基于SPSS的新型沉沙池的影响参数分析

张 军

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引 言

中国新疆地区干旱少雨，水资源紧缺，大量的农田水利工程采用微灌和滴灌等灌溉技术进行节水，然而灌溉系统对水质要求较高。若采用传统泥沙处理设施，如条形沉砂池，处理多泥沙水流，细颗粒泥沙处理效率较低，则水流中的部分细颗粒泥沙进入喷滴灌系统，将导致整个节水灌溉系统被堵塞和报废，造成工程投入较大，因此许多学者不断改造排沙窝管[1]、条形沉沙池[2]、排沙漏斗[3]、自排沙廊道沉沙池[4]及其他沉淀池[5- 6]的形式和结构，以确保灌溉系统的正常运行。圆中环沉沙排沙池是一种新型的水沙分离装置系统，依靠水力作用，自动排出沉积泥沙，耗水量少，为间歇性排沙[7- 8]。相较于其他排沙装置，“圆中环”对地形要求相对低，流量应用范围广等特点。在新疆阿苇滩渠首、塔尕克水电站、乌鲁木齐青年渠渠首处理粗颗粒泥沙获得较好的效果[7-11]。

近些年来，常采用多元统计分析的方法对两个或者两个以上的变量进行相关分析，获得不同变量之间的相关特性，相关分析在水文地质、气象、水资源利用、采矿工程、冻土等领域广泛应用[12-15]。SPSS软件是进行回归分析最常用的软件之一，利用该软件对两个及两个以上变量进行回归分析，建立良好的回归模型。“圆中环”设计影响参数较复杂，参数之间关联性较强，为了便于优化设计参数，以其大量试验数据为基础，采用SPSS软件对其流量、沉降时间、内环半径及沉沙粒径进行统计分析，找出相关性，建立回归模型，为“圆中环”设计应用提供分析参考。

1 物理模型

“圆中环”主要由进流、内环、外环、冲沙、汇流、出流等建筑物构成[7-11]，见图1。设计流量为2.0 m3/s，加大流量为3.0 m3/s，内环直径30.0 m，外环直径32.0 m，中心出水环直径2.0 m。物理模型根据几何比尺λ=14的正态模型进行设计。依据前期对不同中心出水环增高高度的“圆中环”流速和沉沙特性进行研究和分析，结果表明，当中心出水环增加高度为1.26 m时，流速分布相对均匀，泥沙沉降量大[8，10]。因此，本文针对多种流量条件下，研究了中心出水环不增高和增高1.26 m工况的泥沙沉降特性，并分析计算沉降时间与流量，以及半径与沉降粒径的关系。

图1 “圆中环”结构布置

为了更好地分析沉降时间与流量的相关关系，建立回归模型，悬移质泥沙沉降相似试验采用粉沙[10]，容重为15.2 kN/m3，水下容重比尺λγs-γ=1，沉降相似比尺λd=3.74，沉沙时间比尺λt=3.74。分别在进水流量Q为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 m3/s，含沙量均为2 kg/m3条件下，观测中心出水环高度不增加及增加1.26 m的泥沙沉降分布，并记录泥沙沉降过程及时间。为了保证试验结果的准确性，在不同流量条件下，内环溢出泥沙含量相同。为便于数据统一，试验成果中将模型试验数据均换算为原型数据。

为了更好地分析半径与沉降粒径的相关关系，建立回归模型，为保证推移质沉降相似，模型沙采用天然粗沙[11]，推移质泥沙沉降相似比尺λd=14，容重16 kN/m3，颗分曲线见图2。在设计流量Q=2 m3/s和加大流量Q=3 m3/s条件下，含沙量均为2 kg/m3，测试中心出水环高度不增加及增加1.26 m工况，内环半径为2.0、5.0、8.0、12.0 m及15.0 m的最大沉降粒径。为便于数据统一，试验成果中将模型试验数据均换算为原型数据。

图2 模型沙颗分曲线

2 试验结果与分析

2.1 流量与沉降时间分析

在进水流量Q=0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 m3/s条件下，含沙量均为2 kg/m3，内环溢出泥沙含量相同。在不同流量条件下，图3仅列出中心出水环不增高和增高的典型沉沙形态，不同流量的沉沙时间见表1。

图3 “圆中环”沉沙形态

表1 不同流量的沉降时间

从图3可以看出：

(1)不同进水流量条件下，由于水流自中心出水环至内环流速沿径向逐渐减小，泥沙首先沉降在中心出水环周围，进而沿径向沉降。当中心出水环高度不增加时，流速分布不均匀，泥沙主要沉降在135°～225°范围内，并逐渐沿径向推进至内环边，而其他范围泥沙沉降量较少；当中心出水环增高1.26 m时，泥沙沉降分布均匀，沉降量较大。从表1及图3可以看出，在中心出水环增加高度相同的条件下，随着流量增加，内环溢出泥沙含量相同，内环泥沙沉降形态基本相同，沉沙时间不同，时间减小，平均减小50%。相同流量条件下，中心出水环增高1.26 m时，沉沙时间增加，平均增加28%。结果表明：中心出水环增高1.26 m可有效延长泥沙沉降时间。

(2)中心出水环高度不增加条件下，随着流量增加，内环溢出泥沙含量相同时，泥沙主要沉降在135°～225°范围内，沉沙体积约占内环体积的25%，沉沙容积利用率较低，但沉沙体积与沉沙量基本相同。中心出水环增高1.26 m条件下，随着流量增加，内环溢出泥沙含量相同时，沉沙四周沉降，沉沙体积约占内环体积的50%，内环容积利用率大大提高，但沉沙体积和沉沙量基本相同；相比中心出水环不增加条件，沉沙体积内环容积利用率迅速增加，增幅提高1倍。结果表明：相同条件下，内环泥沙沉降量基本相同，泥沙沉降量不随流量的变化而变化，这与中心出水环高度直接相关。中心出水环增高1.26 m可有效增加内环沉沙容积利用率。

通过表1中的数据，采用SPSS分析不同进水流量和相应泥沙沉降时间的相关性，如图4所示。由图4可知，相关系数R2=1，说明泥沙沉降时间与进水流量相关性很强，该组试验泥沙沉降时间与设计流量吻合良好；此外，随着设计流量增加，“圆中环”的泥沙沉降时间迅速减小，设计流量与泥沙沉降时间成反比关系，但在进水流量Q>3.0m3/s后，沉降时间变化不大。

图4 沉降时间与设计流量关系曲线

2.2 半径与最大沉降泥沙粒径分析

在设计流量Q=2 m3/s和加大Q=3 m3/s条件下，含沙量均为2 kg/m3，内环溢出泥沙含量相同。研究了中心出水环不增高及增高1.26 m时，不同内环半径(分别为2、5、8、11、15 m)与最大沉降粒径的关系如表2所示。

由表2可知，在相应半径条件下，大于相应最大沉降粒径的泥沙颗粒完全沉降在内环；相同流量条件下，最大沉降粒径随着内环半径增加而减小，但不随中心出水环增高而变化；随着流量增大，内环半径在2～8 m范围内最大沉降粒径增加，半径在12～15 m范围内最大沉降粒径不变。即相同流量条件下，随着内环半径增加，水流流速和动能减小，最大沉降粒径减小，最大沉降粒径与中心出水环环高度无关，只与内环半径直接相关。试验结果还表明：该工程内环半径为15 m满足加大流量要求。内环长度随着半径增加而增加，最大沉降粒径减小。最大沉降粒径沿径向减小的核心是流速和动能降低，关键因素是增加内环长度，即增加内环半径。

表2 内环半径与最大沉降粒径关系

通过表2中的数据，采用SPSS分析不同内环半径和相应最大沉降粒径的相关性，如图4所示。由图5可知，在设计流量Q=2 m3/s和加大Q=3 m3/s条件下，相关系数R2分别为0.998和0.982，说明内环半径与最大沉降粒径相关性很强，该组试验内环半径与最大沉降粒径吻合良好。由图5还可以看出，随着内环半径增加，最大沉降粒径迅速减小，内环半径与最大沉降粒径成二次函数关系，但在半径≥12 m时，最大沉降粒径变化不大。结果表明：现状“圆中环”设计半径是合适的；当处理较小泥沙粒径，需增加半径或者改变内环的结构体形以增加过水横断面。

图5 半径与最大沉沙粒径关系曲线

3 结 论

通过对“圆中环”的泥沙沉降影响参数进行SPSS分析研究，得出以下结论：

(1)在中心出水环高度不增加和增加1.26 m条件下，随着进水流量变化，内环泥沙沉积形态和沉降量基本相同。沉降时间随进水流量的增加而骤减，两者成反比关系，但进水流量大于3 m3/s，沉降时间基本不变。中心出水环增高1.26 m可有效延长泥沙沉降时间和增加内环沉沙容积利用率。研究成果可为其沉降特性研究提供依据。

(2)内环长度随内环半径增大而增大，最大沉降粒径迅速减小的核心是流速和动能降低，两者成二次函数关系，但在半径大于12 m时，最大沉降粒径基本不变；最大沉降粒径与中心出水环高度无关。“圆中环”半径满足加大流量要求。研究成果可为“圆中环”设计提供依据。