹等[1]、王玉伟等[2]分别基于MODFLOW和人工示踪法对灌区地下水补给特征进行了分析研究；吴复昌[3]基于PSO算法对位山灌区和小开河灌区的输水调度模型进行了优化探讨，结果表明两个灌区的输水渗漏损失量可以分别降低25.9%和16.8%；张虹龙等[4]、胡健等[5]则分别对位山灌区泥沙淤积特征和沉沙池输沙通道减淤效果进行了研究，为灌区减沙、截沙提供了理论支撑，但仍有需要继续改进和探讨的地方。

本文以位山灌区为例，对不同沉淀池长度和溢流堰长度下的重力沉沙过滤池泥沙运动规律进行了探讨分析，可为促进灌区建设、提高水沙分离效率提供借鉴。

1 灌区概况

位山灌区始建于1958年，设计最大灌溉面积1145万亩，是黄河下游最大的引黄灌区，居全国特大型灌区的第五位。灌区主要骨干建筑物包括：东西2条输沙渠、3条主干渠以及2个沉沙池，总长度达到274km；分干渠共53条，总长度为797km；流量大于1m3/s的支渠共有393条，总长度达到1419km；拥有各类型水工建筑物5000余座。引水至今，灌区已累计引水数百亿立方米，为灌区带来年均增产10亿元的经济效益。

2 模型试验设计

模型设计引水流量为0.05m3/s，沉淀池设计长度为15m、20m、25m，溢流堰设计长度为2m、3m、5m，共设计9种工况，见表1。滤网角度为38°，泥沙取自当地河道(每种工况下的泥沙级配均相同)，进水含沙量为1.5kg/m3，滤网数目为100目。实验仪器包括流速仪、测针、电子天平、温度计、锥形瓶、电子水准仪和移液管等。为便于分析，将水流方向定义为X轴，宽度方向定义为Y轴，水深方向定义为Z轴，分别测定不同测点处的含沙量，测点布置示意见图1。

表1 模型试验工况及测点布置

3 试验结果分析

3.1 含沙量沿程变化特征

不同工况下的断面平均含沙量沿程变化曲线见图2。从图2中可以看出：不同工况下的断面含沙量平均值大体呈三阶段变化特征，即在沉淀池首部的快速降低阶段、在沉淀池中部的缓慢减小阶段以及在沉淀池尾部的回升阶段。在沉淀池首部，由于大颗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，由于水流流速此时较为稳定，泥沙颗粒受水流的影响较小，在重力和水流流动的共同作用下，泥沙颗粒出现明显的分层现象，表层含沙量小于底层含沙量，越往沉淀池尾部走，水中及底部淤积的颗粒粒径越细，当在沉淀池尾部即溢流堰区时，由于水流流速降低，且受到溢流堰的横向阻挡，使得各层之间的水流相对运动加大从而形成漩涡和回流现象，带动底部的泥沙重新开始运动，故而加大了水中含沙量；因此，在设计时，应该将溢流堰稍微往沉淀池上游移动一定距离以避免出现溢流堰前水流流速不均匀而导致含沙量较大的问题。

图1 模型试验测点布置示意 (单位：mm)

图2 含沙量沿程变化曲线

3.2 含沙量随水深方向变化特征

当沉淀池长度一定(20m)时，不同溢流堰长度下的含沙量随水深的变化关系曲线见图3。从图3中可知：在泥沙颗粒受重力作用情况下，含沙量表现为底层>1/2水深处>表层，表层的含沙量越小，则表明流过溢流堰的水体中含沙量越少，截沙效果越明显；当沉淀池长度一定时，随着溢流堰长度的增加，同一深度处的含沙量增大，且随着溢流堰长度的增加，含沙量的脉动性增强(起伏较小)，这表明溢流堰在一定程度上增加了水流的漩涡和回流现象，使得水体的沙颗粒再次运动；在沉淀池尾部，含沙量均有一定程度的回升，且随着溢流堰长度的增加，回升幅度增大，这也与堰前产生的紊流有关；值得注意的是，当溢流堰长度为3m时，沉淀池中后段的含沙量最小。

图3 不同溢流堰长度下含沙量随水深变化关系(沉淀池长20m)

当溢流堰长度一定(3m)时，不同沉淀池长度下的含沙量随水深的变化关系曲线见图4。从图4中可知：在相同层面，水体的含沙量在不同沉淀池长度下表现不同，整体而言随着沉淀池长度的增加而减少，但在沉淀池尾部区域，20m沉淀池长度下表层、1/2水深处以及底层的含沙量最小；综合分析可知：当沉淀池长20m、溢流堰长3m时的堰前含沙量最小，表明过流水体含沙量越低，泥沙沉降效果越显著。

图4 不同沉淀池长度下含沙量随水深的变化关系(溢流堰长3m)

3.3 截沙率分析

不同工况下的截沙率统计情况见表2。从表2数据可知：沉淀池的截沙率最大，其次为溢流堰，清水池的截沙率最小，这是因为在沉淀池中，大部分大颗粒泥沙已经得到沉降，而在进入溢流堰后，一部分泥沙颗粒也得到沉降，使得进入清水池的泥沙含量本来就低，因此该部位的截沙率也较低；总体截沙率并不简单等于沉淀池、溢流堰以及清水池的截沙率之和，存在一定出入，这可能与泥沙质量数据统计误差有关；对总体截沙率来讲，沉淀池长20m和25m时的沉沙效果基本相当，当沉淀池长20m、溢流堰长3m时，截沙率达到60.8%，且此时沉降截沙主要集中于沉淀池，沉淀池的截沙率达到53.7%，对溢流堰和清水池的滤沙、沉沙过程有利。

表2 不同部位截沙率统计 单位：%

3.4 颗粒级配分析

对不同断面处的沉积泥沙颗粒级配进行统计分析，见图5(溢流堰长3m)。在沉淀池长15m时，粒径大于0.1mm的颗粒基本全部集中于沉淀池内，仅有少部分0.1mm以下的粒径沉淀于此，清水池内的粒径基本小于0.1mm，少部分0.1～0.08mm粒径颗粒通过滤网进入到清水池内，且0.08mm以下粒径的含量占比达到了80%以上；当沉淀池长20m时，0.1mm以上粒径的泥沙颗粒主要集中于断面0+10处，当到了断面0+19.5时，大于0.1mm粒径的泥沙颗粒仅占20%，清水池中，小于0.1mm粒径的泥沙颗粒占比达到85%，且基本都是细颗粒泥沙；当沉淀池长25m时，断面0+12.5之前基本均为0.1mm粒径以上的泥沙颗粒，当到达断面0+18.75后，泥沙颗粒开始变细，小于0.1mm粒径的颗粒占比达到80%，当到达断面0+24.5后，沉淀泥沙颗粒基本均为小颗粒，在清水池中，小颗粒泥沙的占比达到90%以上。

综上分析：当沉淀池长20m时，有85%以上的大颗粒均沉淀在沉淀池中，而通过滤网和清水池后，大颗粒泥沙颗粒基本可以得到有效沉淀，增加沉淀池长度可以在一定程度上增加大颗粒泥沙的沉降效果，但是也会大大增加工程造价，综合考虑各项因素，认为20m长沉淀池为最佳选择。

图5 沉积泥沙颗粒级配分析

4 结 语

a.含沙量沿程呈“快速下降—缓慢稳态下降—回升”三个阶段，底层含沙量>1/2水深处含沙量>表层含沙量；溢流堰越长，含沙量脉动现象越明显，溢流堰长3m时的堰前含沙量最小；沉淀池越长，同一水深层面处的含沙量越小。

b.沉淀池长20m和25m时的沉沙效果基本相当，当沉淀池长20m、溢流堰长3m时，沉降截沙效果较为显著，且此时大颗粒沉降率达到85%以上，由于后续过滤网和清水池还有一定的沉降作用，在考虑工程造价因素下，认为20m长沉淀池为最佳选择。

c.建议在设计时，将溢流堰向沉淀池方向稍微移动一定距离以防止漩涡、回流搅动泥沙，从而造成泥沙含量再次回升。