戚印鑫，孫 娟，耿凡坤

(新疆水利水電科學研究院，新疆烏魯木齊830049)

新疆干旱少雨，農業(yè)發(fā)展主要依靠田間灌溉。隨著耕地面積的不斷開發(fā)，水資源也日趨緊張。為了社會經濟發(fā)展，保障農業(yè)用水安全，水利主管部門一方面嚴格控制用水總量，另一方面不斷提高用水效率，尤其是農業(yè)用水方面。為此，農業(yè)節(jié)水灌溉在新疆大面積推廣，十二五以來實施滴灌面積133.33萬hm2[1]，目前在全國范圍內發(fā)展迅速，逐步成為最大的高效節(jié)水灌溉區(qū)。按照目前的發(fā)展勢頭，到十三五末期新疆高效節(jié)水面積將達到286.67萬hm2以上[2]。由于滴灌用水對水質要求較高，節(jié)水灌溉初期主要以地下水為主，造成地下水開采嚴重。為了遏制過度開采地下水，幾年來逐步采用地表水作為滴灌水源，以緩解嚴重超采的地下水。

新疆山溪性河流眾多，洪水期河水含沙量大，同期也是灌溉高峰期，采用河水作為滴灌水源，首要解決的問題就是要降低河水含沙量。為此，科研人員研制了多種除沙裝置，如條形沉沙池、砂石過濾器等，其中河水滴灌重力沉沙過濾池是在傳統沉沙池的基礎上改進而來的一種新型沉沙池，其以投資較低、運行管理方便、沖沙水量少等優(yōu)勢，研制四年來得到了較快發(fā)展，目前全疆已建成30多座重力沉沙池。近兩年對重力沉沙過濾池進行原型試驗觀測，其除沙率可以達到30% ～50%以上[3]，相比同規(guī)格尺寸的直線型沉沙池，重力沉沙過濾池處理泥沙效果明顯，同時具有清除水中漂浮物、浮游生物的作用。對此類沉沙池的研究與技術推廣，將具有很好的社會效益和經濟效益。

1 工作原理及結構尺寸

1.1 工作原理

重力沉沙過濾池是在傳統條形沉沙池結構基礎上改進而來，沉沙池主要包括條形沉淀池和過濾池兩大部分，同時在沉淀池下段設置溢流側堰和過濾網，過濾網采用斜鋪方式，過濾網具有除沙和清除漂浮物的作用，過濾池還可以繼續(xù)沉淀一部分泥沙。在條形沉淀池和過濾池末端各設置沖沙閘，用于定期沖洗池內沉淀的泥沙。在過濾網外側設置集污槽，用于收集泥沙、漂浮物及浮游生物等，同時集污槽末端也有沖沙閘，定期打開沖沙閘排泄泥沙及污物。過濾池末端的清水通過埋設的管道將河水輸送至田間滴灌系統。以上沉沙、清漂、供水、沖沙等功能都可以自然完成，或借助河水自動完成，無需提供外來動力。如選擇較高的地形布置重力沉沙過濾池，還可以為田間滴灌系統提供重力加壓功能，不用機械加壓，運行費用也隨之降低。

1.2 結構尺寸

重力沉沙過濾池主要結構布置可以采用矩形和梯形，依據水流流過過濾網方向分為外斜跨、內斜跨、內外斜跨等三種常用的型式。條形池尺寸計算依據《水利水電工程沉沙池設計規(guī)范》[4](SL269－2001))有關公式，泥沙沉降控制粒徑0.1mm。過濾網目數在80目～150目之間。過濾池容積計算以上游突然斷水后清水池內供5min～10min滴灌用水水量要求進行控制[5]。

沉沙池在沖洗泥沙時應具有足夠的沖沙水頭和相應的流量，沖沙時根據泥沙沉淀情況定期沖洗，一般沖洗周期要滿足滴灌的輪灌時段安排。在不滿足自動沖洗條件下，可以采用機械清淤或人工清淤，并需留有足夠的堆沙位置，不要對周圍環(huán)境和其他工程造成不利影響。

下面主要針對瑪納斯涼州戶鎮(zhèn)五圣宮村重力沉沙過濾池進行介紹，沉沙池主要包括:引水渠、沉沙池、溢流堰、過濾網、清水池等幾部分。詳見圖1。

圖1 五圣宮村重力沉沙過濾池平面布置圖

重力沉沙過濾池尺寸依據規(guī)范計算[6]，池長80 m、寬30m、池深2.6m。其中過濾網及溢流側堰長60m，過濾網鋪設角度30°，濾網下設置清水池，采用直墻布置。進水渠軸線與沉沙池軸線90°夾角，引水渠設計為工作流量。

條形沉沙池內設置束水墻，束水墻進口處設置進水閘和攔污柵，束水墻末端設置一孔沖沙閘。沖沙流量一般取工作流量的5% ～8%[4]。同時保證沖沙順暢。

條形沉沙池左側設置側向溢流堰，溢流表層清水，溢流堰頂高程低于條形沉沙池頂部0.3m～0.4 m，水深小于 0.1m[4]。溢流堰應滿足自由出流條件。

過濾池包含不銹鋼濾網、清水池和集污槽三部分。過濾網周邊及骨架采用角鋼和螺栓固定，過濾網周邊角鋼與混凝土池體應封閉。過濾網型號采用GB316L不銹鋼絲材料，濾網網目為120目，過濾河水中的泥沙、漂浮物、浮游生物等雜物，濾網頂高程比堰頂高程低0.05m左右。

清水池在過濾網下部，采用直墻布置，用于收集過濾后的河水，過濾池還可以沉降一部分泥沙。集污槽主要用于收集從濾網上沖下來的泥沙、雜物，集污槽的頂高程應高于清水池設計水深0.2m左右。

2 現場試驗及成果分析

2.1 試驗方案與試驗設備

重力沉沙過濾池利用條形沉淀池和過濾網兩級處理泥沙，其泥沙處理效果主要從除沙率和泥沙粒徑兩個方面進行評價，沉沙池中的流速是影響泥沙沉淀的一個主要因素。因此，試驗方案將圍繞以上三個指標進行布置。首先，利用測沙儀對重力沉沙池的進口、條形池、過濾池、出口等14個斷面進行含沙量測試?，敽酉募?月～8月主要發(fā)生暴雨融雪混合型洪水，洪水峰高、量大、持續(xù)時間短[7]，山洪一般在第二天的上午10∶00～16∶00時段到達沉沙池位置，之后逐漸減小，隔天又逐漸增大、減小。為保證試驗的準確性及一致性，需要在3h內完成以上斷面的含沙量和流速數據采集。顆分試驗則是在一次沖沙周期內取樣，在試驗室內完成。含沙量和流速數據采用南京水利科學研究院研制的智能測沙儀和智能流速儀進行測試，為保證數據的可靠性，試驗中對含沙量取3組～5組做室內試驗進行對比，復核測沙儀的準確性。

2.2 斷面選擇與試驗成果

試驗選取五圣宮村重力沉沙過濾池，該工程采用單項斜跨式布置，設計流量1.0m3/s，河水泥沙經處理后，主要為下游城市景觀提供水源，流經城市后再進入農田灌溉。

瑪河在洪水季節(jié)河水含沙量較大，由于上游沒有水庫，高含沙水流直接通過渠首引入渠道和灌區(qū)?，F場測試三宮渠河水含沙量都在3kg/m3～10kg/m3左右，在洪水季節(jié)河水含沙量較大。

本次試驗，主要測試沉沙池中進池和出池含沙量變化，沉沙池內不同部位沉積的泥沙粒徑，沉沙池中各點流速。

試驗測試時河水在進入沉沙池其含沙量分別為3.57kg/m3、5.27kg/m3，通過條形沉沙池、過濾池后，測試清水池出口，其含沙量有明顯的減小。試驗中每個測試點均測試二十五組以上數據，然后取多組比較接近的數據的平均值作為該點的含沙量數據，從而消除單組測試誤差。試驗點位見圖2，試驗成果見表1、表2。不同河水含沙量經過重力沉沙過濾池時，在不同測試點的含沙量通過圖3可以反映出來，泥沙含量在不斷減少。

圖2 重力沉沙過濾池測試點位圖

表1 重力沉沙池試驗1結果

表2 重力沉沙池試驗2結果

試驗中取樣部位包括條形沉沙池內、過濾網上部、過濾網下部清水池內，以及沉沙池進口、出口等部位，顆分試驗成果見圖4。具體位置分別在沉沙池上游渠道內，進水閘后5m，濾網前條形池內0m、20m、40m、60m 位置，濾網上 0m、60m 位置，清水池20m、40m、60m位置，以及沉沙池出口等斷面處沉積的泥沙。

圖3 不同河水含沙量沉沙效果

圖4 重力沉沙池泥沙不同位置泥沙顆分曲線

2.3 不同含沙量的沉沙率

河水通過條形沉沙池及過濾網后，泥沙經過兩級處理，河水中的有機物、雜質等也經過過濾網濾除，出池水質有較明顯的改善。具體內容為:

(1)通過表1和表2的試驗成果分析，河水通過沉沙過濾池的沉淀與過濾處理，泥沙處理率達到38% ～46%，清水池出口位置含沙量在2.23kg/m3～2.85kg/m3以內。其中條形沉沙池泥沙處理率為15%～22%。過濾網及清水池泥沙處理率為24%。該座沉沙池過濾網泥沙處理效率比前述15%左右還有所提高[8]，說明加入過濾網后泥沙處理效率仍然顯著，同時對處理含沙量較大的河水效果明顯。

(2)從表1、表2中還可以看出，對于相同結構型式的重量沉沙過濾池，河水含沙量越高，其處理泥沙的效果越好。尤其是對于條形沉沙池部分效果明顯，即顆粒大的泥沙可以通過自然沉降清除，顆粒小的泥沙通過濾網強行清除，說明增加過濾網可以有效減小條形池的容積，達到降低工程投資的作用。

(3)對沉沙池中不同位置取樣做顆分試驗，試驗成果見圖4，從圖4顆分曲線分析，條形沉沙池中處理的泥沙粒徑主要分布在0.25mm～0.05mm之間，過濾網上的泥沙粒徑范圍0.1mm～0.03mm;清水池中的泥沙粒徑范圍0.03mm～0.002mm。通過以上數據反映出，重力沉沙過濾池不同部位在處理不同粒徑的泥沙中各自發(fā)揮效應，從而將河水中大于0.05mm以上的泥沙基本都能處理掉。

從顆分曲線還可以反映出，條形沉沙池主要處理粗顆粒泥沙、即河水中大于0.1mm粒徑的泥沙，這也與前述沉沙池結構尺寸設計時控制粒徑相一致，說明沉沙池設計尺寸基本合適。過濾網及清水池主要處理0.1mm以下的泥沙，反映出過濾網也承擔了一部分處理泥沙的功能，尤其是細顆粒泥沙。按照規(guī)范計算，泥沙粒徑每減小0.01mm，相應的條形沉沙池增加長度是原來的四倍左右。而采用過濾網后，條形沉沙池長度則可以減少很多，從而降低了重力沉沙池的工程投資。

(4)沉沙池內各斷面流速基本都小于0.2m/s，只有在清水池出口局部有流速超過0.2m/s的斷面，主要是由于下游進入景觀河道縱坡較大造成。以上流速也符合規(guī)范要求。通過對多座沉沙池的現場測試，流速都在0.2m/s以下，該流速將作為重力沉沙池的控制流速，從而保證沉沙池能夠充分工作。

2.4 重力沉沙過濾池的優(yōu)點及不足

現場試驗表明，在相同結構尺寸的情況下，重力沉沙過濾池優(yōu)于傳統沉沙池，但目前設計的重力沉沙過濾池還有部分結構尺寸需要進一步優(yōu)化和研究。

首先，需要明確條形沉沙池與過濾網清水池各自處理泥沙的粒徑大小，從而為計算其尺寸提供依據。

其次，溢流側堰長度的選取除采用側堰公式計算外，還需要通過大量實測數據進行驗證。目前運行中的沉沙池側堰長度普遍偏長。

第三，過濾網對投資的影響較大，應合理確定濾網面積;為提高過濾網使用效率，濾網鋪放角度也是重要的參數，需要通過試驗確定。

3 結論

(1)重力沉沙過濾池采用條形池與過濾池的結構設計型式，一方面可以提高泥沙的處理效果，另一方面可以過濾水中的漂浮物、浮游生物等影響滴頭的雜質。其獨特的結構設計還可以實現自動沖洗沉積的泥沙。提高了沉沙池的除沙效率。

(2)現場試驗揭示，條形池主要處理0.25mm～0.1mm 的泥沙，過濾池主要處理0.1mm ～0.002 mm的泥沙。采用條形池與過濾網結合使用，除沙范圍擴大很多，條形池與過濾網具有互補作用。泥沙經過過濾網后，河水中的泥沙粒徑可以滿足滴灌用水要求[9]。

(3)進水含沙量在2.0kg/m3以下時，出水泥沙含量基本可以滿足滴灌水質要求。如果進水含沙量超過2.5kg/m3，河水通過沉沙池及過濾網后，出口泥沙含量大于規(guī)范[10]規(guī)定，出水含沙量較大。對于本工程，河水經過城市景觀河道后二次沉沙，河水清澈，目測水質可滿足滴灌用水要求。

(4)條形沉沙池內的流速應控制在0.2m/s以下[11]，其沉沙效果相對較好。

[1]王世江.因地制宜地擴大河水自壓滴灌建設面積[J].新疆水利，2012，(3):6-10.

[2]錢 智.在自治區(qū)農業(yè)高效節(jié)水建設現場會上的講話[J].新疆水利，2012，(3):1-5.

[3]戚印鑫.河水滴灌重力沉沙過濾池水力特性研究[J].人民黃河，2014，36(1):114-116，120.

[4]中華人民共和國水利部.SL269－2001.水利水電工程沉沙池設計規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社，2001.

[5]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中華人民共和國建設部.GB/T50085－2007.噴灌工程技術規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社，2007.

[6]國家質量技術監(jiān)督局，中華人民共和國建設部.GB50288－99.灌溉與排水工程設計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社，1999.

[7]雷曉云，何新林，張瑞民，等.瑪納斯河洪水規(guī)律及其影響因素分析[J].水文，1998，(4):53-56.

[8]戚印鑫.河水滴灌重力沉沙過濾池對河水泥沙處理效果的試驗研究[J].中國農村水利水電，2014，(4):15-17，24.

[9]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T50485－2009.微灌工程技術規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社，2009.

[10]何曉寧，王 新，孔繁新，等.河水滴灌重力沉沙過濾池設計、施工與運行管理技術要求[R].新疆烏魯木齊:新疆維吾爾自治區(qū)水利廳，2012.

[11]水利部水利水電規(guī)劃設計總院.國家規(guī)劃重點圖書.水工設計手冊，第9卷，灌排、供水[M].北京:中國水利水電出版社，2014.