斜管布置形式对沉沙池沉积黄河泥沙的影响

查映东，侯 鹏，刘泽元，王克远，李云开，王春霞

（1.石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2.中国农业大学 水利与土木工程学院，北京 100083）

0 引 言1

【研究意义】黄河流域水资源缺乏，农业用水约占流域用水量的70%[1]，耗水量大但利用率偏低，发展精量可控的黄河水滴灌已成为缓解黄河沿线灌区水资源紧缺的有效途径之一[2-3]，但由于黄河水泥沙质量浓度高达3.7～26.5 kg/m3[4]，且以细颗粒（d<63µm）泥沙为主[5]，极易造成灌水器堵塞[6-7]。因此，有效去除黄河水细颗粒泥沙成了滴灌技术推广应用的首要问题。

【研究进展】沉淀是处理泥沙最有效的技术手段，而重力沉沙池是最常规的泥沙处理设施，但由于黄河泥沙粒径细，进而导致泥沙沉降速度慢、池内停留时间长，通常黄河泥沙沉淀池占地面积大、建设成本高，限制了其快速应用推广[8-10]。复合型重力式沉沙池、圆中环沉沙池、斜板沉沙池、翼片式沉沙池、重力式斜管沉沙池等先后用于解决泥沙问题。其中重力式斜管沉沙池因其斜管设置，对细颗粒泥沙去除效果显著[11-14]，且占地面积小[15]，被认为是其中最有发展前景的黄河泥沙沉沙池之一[16-17]。斜管作为其主要部件，合理的斜管布置被认为是高效去除细颗粒泥沙的关键[18-19]。Salem 等[20]提出斜管沉沙池内水力性能和斜管过水间距平等分配时，水沙分离效率最高。黄廷林等[21]研究发现，斜管布水均匀性受沉沙池长宽比影响最大，增加斜管布置高度、减小管径可以提高布水均匀性。涂有笑[22]通过数值模拟研究发现，增大配水区高度有利于提高布水均匀性。Demir[23]提出了斜板布置角度与泥沙沉积效率的经验方程，得出了不同泥沙质量浓度下斜管的最佳安装角度。Doroodchi 等[24-25]研究发现，斜管垂直高度60 cm、倾角60°时，去除效果最好；Balwan 等[26]通过试验得出，斜管垂直高度60 cm、布置角度45°时，去除效果最好；Thomas等[27]通过试验得出，斜管倾角55°时，泥沙去除效果最佳。由于斜管的泥沙去除效果受水源水质、沉沙池结构、运行模式等影响[21-23]，不同学者得出了不同的结论。【切入点】然而对斜管的研究主要集中于常规单层斜管，对双层甚至多层、不同倾角组合斜管布置的研究相对缺乏，斜管的最优布置形式尚不明确。

【拟解决的关键问题】基于此，本文针对重力式斜管沉沙池，设置了3 种斜管布置形式，应用黄河上游段[28]、中游段[29]、下游段[30]典型泥沙粒径的配水，在2 种运行流量下进行原型沉沙试验研究，对比分析3 种斜管布置形式对不同黄河泥沙的沉降效果，旨在摸清斜管最优布置形式，优化斜管布置参数，提高斜管沉积效果；明确不同斜管布置下不同黄河泥沙及相关泥沙组分的沉降特性，重力式斜管沉沙池适宜运行模式。

1 材料与方法

1.1 重力式斜管沉沙池

重力式斜管沉沙池剖面图如图1 所示，其主要包括底孔引流、调流板、主要沉降区、挡板、清水区、斜管区、布水区、冲沙阀。沉沙池长（x轴）1 000 cm，宽（y轴）200 cm，深（z轴）220 cm，调流板设置于x=120 cm 处，挡板设置于x=600 cm 处，0≤x≤600 cm为主要沉降区，600 cm≤x≤1 000 cm 为斜管布置区域。

1.2 试验设置

试验于2021 年6—10 月在中国内蒙古自治区巴彦淖尔市磴口县乌兰布沙漠灌溉试验站进行，位于黄河上游段。试验模拟黄河上游段（Su）、中游段（Sm）、下游段（Sd）的典型黄河水，针对其泥沙量、粒径特征，取沈乌干渠河道淤积泥沙，采用旋转振动筛筛取不同粒径范围（0～100、100～150、150～200、200～250 µm）泥沙，模拟配置3 种不同混合粒径泥沙的黄河水（表1）。

表1 典型黄河水泥沙体积质量、粒径Table 1 Typical Yellow River sediment volume mass and particle size

试验用水为沈乌干渠水流，试验设置了2 种运行流量（Qq、Qs），分别为36、72 m3/h。

试验设置了3 种斜管布置形式（Fs、Fv1、Fv2）（图2），其中Fs 为常规斜管布置，斜管长度100 cm，布置角度为60°；Fv1、Fv2 为V 形斜管布置形式，其中Fv1 布置形式的下层、上层斜管长度均为50 cm，布置角度均为60°；Fv2 布置形式的下层、上层斜管长度也均为50 cm，下层布置角度为60°，上层布置角度为45°。

图2 斜管布置形式Fig.2 Layout of inclined pipe

1.3 测定方法

1.3.1 泥沙量测定与计算

在沉沙池表层水流取样，每个取样点取3 个样品作为重复，取样位置见图1。对所取水样进行烘干处理，采用精度为0.1 mg 的天平称量烘干泥沙质量，泥沙体积质量计算式为：

式中：C为泥沙体积质量（kg/m3）；m为泥沙干质量（g）；v为水样体积（mL）。

为进一步探明斜管对泥沙及其相关砂粒、粉粒、黏粒的去除能力，分别引入斜管泥沙沉积率、砂粒沉积率、粉粒沉积率、黏粒沉积率指标。斜管泥沙沉积率为进口、出口泥沙体积质量差值与进口泥沙体积质量的比值。本研究的进口泥沙体积质量为挡板前表层水流泥沙体积质量，出口泥沙体积质量为斜管上端清水区的泥沙体积质量。泥沙沉积率计算式为：

式中：RS为泥沙沉积率（%）；Cin为进口泥沙体积质量（kg/m3）；Cout出口泥沙体积质量（kg/m3）。

砂粒沉积率、粉粒沉积率、黏粒沉积率即进口、出口的砂粒体积质量、粉粒体积质量、黏粒体积质量差值与进口砂粒体积质量、粉粒体积质量、黏粒体积质量的比值。

1.3.2 泥沙粒度测量

泥沙粒度测量，采用激光粒度分析仪器（马尔文2000）对烘干后泥沙进行测试。分析仪的搅拌器速度和阴影范围分别保持在2 500 rpm 和10%～20%。试验前，称取0.35 g 样品放入50 mL 三角瓶，加入少量去离子水浸润土壤，加入3～5 mL 过氧化氢去除有机质并进行短时间沙浴加热。向冷却后三角瓶中加入1 mL分散剂（六偏磷酸钠）和35 mL 左右去离子水，再次进行沙浴加热，样品冷却后即可测量。

为了解沉沙池中泥沙及其相关砂粒、粉粒、黏粒的沿程沉降特性，对比斜管区域砂粒、粉粒、黏粒的沉降差异，依据美国农业部粒径分级划分砂粒（d≥50 μm）、粉粒（2 μm≤d≤50 μm）和黏粒（d≤2 µm）[31]。

2 结果与分析

2.1 沿程泥沙体积质量变化

2 种运行流量、3 种斜管布置形式下不同黄河泥沙体积质量沿程变化如图3（a）、图3（b）、图3（c）所示。由图3 可知，水流流经调流板泥沙体积质量发生大幅骤减，调流板后泥沙稳定沉降，至挡板前泥沙体积质量降至1.06～3.01 kg/m3；流经斜管区域，泥沙体积质量再次发生大幅骤减，出口泥沙体积质量降至0.342～1.354 kg/m3。不同斜管布置间出口泥沙体积质量存在明显差异（P<0.05），其中Fv2 处理的出口泥沙体积质量为0.342～0.991 kg/m3，较Fv1、Fs 处理分别降低了10.01%～20.95、26.82%～38.83%。Su处理的出口泥沙体积质量为0.342～0.773 kg/m3，较Sm 、Sd 处 理 分 别 降 低 了 32.98%～46.28% 、42.91%～55.18%，表明不同黄河泥沙出口泥沙体积质量存在差异。Qq 处理的出口泥沙体积质量为0.342～1.132 kg/m3，较Qs 处理降低了16.36%～37.12%，表明小流量工况下泥沙沉降效果更佳。以Fs 处理出口泥沙体积质量为自变量（x），Fv1、Fv2 处理出口泥沙体积质量为因变量（y），不同斜管布置间出口泥沙体积质量的相关关系如图3（d）所示。由图3（d）可知，Fv1、Fv2 处理与Fs 处理出口泥沙体积质量显著线性相关（P<0.05），其中Fv2 处理的拟合斜率最小，Fv1 处理次之。

图3 泥沙体积质量沿程变化Fig.3 Sediment volume mass changes along the path

2.2 沿程砂粒体积质量变化

2 种运行流量、3 种斜管布置形式下不同黄河泥沙砂粒体积质量沿程变化如图4（a）、图4（b）、图4（c）所示。由图4 可知，砂粒体积质量在调流板处、斜管区域的减小趋势更明显，至挡板前砂粒体积质量降至0.040～0.251 kg/m3，出口砂粒体积质量降为0～0.018 kg/m3，其中SuQqFv2 处理的出口砂粒体积质量为0。不同斜管布置出口砂粒体积质量差异明显（P<0.05），Fv2 处理的出口砂粒体积质量最低，Fv1、Fs 处理依次次之。Qq 流量工况下，SuFv2 处理的出口砂粒体积质量为0，较SuFv1、SuFs 处理分别减少了0.000 3、0.001 kg/m3；Qq 流量工况下，SmFv2 处理的出口砂粒体积质量为0.003 kg/m3，较SmFv1、SmFs 处理分别减少了41.81%、73.90%；Qq 流量工况下，SdFv2 处理的出口砂粒体积质量为0.004 kg/m3，较SdFv1、SdFs 处理分别减少了34.67%、71.15%。不同流量下，SuQs 处理的出口砂粒体积质量较SuQq处理增加了0.000 7～0.005 kg/m3，SmQs 处理的出口砂粒体积质量较SmQq 处理增加了38.91%～49.61%，SdQs 处理的出口砂粒体积质量较SdQq 处理增加了19.90%～41.32%。故不同黄河水的出口砂粒体积质量存在差异，且小流量工况下砂粒沉降更充分。以Fs处理出口砂粒体积质量为自变量（x），Fv1、Fv2 处理出口砂粒体积质量为因变量（y），不同斜管布置间出口砂粒体积质量的相关关系如图4（d）所示。由图4（d）可知，Fv1、Fv2 处理与Fs 处理出口砂粒体积质量显著线性相关（P<0.05），其中Fv2 处理的拟合斜率最小，Fv1 处理次之。

图4 砂粒体积质量沿程变化Fig.4 Sand volume mass changes along the path

2.3 沿程粉粒体积质量变化

2 种运行流量、3 种斜管布置形式下不同黄河泥沙粉粒体积质量沿程变化如图5（a）、图5（b）、图5（c）所示。由图5 可知，粉粒体积质量变化趋势与泥沙体积质量相似，至挡板前粉粒体积质量降至0.875～2.367 kg/m3，出口粉粒体积质量降为0.271～1.182 kg/m3。不同斜管布置间出口粉粒体积质量差异明显（P<0.05），其中Fv2 处理的出口粉粒体积质量为0.271～0.843 kg/m3，较Fv1、Fs 处理分别降低了11.76%～22.84%、28.65%～42.51%。Su 处理的出口粉粒体积质量为0.271～0.662 kg/m3，较Sm、Sd 处理分别减少了33.42%～47.06%、43.98%～57.26%，表明不同黄河泥沙出口粉粒体积质量存在差异。Qq 处理的出口粉粒体积质量为0.271～0.976 kg/m3，较Qs 处理减少了17.39%～38.69%，表明小流量工况利于粉粒沉降。以Fs 处理出口粉粒体积质量为自变量（x），Fv1、Fv2 处理出口粉粒体积质量为因变量（y），不同斜管布置间出口粉粒体积质量的相关关系如图5（d）所示。由图5（d）可知，Fv1、Fv2 处理与Fs 处理出口粉粒体积质量显著线性相关（P<0.05），其中Fv2处理的拟合斜率最小，Fv1 处理次之。

图5 粉粒体积质量沿程变化Fig.5 Silt volume mass changes along the path

2.4 沿程黏粒体积质量变化

2 种运行流量、3 种斜管布置形式下不同黄河泥沙黏粒体积质量沿程变化分别如图6（a）、图6（b）、图6（c）所示。由图6 可知，黏粒体积质量在挡板前呈缓慢减少趋势，在斜管区域发生大幅骤减，至挡板前黏粒体积质量降至0.155～0.317 kg/m3，出口黏粒体积质量降为0.071～0.154 kg/m3。不同斜管布置出口黏粒体积质量差异明显（P<0.05），其中SdQq 工况下，Fv1 处理的出口黏粒体积质量为0.122 kg/m3，较Fv2、Fs 处理分别减少了1.56%、12.02%；其余工况下表现为Fv2 处理的出口黏粒体积质量最低，为0.071～0.140 kg/m3，较Fv1、Fs 处理分别减少了0.63%～12.17%、3.99%～17.83%。Su 处理的出口黏粒体积质量为0.071～0.105 kg/m3，较Sm、Sd 处理分别减少了22.78%～41.74%、27.54%～43.10%，其中Sm 处理和Sd处理的出口黏粒体积质量差异较小。Qq 处理的出口黏粒体积质量为0.071～0.141 kg/m3，较Qs 处理减少了4.98%～29.77%。以Fs 处理出口黏粒体积质量为自变量（x），Fv1、Fv2 处理出口黏粒体积质量为因变量（y），不同斜管布置间出口黏粒体积质量的相关关系如图6（d）所示。由图6（d）可知，Fv1、Fv2 处理与Fs处理出口黏粒体积质量显著线性相关（P<0.05），其中Fv1 处理的拟合斜率最小，Fv2 处理次之。

图6 黏粒体积质量沿程变化Fig.6 The clay volume mass changes along the path

2.5 斜管的泥沙沉积特性

水流进入斜管区域前大量粗颗粒泥沙已发生沉降，较低体积质量（1.06～3.01 kg/m3）、细颗粒（d<75µm）泥沙主要在斜管区域沉降，不同工况下的斜管泥沙及相关组分沉积率如图7 所示。不同斜管布置的泥沙沉积能力差异明显（P<0.05），其中Fv2 处理的泥沙沉积率为58.82%～70.04%，较Fv1、Fs 处理分别提高了2.89%～8.08%、13.75%～19.41%；Fv2 处理的砂粒沉积率达97.08%～100%，较Fv1、Fs 处理分别提高了0.80%～1.87%、3.01%～7.35%；Fv2 处理的粉粒沉积率为58.82%～70.05%，较Fv1、Fs 处理分别提高了3.44%～8.93%、15.55%～22.28%；Fv2 处理的黏粒沉积率为42.74%～61.90%，较Fv1、Fs 处理分别提高了1.20%～5.24%、2.89%～7.76%。故3 种斜管布置形式对泥沙的沉积能力以Fv2 处理最佳，Fv1、Fs 处理次之。

图7 泥沙、砂粒、粉粒、黏粒沉积率Fig.7 Sedimentation rate of sediment, sand, silt and clay

水流流经斜管区域，砂粒、粉粒、黏粒发生了不同程度的沉降。其中砂粒沉积率达90.18%～100%，远高于泥沙沉积率，表明砂粒发生充分沉降；粉粒沉积率为38.82%～70.05%，与泥沙沉积率相当；黏粒沉积率为39.85%～61.90%，低于泥沙沉积率。不同黄河泥沙在斜管区域的沉降存在差异，其中泥沙沉积率、粉粒沉积率、黏粒沉积率表现为Su 处理低于Sm、Sd处理，砂粒沉积率表现为Su 处理高于Sm、Sd 处理。其中Su 处理的泥沙沉积率为41.73%～67.67%，较Sm、Sd 处理分别减少了2.03%～11.17%、2.37%～11.16%；Su 处理的粉粒沉积率为38.82%～68.76%，较Sm、Sd处理分别减少了1.29%～10.99%、0.42%～10.18%；Su处理的黏粒沉积率为39.85%～53.17%，较Sm、Sd 处理分别减少了3.14%～12.07%、8.73%～14.29%。SuQsFs处理的砂粒沉积率为91.66%，较SmQsFs 处理增加了1.33%，较SdQsFs 处理减少了1.04%；其余工况下，Su 处理的砂粒沉积率最高为96.99%～100%，较Sm、Sd 处理分别增加了1.33%～6.81%、1.42%～5.39%。

3 讨 论

3.1 斜管沉沙池加速泥沙沉降机理

斜管是重力式斜管沉沙池高效沉沙的关键，而斜管的泥沙沉降效果受布水均匀性和管内流速的影响[21,35]，其中斜管布置是显著影响布水均匀性和斜管内部流速的主要因素[36]。本文研究表明，3 种斜管布置形式的黄河泥沙沉降能力差异显著（P<0.05），V形斜管（Fv1、Fv2 处理）泥沙沉降能力优于常规斜管（Fs 处理），且以倾角60°、45°组合的V 形斜管（Fv2 处理）最佳。其中V 形斜管的泥沙沉降效果优于常规斜管，这可能是由于V 形斜管为斜管长度50 cm 的双层布置，常规斜管为斜管长度100 cm 的单层布置，而适当减少斜管长度有利于充分发挥斜管的沉积作用[34]；同时含沙水流从斜管底部进入，V形斜管的底层斜管初步改善了水流流态[32]，使得进入上层斜管的水流均匀性更好；上层斜管则主要承担了溢流堰出流的吸附作用，减弱了溢流堰出流对底层斜管的影响，使得进入底层斜管水流的均匀性优于常规单层斜管。而V 形斜管60°、45°组合优于60°、60°组合，这主要是因为Fv1 处理和Fv2 处理的上层斜管倾角差异引起的，倾角45°较倾角60°的管内沉淀面积大，竖直方向沉降距离小，更利于细颗粒泥沙沉降[37]。

砂粒、粉粒、黏粒在斜管区域发生了不同程度沉降，其中砂粒沉积率最高，出口砂粒体积质量趋近于0，粉粒沉积率与泥沙沉积率相当，黏粒沉积率低于泥沙沉积率。这是由于大粒径泥沙临界沉速大[38-39]，流经斜管区域砂粒优先发生沉积，受斜管布置形式的影响显著；而粉粒较砂粒粒径较小，临界沉降速度相对较小，受斜管布置形式影响也相对较小，同时进入斜管区域的泥沙以粉粒（75%～85%）为主，沉积水平与泥沙相当，可作为表征黄河泥沙沉积特性的主要指标；反之极小粒径泥沙的临界沉降速度极小，而黏粒的沉积主要与较粗颗粒泥沙絮凝发生沉降[40-41]，受斜管布置形式影响最小。

3.2 沉沙池斜管布置与工程应用

传统沉沙池通常存在占地面积大、成本高、细颗粒泥沙去除效果不佳的缺点。通过在重力式沉沙池中布设斜管，可高效去除黄河水泥沙，减小沉沙池规模，降低成本。本文研究的重力式斜管沉沙池规模为44 m3，仅为微灌用重力式沉沙池的25.38%，出池泥沙质量浓度、粒径均低于微灌用沉沙池[42-43]。在斜管布置形式上，本文研究发现V 形斜管（Fv1、Fv2 处理）的泥沙去除效果优于常规斜管（Fs 处理），其中以倾角60°、45°组合（Fv2 处理）的泥沙去除效果最好，有效控制出口泥沙体积质量0.342～0.991 kg/m3，较常规斜管多沉降了26.82%～38.83%。结合工程实际，斜管布置于重力式沉沙池后段，中间有挡板分隔。布置过程中，需保持斜管底部到池底的适宜高度（70～90 cm）以确保斜管过水均匀性，保持V形斜管中间适当距离（15～20 cm）以防止上层斜管沉降的泥沙滑落引起堵塞，保持清水区一定高度（20～30 cm）以减小溢流堰出流的负面影响。在V 形斜管倾斜角度设置时，控制斜管倾角35°～60°范围满足泥沙沉降、滑落要求[36]，保持底层斜管倾角大、上层斜管倾角小；根据水源泥沙质量浓度、粒径特征，可适当调节斜管倾角，当粗颗粒泥沙多时，适当增大倾角，细颗粒泥沙多时，适当减小倾角。沉沙池实际运行过程中，发现运行流量为36 m3/h 时，黄河水Sm、Sd处理在调流板前泥沙淤积严重，因此中下游高质量浓度黄河泥沙在36 m3/h 的运行流量下需进一步优化调流板的孔洞分布。结合引黄滴灌系统运行，重力式斜管沉沙池的推广应用可进一步缓解滴灌系统首部过滤压力，减少过滤成本，有效降低灌水器堵塞风险。

4 结 论

1）大量粗颗粒泥沙进入斜管前已发生沉降，斜管主要对较低体积质量（1.06～3.01 kg/m3）、细颗粒（d<75 µm）泥沙进行沉降；其有效控制出口泥沙体积质量为0.342～1.354 kg/m3，有效控制出口砂粒体积质量为0～0.018 kg/m3。

2）不同斜管布置对黄河泥沙沉降能力差异显著（P<0.05），表现为V 形斜管优于常规斜管，且以Fv2处理倾角60°、45°为优化组合。其中Fv2 处理的出口泥沙体积质量为0.342～0.991 kg/m3，较Fv1、Fs 处理分别减少了10.01%～20.95%、26.82%～38.83%。

3）黄河泥沙及相关砂粒、粉粒、黏粒在斜管区域发生了不同程度沉降，其中砂粒沉积率达90.18%～100%，远高于泥沙沉积率；粉粒沉积率为38.82%～70.05%，与泥沙沉积率相当；黏粒沉积率为39.85%～61.90%，低于泥沙沉积率。

4）不同黄河水出口泥沙体积质量及砂粒、粉粒、黏粒体积质量表现为Su 处理

（作者声明本文无实际或潜在的利益冲突）