重力沉沙过滤池对高含沙河水的沉沙效果分析

2015-12-21戚印鑫耿凡坤

水利与建筑工程学报 2015年2期

戚印鑫，孙娟，耿凡坤

(新疆水利水电科学研究院，新疆乌鲁木齐830049)

新疆干旱少雨，农业发展主要依靠田间灌溉。随着耕地面积的不断开发，水资源也日趋紧张。为了社会经济发展，保障农业用水安全，水利主管部门一方面严格控制用水总量，另一方面不断提高用水效率，尤其是农业用水方面。为此，农业节水灌溉在新疆大面积推广，十二五以来实施滴灌面积133.33万hm2[1]，目前在全国范围内发展迅速，逐步成为最大的高效节水灌溉区。按照目前的发展势头，到十三五末期新疆高效节水面积将达到286.67万hm2以上[2]。由于滴灌用水对水质要求较高，节水灌溉初期主要以地下水为主，造成地下水开采严重。为了遏制过度开采地下水，几年来逐步采用地表水作为滴灌水源，以缓解严重超采的地下水。

新疆山溪性河流众多，洪水期河水含沙量大，同期也是灌溉高峰期，采用河水作为滴灌水源，首要解决的问题就是要降低河水含沙量。为此，科研人员研制了多种除沙装置，如条形沉沙池、砂石过滤器等，其中河水滴灌重力沉沙过滤池是在传统沉沙池的基础上改进而来的一种新型沉沙池，其以投资较低、运行管理方便、冲沙水量少等优势，研制四年来得到了较快发展，目前全疆已建成30多座重力沉沙池。近两年对重力沉沙过滤池进行原型试验观测，其除沙率可以达到30% ～50%以上[3]，相比同规格尺寸的直线型沉沙池，重力沉沙过滤池处理泥沙效果明显，同时具有清除水中漂浮物、浮游生物的作用。对此类沉沙池的研究与技术推广，将具有很好的社会效益和经济效益。

1 工作原理及结构尺寸

1.1 工作原理

重力沉沙过滤池是在传统条形沉沙池结构基础上改进而来，沉沙池主要包括条形沉淀池和过滤池两大部分，同时在沉淀池下段设置溢流侧堰和过滤网，过滤网采用斜铺方式，过滤网具有除沙和清除漂浮物的作用，过滤池还可以继续沉淀一部分泥沙。在条形沉淀池和过滤池末端各设置冲沙闸，用于定期冲洗池内沉淀的泥沙。在过滤网外侧设置集污槽，用于收集泥沙、漂浮物及浮游生物等，同时集污槽末端也有冲沙闸，定期打开冲沙闸排泄泥沙及污物。过滤池末端的清水通过埋设的管道将河水输送至田间滴灌系统。以上沉沙、清漂、供水、冲沙等功能都可以自然完成，或借助河水自动完成，无需提供外来动力。如选择较高的地形布置重力沉沙过滤池，还可以为田间滴灌系统提供重力加压功能，不用机械加压，运行费用也随之降低。

1.2 结构尺寸

重力沉沙过滤池主要结构布置可以采用矩形和梯形，依据水流流过过滤网方向分为外斜跨、内斜跨、内外斜跨等三种常用的型式。条形池尺寸计算依据《水利水电工程沉沙池设计规范》[4](SL269－2001))有关公式，泥沙沉降控制粒径0.1mm。过滤网目数在80目～150目之间。过滤池容积计算以上游突然断水后清水池内供5min～10min滴灌用水水量要求进行控制[5]。

沉沙池在冲洗泥沙时应具有足够的冲沙水头和相应的流量，冲沙时根据泥沙沉淀情况定期冲洗，一般冲洗周期要满足滴灌的轮灌时段安排。在不满足自动冲洗条件下，可以采用机械清淤或人工清淤，并需留有足够的堆沙位置，不要对周围环境和其他工程造成不利影响。

下面主要针对玛纳斯凉州户镇五圣宫村重力沉沙过滤池进行介绍，沉沙池主要包括:引水渠、沉沙池、溢流堰、过滤网、清水池等几部分。详见图1。

图1 五圣宫村重力沉沙过滤池平面布置图

重力沉沙过滤池尺寸依据规范计算[6]，池长80 m、宽30m、池深2.6m。其中过滤网及溢流侧堰长60m，过滤网铺设角度30°，滤网下设置清水池，采用直墙布置。进水渠轴线与沉沙池轴线90°夹角，引水渠设计为工作流量。

条形沉沙池内设置束水墙，束水墙进口处设置进水闸和拦污栅，束水墙末端设置一孔冲沙闸。冲沙流量一般取工作流量的5% ～8%[4]。同时保证冲沙顺畅。

条形沉沙池左侧设置侧向溢流堰，溢流表层清水，溢流堰顶高程低于条形沉沙池顶部0.3m～0.4 m，水深小于 0.1m[4]。溢流堰应满足自由出流条件。

过滤池包含不锈钢滤网、清水池和集污槽三部分。过滤网周边及骨架采用角钢和螺栓固定，过滤网周边角钢与混凝土池体应封闭。过滤网型号采用GB316L不锈钢丝材料，滤网网目为120目，过滤河水中的泥沙、漂浮物、浮游生物等杂物，滤网顶高程比堰顶高程低0.05m左右。

清水池在过滤网下部，采用直墙布置，用于收集过滤后的河水，过滤池还可以沉降一部分泥沙。集污槽主要用于收集从滤网上冲下来的泥沙、杂物，集污槽的顶高程应高于清水池设计水深0.2m左右。

2 现场试验及成果分析

2.1 试验方案与试验设备

重力沉沙过滤池利用条形沉淀池和过滤网两级处理泥沙，其泥沙处理效果主要从除沙率和泥沙粒径两个方面进行评价，沉沙池中的流速是影响泥沙沉淀的一个主要因素。因此，试验方案将围绕以上三个指标进行布置。首先，利用测沙仪对重力沉沙池的进口、条形池、过滤池、出口等14个断面进行含沙量测试。玛河夏季6月～8月主要发生暴雨融雪混合型洪水，洪水峰高、量大、持续时间短[7]，山洪一般在第二天的上午10∶00～16∶00时段到达沉沙池位置，之后逐渐减小，隔天又逐渐增大、减小。为保证试验的准确性及一致性，需要在3h内完成以上断面的含沙量和流速数据采集。颗分试验则是在一次冲沙周期内取样，在试验室内完成。含沙量和流速数据采用南京水利科学研究院研制的智能测沙仪和智能流速仪进行测试，为保证数据的可靠性，试验中对含沙量取3组～5组做室内试验进行对比，复核测沙仪的准确性。

2.2 断面选择与试验成果

试验选取五圣宫村重力沉沙过滤池，该工程采用单项斜跨式布置，设计流量1.0m3/s，河水泥沙经处理后，主要为下游城市景观提供水源，流经城市后再进入农田灌溉。

玛河在洪水季节河水含沙量较大，由于上游没有水库，高含沙水流直接通过渠首引入渠道和灌区。现场测试三宫渠河水含沙量都在3kg/m3～10kg/m3左右，在洪水季节河水含沙量较大。

本次试验，主要测试沉沙池中进池和出池含沙量变化，沉沙池内不同部位沉积的泥沙粒径，沉沙池中各点流速。

试验测试时河水在进入沉沙池其含沙量分别为3.57kg/m3、5.27kg/m3，通过条形沉沙池、过滤池后，测试清水池出口，其含沙量有明显的减小。试验中每个测试点均测试二十五组以上数据，然后取多组比较接近的数据的平均值作为该点的含沙量数据，从而消除单组测试误差。试验点位见图2，试验成果见表1、表2。不同河水含沙量经过重力沉沙过滤池时，在不同测试点的含沙量通过图3可以反映出来，泥沙含量在不断减少。

图2 重力沉沙过滤池测试点位图

表1 重力沉沙池试验1结果

表2 重力沉沙池试验2结果

试验中取样部位包括条形沉沙池内、过滤网上部、过滤网下部清水池内，以及沉沙池进口、出口等部位，颗分试验成果见图4。具体位置分别在沉沙池上游渠道内，进水闸后5m，滤网前条形池内0m、20m、40m、60m 位置，滤网上 0m、60m 位置，清水池20m、40m、60m位置，以及沉沙池出口等断面处沉积的泥沙。

图3 不同河水含沙量沉沙效果

图4 重力沉沙池泥沙不同位置泥沙颗分曲线

2.3 不同含沙量的沉沙率

河水通过条形沉沙池及过滤网后，泥沙经过两级处理，河水中的有机物、杂质等也经过过滤网滤除，出池水质有较明显的改善。具体内容为:

(1)通过表1和表2的试验成果分析，河水通过沉沙过滤池的沉淀与过滤处理，泥沙处理率达到38% ～46%，清水池出口位置含沙量在2.23kg/m3～2.85kg/m3以内。其中条形沉沙池泥沙处理率为15%～22%。过滤网及清水池泥沙处理率为24%。该座沉沙池过滤网泥沙处理效率比前述15%左右还有所提高[8]，说明加入过滤网后泥沙处理效率仍然显著，同时对处理含沙量较大的河水效果明显。

(2)从表1、表2中还可以看出，对于相同结构型式的重量沉沙过滤池，河水含沙量越高，其处理泥沙的效果越好。尤其是对于条形沉沙池部分效果明显，即颗粒大的泥沙可以通过自然沉降清除，颗粒小的泥沙通过滤网强行清除，说明增加过滤网可以有效减小条形池的容积，达到降低工程投资的作用。

(3)对沉沙池中不同位置取样做颗分试验，试验成果见图4，从图4颗分曲线分析，条形沉沙池中处理的泥沙粒径主要分布在0.25mm～0.05mm之间，过滤网上的泥沙粒径范围0.1mm～0.03mm;清水池中的泥沙粒径范围0.03mm～0.002mm。通过以上数据反映出，重力沉沙过滤池不同部位在处理不同粒径的泥沙中各自发挥效应，从而将河水中大于0.05mm以上的泥沙基本都能处理掉。

从颗分曲线还可以反映出，条形沉沙池主要处理粗颗粒泥沙、即河水中大于0.1mm粒径的泥沙，这也与前述沉沙池结构尺寸设计时控制粒径相一致，说明沉沙池设计尺寸基本合适。过滤网及清水池主要处理0.1mm以下的泥沙，反映出过滤网也承担了一部分处理泥沙的功能，尤其是细颗粒泥沙。按照规范计算，泥沙粒径每减小0.01mm，相应的条形沉沙池增加长度是原来的四倍左右。而采用过滤网后，条形沉沙池长度则可以减少很多，从而降低了重力沉沙池的工程投资。

(4)沉沙池内各断面流速基本都小于0.2m/s，只有在清水池出口局部有流速超过0.2m/s的断面，主要是由于下游进入景观河道纵坡较大造成。以上流速也符合规范要求。通过对多座沉沙池的现场测试，流速都在0.2m/s以下，该流速将作为重力沉沙池的控制流速，从而保证沉沙池能够充分工作。