胡松可，李文昊，杨 广，刘宁宁，金 瑾

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000)

新疆干旱少雨，蒸发强烈，属典型“绿州经济、灌溉农业”。新疆每年完成农业高效节水面积1.33 万hm2以上，发展速度居全国前列，截至目前，全疆农业高效节水面积累计达到286.77 万hm2以上，而以滴灌为主的节水灌溉模式已经确立了主导地位[1,2]。由于滴灌孔径比较小，易堵塞，对水质要求较高，因此，绝大部分滴灌水源使用地下水，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[3]。但地表水多来源于山溪性河流，泥沙含量大，粒径易超过滴灌系统要求，严重制约滴灌系统的使用效率[4]。目前地表水泥沙处理方法主要有水库沉淀、沉沙池、沙石和网式过滤器处理等，其中，沉沙池以成本低、简单、方便作为泥沙沉淀的主流[5]。传统沉沙池主要有直线型、曲线型、漏斗型和混合型等[6, 7]，其直线型因结构简单、造价低、管理方便、适应性强等优点，成为我国西部泥沙处理的核心，但也存在水头损失大、沉沙效果不稳定、沉淀粒径偏大等缺点[8]。

文中基于水力特性和泥沙运动规律对传统的直线型沉沙池缺点进行改进，提出一种新型沉沙池，即在沉沙池的引流段增设开孔调流齿，在沉沙池尾部的溢流堰上增设锯齿状溢流槽，形成具有占地面积小、投资少、控制面积大、运行成本低等优势的新型直线型沉沙池。但沉沙池的泥沙处理效果、出池含沙量及泥沙粒径能否满足设计要求，还缺乏理论依据，为此，本文分析了不同工况下对改进直线型沉沙池沉淀效果的影响，旨在找到较优的沉沙类型，降低滴灌设备的工作负担，提高灌溉水源水质，为实际工程建设提供参考。

1 材料和方法

1.1 理论基础

本试验根据已有研究[9, 10]，流量、沉沙率、池长、槽长采用以下理论基础公式分别计算：

本试验来水流量采用直角三角堰进行监测和控制，推荐的直角三角堰流量计算公式如下：

Q=1.343H2.47

(1)

式中：Q为模拟渠道的来水流量，m3/s；H为直角三角形溢流堰上的水头，m。

泥沙的沉淀率是衡量沉沙池工作性能好坏的主要性能指示，沉淀率公式如下：

(2)

式中：R为泥沙沉淀率；C1为沉沙池来水水源的含沙量，kg/m3；C2为监测断面处的含沙量，kg/m3。

池长和槽长工作段计算依据如下：

(3)

式中：Lc为沉沙池工作长度，m；E为安全系数，取1.5；Hp为工作水深，m；V为平均流速，m/s；ω为泥沙沉降速度，mm/s。

(4)

式中：Ly为溢流槽工作长度，m；φ为收缩系数，取0.8；H0为堰上水头，m；Q为模拟渠道的来水流量，m3/s；m为流量系数，取0.32。

1.2 模型设计及工作原理

模型设计：为了更准确反映研究成果，试验在石河子大学现代节水灌溉重点实验室搭建改进直线型沉沙池物理模型，本沉沙池主要分为引流段和工作段两部分，改进部位为引流段增设开孔调流齿，工作段的溢流堰处增设锯齿状溢流槽，改进直线型沉沙池试验尺寸为：池长23 m，池宽2 m，池深0.6 m，底面坡度为1%，其中溢流槽宽0.4 m，槽间间隔0.4 m，如图1所示。

图1 改进直线型沉沙池示意图(单位：cm)Fig.1 Schematic diagram of improved linear sedimentation basin

工作原理：水流经入口撞击在调流齿上，通过连续的弯曲消能向下游运行，实现总工程不变条件下，极大限度地改变流态，迫使来水的动能和紊动强度降低，减缓运动趋势，降低水流流速，降低池内水流挟沙能力，进而降低水流含沙量，促进泥沙颗粒沉淀。且针对调流齿前泥沙淤积问题，分别对池底面设置坡度和对调流齿进行开孔设计，使淤积的泥沙能够跟随水流通过孔洞向下移动。水流含沙量在池内垂直方向存在“上小下大”现象，即越靠近水表面，含沙量越小，且多为小颗粒泥沙，越接近池底面含沙量越大，且多为大颗粒泥沙，因此，需要尽可能取得表层水，提高沉沙率。根据宗全利[11]等人研究表明，延长溢流堰的有效长度可提高过流能力，降低池内水流出池水头，本模型在溢流堰上增设了三道锯齿状溢流槽，极大地降低了溢流水头，取得池内的表层水，从而大大提高泥沙颗粒沉淀率。

1.3 模型沙的选取

试验原型的泥沙颗粒主要来源于玛纳斯河，因此，本模型使用玛纳斯河灌溉流域内的泥沙颗粒，颗粒级配见图2。

图2 模型沙颗粒级配图Fig.2 Model sand particle gradation map

1.4 研究内容与试验方法

为了得到不同工况下较优的沉沙池结构类型，本试验在定流速和含沙量两种条件下进行研究。试验选取有无调流齿，溢流槽长度为3、4和5 m，共计六种工况进行对比分析，参考玛纳斯河流域实际滴灌工程应用的传统直线型沉沙池的相关参数，设计入口流速为0.15 m/s，含沙量分别为0.5、1.0、1.5 kg/m3。

本试验依据运行状况设置了7个横向断面，分别如下：0、4.5、7.5、9.5、11.5、14.5(或15.5、16.5 m)、20.5 m，每个横向断面取3列垂向监测，每列取3点监测(见图3)，其表层距离水面1 cm；溢流槽中水平方向间隔0.5 m设置监断面，每个断面两侧各取一点。试验采用LGY-Ⅲ型多功能智能流速仪测量流速、CYS-Ⅲ型智能测沙颗分析仪测试断面含沙量，电热恒温烘干箱蒸发水分，千分之一天平称重，泥沙颗粒用标准筛筛分和LT3600 Plus激光粒度分析仪进行分析。

2 试验结果与分析

2.1 水位和流速变化规律

水头越低，说明出池水流越为表层水，泥沙含量越低；水位越稳定，流速越低，越有利于降低水流挟沙力，从而提高沉沙率。图4为不同槽长工况下池内水位、槽上水头及流速的变化规律。由图4可知，同一工况下，池内不同位置的水位和槽上水头较平顺，无较大水位差，有利于泥沙颗粒的沉淀。有调流齿较无调流齿工况下，提高池内水位约0.024 m；尾部增设溢流槽发现，溢流槽越长，池内水位及堰水头越小，表明水深和水头与溢流堰长度呈负相关性。在槽长5 m工况下水位和水头最小，实现池内水深0.417 m，槽上水头0.016 m，且随槽长缩小1 m距离，水位和水头以约0.018 m的幅度增加。

图3 试验测试点布置示意图(单位：cm)Fig.3 Schematic diagram of the arrangement of test points

引流段增设调流齿后，水流经过调流齿的消能作用，流速逐渐降低，通过有无调流齿流速试验结果对比发现，有调流齿流速比无调流齿降低了25.45%；随后，由于尾部设立溢流堰起到阻力作用，池内水流形成回流，进一步降低流速。通过对增设溢流槽的研究结果对比发现，前三个断面监测点流速相差在0.8%范围内，相差较小，随后流速呈现明显分层和递减趋势，且随溢流槽长度的增加，流速逐渐降低，说明溢流槽能够有效提高溢流堰的过流能力，稳定流速；并实现5 m槽长工况下出口流速仅为入口流速的31.73%，流速降低效果显著。依据有无调流齿和不同槽长工况下流速试验结果发现，池内流速可分为流速迅速降低、流速相对恒定和流速缓慢降低3个阶段，但不同工况下20.5 m断面流速与前一段监测断面对比有约0.001 2 m/s幅度的增加。

2.2 含沙量变化规律

通过监测改进直线型沉沙池沿程含沙量的变化，以判断沉沙率；表1是槽长5 m，有无调流齿进口含沙量约1 kg/m3时池内不同位置含沙量变化规律，表2是不同工况下、不同含沙量、不同分层池内沿程含沙量的变化规律。由表1和表2得，池内含沙量总体呈现递减趋势，距离沉沙池入口越远，含沙量越小。由表1得，有调流齿的沿程含沙量均低于无调流齿，且下降趋势大于无调流齿，在0～4.5 m段有无调流齿含沙量相差较小，说明引流段增设调流齿并无出现泥沙显著下降和淤堵现象；在7.5 m断面开始明显分层，有无调流齿含沙量相差4.32%；但在出口处有无调流齿含沙量对比，沉沙率提升了9.42%，说明调流齿消能效果显著，能够降低水流流速，促进池内泥沙颗粒沉淀，且主要在7.5～20 m段内沉淀。由表2得，不同槽长工况下对比发现，随槽长越长，表层含沙量越低，底层含沙量越高；随含沙量的增加，池内沉沙率越高；同时，含沙量分层较为明显，形成表层较小，底层较大现象，在5 m槽长工况下最大相差为沙率；表1是槽长5 m，有无调流齿进口含沙量约1 kg/m3时池内不同位置含沙量变化规律，表2是不同工况下、不同含沙量、不同分层池内沿程含沙量的变化规律。由表1和表2得，池内含沙量总体呈现递减趋势，距离沉沙池入口越远，含沙量越小。由表1得，有调流齿的沿程含沙量均低于无调流齿，且下降趋势大于无调流齿，在0～4.5 m段有无调流齿含沙量相差较小，说明引流段增设调流齿并无出现泥沙显著下降和淤堵现象；在7.5 m断面开始明显分层，有无调流齿含沙量相差4.32%；但在出口处有无调流齿含沙量对比，沉沙率提升了9.42%，说明调流齿消能效果显著，能够降低水流流速，促进池内泥沙颗粒沉淀，且主要在7.5～20 m段内沉淀。由表2得，不同槽长工况下对比发现，随槽长越长，表层含沙量越低，底层含沙量越高；随含沙量的增加，池内沉沙率越高；同时，含沙量分层较为明显，形成表层较小，底层较大现象，在5 m槽长工况下最大相差为

图4 沉沙池内不同位置水位和流速变化规律图Fig.4 Variation of water level and flow velocity at different positions in the sedimentation basin

表1 有无调流齿沉沙池含沙量试验表Tab.1 Sediment concentration test table of settling basin with and without regulating teeth

表2 不同槽长工况下沉沙池含沙量试验表Tab.2 Sediment concentration test of settling basin under different tank length conditions

2.3 颗粒级配变化规律

依据试验中取的沙样做颗粒分析，绘制颗分曲线图；本试验监测了槽长5 m工况下改进直线型沉沙池内各监测断面颗分曲线如图5(a)所示，不同槽长工况下，20.5 m断面处颗分曲线如图5(b)所示。

图5 沉沙池内颗分曲线图Fig.5 Curve graph of particle size in the sand pool

从图5(a)中得，池内颗粒分布较为规律，在工作段为20 m、槽长5 m的工况下，池内沉淀颗粒的粒径区间主要在0.05～1 mm之间，在4.5 m断面以前主要沉淀0.6 mm以上的颗粒，到7.5 m段面颗粒粒径开始逐渐变小，0.1 mm以下的颗粒占比在45%～55%之间，到14.5 m断面则提高到73.79%，在出口处更是提升到85.97%，说明大于0.1 mm超过85%已经在池内沉淀，仅有少部分流向下游；在0.05～0.1 mm之间的颗粒在7.5 m断面时占比为20%～30%，在出口断面占比达到66.84%以上，说明在0.05～0.1 mm之间的颗粒主要在7.5～20 m段内沉淀。

从图5(b)颗粒级配曲线反映出，不同槽长工况下，随槽长的增加，出口处泥沙颗粒粒径依次减小，在5、4、3 m槽长下，0.05～0.1 mm之间泥沙的质量占比分别为60%～70%、55%～65%、50%～60%；0.05 mm以下泥沙的质量占比分别为65.98%、52.72%、36.48%以上，说明大于0.05 mm以上的泥沙颗粒大部分已经在池内沉淀，且进一步验证溢流槽的增加对泥沙颗粒沉淀具有较好的促进作用。

3 讨 论

传统直线型沉沙池能够满足漫灌的灌溉水质标准，但随着滴灌系统的推广，低效率的传统直线型沉沙池已经远不能满足农业地表水灌溉应用的水质标准，为此，本文利用水力学和泥沙运动规律优化沉沙池结构类型，从而极大地提高了泥沙颗粒的沉淀率。

众多学者[12, 13]通过对入口增设挡板消耗水流动能、降低流速，但存在板前泥沙淤积问题，本文利用开孔调流齿和底面坡度设计，消除水流动能、降低流速、解决了入口泥沙淤积问题，经试验观察发现，虽有少量的泥沙沉淀，但通过底面坡度和开孔设计，泥沙颗粒随水流在池底部逐步向下游移动，使引流段不产生淤积。

结合宗全利等[14]人提出的增加溢流堰的长度，可降低出池水流含沙量的理论，本文对溢流堰进行增设锯齿状溢流槽改进，降低了过水单宽流量和水头、取得表层水，与前人结论相同。同时，本文在20.5 m断面的流速较前一段有微小的增加，这与戚印鑫[15]提出的池内流速逐渐降低相反，原因为本文在溢流堰后部设计为倾斜结构，造成过堰水流的部分重力势能转化为动能，提高了流速。

依据沿程流速、含沙量和颗粒级配的变化可得，0.1 mm粒径以上的泥沙颗粒在沉沙池前段已经开始沉淀，小于0.1 mm粒径的泥沙颗粒主要在沉沙池工作段后部开始进行沉淀，其中0.05～0.1 mm之间的泥沙颗粒主要在14.5～20 m段进行沉淀，原因为此段流速较低，水流的相对挟沙能力大幅度下降，促进了泥沙颗粒的沉淀。

综上，通过改进沉沙池结构，改变池内流态，能够降低池内沿程流速和含沙量，提高沉沙率；但针对小于0.05 mm泥沙含量提高到了65.98%，为进一步提高0.05 mm以上的泥沙颗粒，试验下一步将对溢流槽和溢流堰进行增设不同目次的过滤网和分成处理，形成尾部自动化过滤、清洗和排沙系统。

4 结 论

改进直线型沉沙池能够有效解决滴灌系统运行过程中的泥沙堵塞问题，为农业发展提供有效措施，通过对本次沉沙池模型试验的研究和理论分析，得到池中水位、流速、含沙量的沿程变化规律和颗粒的沉淀区域。

(1)不同工况下池内水位和水头无明显突变，且与槽长呈负相关性；引流段增设开孔调流齿有效降低25.45%的流速；在5 m槽长时，实现出口流速降低为入口流速的31.73%，促进了泥沙颗粒沉淀。

(2)有调流齿设计实现较无调流齿出口含沙量降低了9.42%；随溢流槽长的增加，表层的沿程含沙量逐渐减小，随含沙量增加，沉沙率逐渐升高，且槽长5 m、进口 含沙量约1.5kg/m3时沉沙率最高为72.08%，沉沙效果显著。

(3)距离入口越远，断面泥沙颗粒粒径逐渐减小，4.5 m断面以前主要沉淀0.6 mm以上的泥沙颗粒，其后，大量沉淀0.1 mm以下的泥沙颗粒，出口处实现0.05 mm以上泥沙的质量占比仅为34.02%，其中，0.05～0.1 mm之间的泥沙颗粒主要在7.5～20 m段内沉淀。

(4)通过模型试验综合分析可得，改进直线型沉沙池较传统直线型沉沙率提高了34.39%，效果显著；因此，依据本试验研究成果，建议对现存实际工程应用中的传统直线型沉沙池进行结构优化，即引流段增设调流板，溢流堰增设溢流槽。