谈沉沙池泥沙淤积方量经验公式的推导

丁尚进，王乾坤，高 博

（1.济南市水利工程服务中心，山东 济南250000；2.山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心，山东 济南250100）

田山灌区沉沙池始建于20世纪70年代，位于平阴县城西城西洼，在灌区一级提水泵站和二级提水泵站之间的一级总干渠内，承担着沉淀泥沙、净化水质的重要任务。

田山灌区现状沉沙池利用自然洼地沉沙，占地约180 hm2，分为东、西2个沉沙条渠，均为梭型布置，呈南北走向。根据田山灌区多年观测数据，1 m3黄河水含沙量约为5 kg，沉沙容重约1 200 kg/m3。随着供水量的不断提升，灌区沉沙池内沉淀了大量泥沙，抬高了池底水位，在同等供水流量要求下，运行水位被迫抬高。

在多元化集中供水时，高水位运行将会对整个干渠产生极为不利的影响，既需要大量的人力物力来监控渠道的运行状况，又增加了防汛抗洪压力。高水位运行还会造成暴露水面增大，水量自然蒸发及渗漏损失增大，供水效率降低，直接影响灌区供水的经济效益。

1 研究计算公式的必要性

2016年灌区完成了沉沙池自20世纪70年代建成以来首次大规模清淤，总清淤土方约为56万m3。据山东省水利科学研究院测算，灌区年均清淤费用在百万元以上。在核定灌区供水成本时，清淤费用也是一项非常重要的成本构成，并且占比较高。

如何准确掌握沉沙池的泥沙淤积情况及如何准确计算泥沙淤积方量成为了保证灌区正常供水与节能降耗的一项十分必要的重大课题。为此，田山灌区决定建设“田山灌区渠道流量智能监测管理平台”，绘出沉沙池水位库容曲线，并加入泥沙淤积方量及沉沙池库容差计算模块，对沉沙池的水位库容及淤积泥沙进行数字化管理，提高灌区整体管理水平及科学调度能力。

2 存在的困难

2.1 沉沙池断面复杂

田山灌区均为梭型布置，呈南北走向。沉沙池任一横断面均为梯形断面，上游渠道断面较窄，然后横断面逐渐扩大，之后再渐渐缩小。变化的横断面给泥沙方量的计算带来一定的困难，经分析，将整个沉沙池分为两段：前段，即横断面逐渐扩张的部分；后段，即横断面逐渐缩小的部分。每一段建立一个棱台模型，方便计算。

2.2 沉沙池淤积泥沙的高程呈随机状态

田山灌区沉沙池内沉积的泥沙顶高程，无法完全用公式来拟合，需要进行实测。经过测算，沉沙池内沉淀的泥沙因为各种条件的影响，并没有规律分布，而是呈现随机状态，同一横断面不同位置的泥沙高程差较为明显。为简化计算在一个横断面上，根据实际需要等间距选择奇数个点的平均高程作为该断面的平均高程。

3 经验公式的推定

3.1 基本原理

计算起始时间至终止时间淤积的泥沙方量。

对第一泥沙淤积线（A号线，起始时间）进行分段，从起点（0点）开始，每隔一定间隔（假设为50 m，间隔越小，计算值越接近实际值）设置一个点位，分别编号（1、2....），不足50 m的最末点位编号m。测量出每个点位断面的渠底线、泥沙线、水面线、渠顶线的平均高程，以相邻两个点位断面作为一个棱台模型，从0点位断面开始向后依次计算每个棱台模型的泥沙淤积体积、过水体积。最后把每个棱台的体积相加，即可得到泥沙淤积线内的泥沙淤积方量和相应的过水方量，如图1、图2所示。

图1 渠道纵剖面图

图2 渠道m点横断面图

对第二泥沙淤积线（B号线，终止时间）采用同样的方法进行测算。

第二泥沙淤积线与第一泥沙淤积线的泥沙淤积方量、过水方量的差值，即为该段时间内的泥沙淤积方量、过水能力变化方量。

3.2 计算方法

泥沙棱台模型是利用相邻两个点位断面间的断面线、渠底线、泥沙线所围成的棱台作为一个模型，计算模型的泥沙体积。

过水方量棱台模型是利用相邻两个点位断面间的断面线、泥沙线、水面线所围成的棱台作为一个模型，计算模型的过水体积。

3.3 核心公式

棱台模型体积公式：

式中：V为淤积泥沙方量或过水方量；H为相邻两个断面之间的距离；S1、S2分别为相邻两个断面面积。

4 结语

该经验公式是对测算梭型沉沙池泥沙淤积方量的计算方法的创新，已经成为“田山灌区渠道流量智能监测管理平台”计算沉沙池库容的重要理论依据，可较为准确地计算梭型沉沙池中泥沙淤积方量，辅助清淤费用预算，可以利用测算结果预测将来的泥沙淤积情况，分析评估泥沙淤积对供水效率和供水安全的影响。