2011 年农业节水科技奖

新型微灌沉沙池研究与示范新型微灌沉沙池研究与示范

完成单位：石河子大学主要完成人：刘焕芳 宗全利 汤骅 梁启龙 温新民 苏 军 马新河 吴均

2011 年 12 月

汇报内容提纲汇报内容提纲 一、项目背景 一、项目背景 二、关键成果及取得方式二、关键成果及取得方式 三、成果先进性三、成果先进性 四、成果创新点四、成果创新点 五、成果推广应用情况五、成果推广应用情况 六、效益分析六、效益分析 七、发展前景七、发展前景 八、相关支撑材料八、相关支撑材料

1 、目前节水灌溉中利用河渠水等地表水作为灌溉水源是必然趋势，而我国大多数地表水，都具有高含沙量的特点。因此必须对地表水所含泥沙进行处理，才能用于节水灌溉系统。 2 、目前，用含沙水进行大田微灌的堵塞问题还未取得突破，含沙水净化技术一直是人们普遍关心的问题。

一、项 目 背 景一、项 目 背 景

3 、我们于 1999 年调研发现：若将渠道等地面水源直接用于微灌会严重堵塞灌水器，所以有必要在河渠水和微灌系统之间设一沉沙池，对其所含的超过微灌系统指标的以悬移质为主的泥沙进行处理，防止微灌系统的堵塞，从此开始对微灌用沉沙池的水沙性能进行立项研究。

一、项 目 背 景一、项 目 背 景

节水灌溉首部设置的简易沉沙池节水灌溉首部设置的简易沉沙池

4 、根据课题不同进展，先后获得相关项目支持： 1 ）国家自然科学基金项目：微灌用新型沉沙池结构及水沙 性能研究（ 50869008 ）； 2 ）石河子大学高层次人才专项：微灌用新型沉沙池水沙 性能研究（ RCZX200538 ）； 3 ）石河子大学科技成果转化项目：微灌用沉沙池应用研究 （ Kjkfyzh2006-cgzh01 ）；

一、项 目 背 景一、项 目 背 景

在上述科研课题支持下，结合对微灌用新型沉沙池 10 年多的研究成果，我们对微灌用新型沉沙池的水沙性能和应用有了比较全面的研究成果，并在兵团范围内进行了大面积的推广应用。

该成果 2010 年 8 月通过兵团科技局鉴定，鉴定结论 :国际先进水平。

一、项 目 背 景一、项 目 背 景

鉴定证书鉴定证书

微灌用新型沉沙池设计及理论研究微灌用新型沉沙池设计及理论研究 室内模型试验研究成果室内模型试验研究成果 数值模拟研究成果数值模拟研究成果 原型观测研究成果原型观测研究成果

二、关键成果及取得方式二、关键成果及取得方式

（一）微灌用新型沉沙池设计及理论研究（一）微灌用新型沉沙池设计及理论研究

通过两方面技术创新：①沉沙池工作段首部设置调流板②在通过两方面技术创新：①沉沙池工作段首部设置调流板②在溢流堰上增设溢流槽，对传统沉沙池进行改进，设计提出了微溢流堰上增设溢流槽，对传统沉沙池进行改进，设计提出了微灌用新型沉沙池，并获得国家专利灌用新型沉沙池，并获得国家专利 11 项（项（ ZL200520135844.ZL200520135844.33 ））

调流板

溢流槽

二、关键成果及取得方式二、关键成果及取得方式

（二）新型沉沙池室内模型试验研究成果（二）新型沉沙池室内模型试验研究成果

11 、矩形沉沙池模型试验、矩形沉沙池模型试验

20072007年度和年度和 20082008 年度在石河子大学水力试验大厅修建了新年度在石河子大学水力试验大厅修建了新型矩形沉沙池试验模型，模型全长型矩形沉沙池试验模型，模型全长 10m10m，由进水段、渐变过渡，由进水段、渐变过渡段、沉淀室段和集水区四部分组成。段、沉淀室段和集水区四部分组成。

二、关键成果及取得方式二、关键成果及取得方式

调流墙

溢流槽

二、关键成果及取得方式二、关键成果及取得方式

2 、梯形沉沙池模型试验 为了与原型应用沉沙池进行对比，为了与原型应用沉沙池进行对比， 20092009 年年 55 月将兵直月将兵直 222222 团应团应用一个梯形新型沉沙池，按用一个梯形新型沉沙池，按 11 ：： 55 比例修建了试验模型，并进行了比例修建了试验模型，并进行了大量实验，与原型观测数据进行了对比分析。大量实验，与原型观测数据进行了对比分析。

兵直 222 团应用的梯形新型沉沙池模型

二、关键成果及取得方式二、关键成果及取得方式

梯形沉沙池模型梯形沉沙池模型

溢流堰

调流墙

3 、模型试验及理论研究成果（ 1 ）调流墙对水流流场的影响分析

7. 5L/ s CS3- 3流量为 时 断面垂线流速分布示意图

0

0. 2

0. 4

0. 6

0. 8

1

0. 0 0. 5 1. 0 1. 5 2. 0

u/ucp

y/h

无调流墙A调流墙B调流墙C调流墙

9. 45L/ s CS3- 3流量为 时 断面垂线流速分布示意图

0

0. 2

0. 4

0. 6

0. 8

1

0. 0 0. 5 1. 0 1. 5 2. 0

u/ucpy/h

无调流墙A调流墙B调流墙C调流墙

从图中可以看出，加调流墙后流速分布比不加调流墙时均匀的多，说明调流墙对流速具有较好调节作用，使沉淀室内流场分布更加均匀。

二、关键成果及取得方式二、关键成果及取得方式

7. 5L/ s流量 时含沙量沿程变化图

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 5 5. 5 6 6. 5(m)距池首的距离

(g/L)

含沙量

无调流墙A调流墙B调流墙C调流墙

9. 45L/ s流量 时含沙量沿程变化图

0

2

4

6

8

10

12

0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 5 5. 5 6 6. 5(m)距池首的距离

(g/L)

含沙量

无调流墙A调流墙B调流墙C调流墙

从图中可以看出，在加设了调流墙后，含沙量沿程变化幅度比不加调流墙时要大，水流经过调流墙调节后，含沙量迅速减少，减小最大幅度为 83.5 ％，提高了沉沙池截沙率，这说明调流墙对水流的调节效果是非常明显的。

（（ 22 ）调流墙对含沙量沿程变化影响分析）调流墙对含沙量沿程变化影响分析

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 5 5. 5 6(m)距池首的距离

(g/L)

平均含沙量 s0=13. 27

s0=11. 96s0=11. 37s0=10. 63

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 5 5. 5 6

(m)距池首距离

(g/L)

平均含沙量

s0=12. 53s0=11. 86s0=10. 83s0=10. 29

加溢流槽时含沙量沿程变化

不加溢流槽含沙量沿程变化

溢流槽对含沙量的影响规律溢流槽对含沙量的影响规律（（ 33 ）溢流槽对沉淀效率影响分析）溢流槽对沉淀效率影响分析

加溢流槽时沿程泥沙粒径级配曲线

不加溢流槽沿程泥沙粒径级配曲线

溢流槽对粒径级配的影响溢流槽对粒径级配的影响（（ 33 ）溢流槽对沉淀效率影响分析）溢流槽对沉淀效率影响分析

沉沙池进口处速度分布云图

沉沙池出口处速度分布云图

（二）数值模拟研究成果（二）数值模拟研究成果

流场速度矢量图（有调流板）

流场速度矢量图（无调流板）

结论：从图可以看出，增设调流板后在沉淀室内水流的回流长度明显减小，经调流板调节后的水流，流场分布更均匀。

流场数值模拟对比流场数值模拟对比

2007年和 2008 年对该团使用的新型沉沙池进行了原型观测（灌溉面积 1000亩地，每小时流量 200m3 新型沉沙池），同时也对该团一些尚在使用原有传统沉沙池进行了观测（两种沉沙池长度都是 50m，宽 4.5m，深 1.3m，底坡为零）。

观测的主要内容为：沿程泥沙淤积情况（主要是粒径级配）和水流含沙量情况。

11 、农八师、农八师 150150 团新型沉沙池原型观测结果 团新型沉沙池原型观测结果

（三）原型观测研究成果（三）原型观测研究成果

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0. 01 0. 1 1 10(mm)粒径

%小于某一粒径的百分数（）

新型沉沙池

传统沉沙池

两种沉沙池在池末泥沙粒径级配曲线

从图可以看出，在沉沙池末端水流溢出处，新型沉沙池中：淤积的细颗粒泥沙所占百分比较大，这充分说明了新型沉沙池能提高泥沙沉淀效率，尤其是对细颗粒泥沙沉淀效率的提高更为显著。

（三）原型观测研究成果（三）原型观测研究成果

0

0. 5

1

1. 5

2

2. 5

0 5 10 15 20 25 30 35 40

(m)距池首距离

(g/L)

含沙量

传统沉沙池新型沉沙池

两种沉沙池中含沙量沿程变化图

从图中可以看出，在新型沉沙池中：泥沙含沙量沿程变化幅度要比传统沉沙池大，说明了新型沉沙池中泥沙的沉淀率也要比传统沉沙池高，新型沉沙池能提高泥沙在沉沙池中的沉淀效率。

（三）原型观测研究成果（三）原型观测研究成果

22 、兵直、兵直 222222 团原型观测结果团原型观测结果 （三）原型观测研究成果（三）原型观测研究成果

2009 年 5 月 -8 月对兵直 222 团应用新型沉沙池开展了原型观测工作。选定有代表性入池流量、含沙量和颗粒级配时期进行观测，主要观测项目包括入池流量、入池含沙量、入池泥沙颗粒级配、池中水位、含沙量沿程变化、泥沙沿程淤积情况、淤积物颗粒粒径沿程变化等。

原型观测现场原型观测现场

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0. 01 0. 1 1 10mm粒径（ ）

%小于某一粒经的百分数（）

传统沉沙池

矩形断面沉沙池

梯形断面沉沙池

三种沉沙池池末泥沙粒径级配曲线

由图可以看出，在沉沙池末端，淤积泥沙中细颗粒所占比重明显大于传统沉沙池，说明增设溢流槽后，提高了细颗粒泥沙沉淀率，有利于引取表层清水。

三种沉沙池含沙量沿程变化

0

0. 02

0. 04

0. 06

0. 080. 1

0. 12

0. 14

0. 16

0. 18

0 5 10 15 20 25 30 35 40

m距池首距离（ ）

mm

粒径（

）

矩形断面微灌沉沙池梯形断面微灌沉沙池传统沉沙池

经测定，新型沉沙池出口断面悬沙中值粒径仅为 0.05mm , 其中小于 0.01mm细颗粒泥沙含量占 30% 。淤积物粒径沿程细化与悬移质含沙量沿程衰减相对应。

2009 年 4 月 -8 月对应用梯形沉沙池进行原型观测结果分析，微灌用新型沉沙池比传统沉沙池泥沙沉淀效率更高。

泥沙沉淀率 出池平均粒径 (mm)

出池含沙量 (g/L)

传统沉沙池 90% 0.043 1.63

矩形断面沉沙池 96% 0.024 0.86

梯形断面沉沙池 95% 0.02 0.85

三种沉沙池泥沙沉淀特性对比表

三种沉沙池出池含沙量

三、成果先进性三、成果先进性

与国内外技术相比较，本项目先进性表现为： 1) 理论分析与试验研究相结合，研究了使入池水流流场分布均匀和降低出池水头，提高泥沙沉降效率的有效技术创新措施—调流板和溢流槽；

经国际查新：调流板和溢流槽这两种技术在沉沙池中应用，未见其它相关成果及报道。

2) 提出了较完整的新型沉沙池设计合理水力技术参数，给出计算方法和步骤，为新型沉沙池的设计提供理论依据。

四、成果创新点四、成果创新点

（ 1 ）在沉沙池首部设置调流板对入池水流流场进行调节 分析新型沉沙池流场分布情况，得出流场分布规律，研究出一种使流场分布有利于泥沙沉降调流板设计方案，并对流场的调节作用进行试验研究，为本项目解决的一个关键技术。（ 2 ）在溢流堰上增设溢流槽来降低溢流堰水头 从泥沙沉降角度分析溢流槽提高沉沙池截沙率，并进行试验研究，获得溢流槽与泥沙沉降性能之间定量关系，是本项目解决的另一个关键技术。

11 、农八师新型沉沙池推广应用 、农八师新型沉沙池推广应用

在农八师石河子市水利局的协助下，组织、指导了农八师 148 团、 150 团、 134 团和石总场等新型沉沙池推广应用。 2009 年在农八师 148 团和 150 团推广应用面积 8万亩， 2010 年在农八师 134 团和石总场推广应用面积 16.5万亩。

五、成果推广应用情况五、成果推广应用情况

新疆生产建设兵团农八师 150 团微灌用新型沉沙池

五、成果推广应用情况五、成果推广应用情况

与兵团勘测规划设计研究院合作，在兵直 222 团进行了新型沉沙池推广应用，设计出了流量 Q=150m3/h ，长度 L=30m，宽度B=3.4m的新型微灌用沉沙池，并于 2006 年秋季施工， 2007年运行使用。 在兵团直属 222 团共建设了 6个矩形断面新型沉沙池。

22 、兵直、兵直 222222 团新型沉沙池推广应用 团新型沉沙池推广应用

1) 矩形断面新型沉沙池推广应用

五、成果推广应用情况五、成果推广应用情况

矩形沉沙池设计图纸矩形沉沙池设计图纸

调流墙

进水闸

溢流槽

222 团应用的矩形沉沙池（ 6座）

根据矩形新型沉沙池成果应用情况，又对新型沉沙池进行了改进设计研究，将新型沉沙池由矩形断面改为梯形断面，由兵团勘测规划设计研究院设计了梯形断面新型沉沙池图纸，2008 年共修建了 32个梯形断面新型沉沙池，这种梯形断面新型沉沙池便于施工，建设费用将进一步降低。

22 ）梯形沉沙池推广应用）梯形沉沙池推广应用

五、成果推广应用情况五、成果推广应用情况

222 团应用的梯形沉沙池（ 32座）

调流墙

调流墙

吸水池

溢流堰

规 模（m2）

建设费用（万元）

水泵叶轮使用寿命（小时）

网式过滤器滤网清洗间隔时间（小时）

传统沉沙池 136 5 4500 12

矩形断面沉沙池 102 4 5200 20

梯形断面沉沙池 270 2.5 5500 20

三种沉沙池经济性能指标对比表

六、效益分析六、效益分析

142515952010

156017752009

487.55252008

新增利润（万元）节支总额（万元） 栏目年份

在兵直 222 团共修建了 32座梯形断面新型沉沙池和 6座矩形断面新型沉沙池，推广应用面积 3.8万亩。经测算，每个沉沙池：节约成本 40% ，水泵叶轮使用寿命延长 10-15% ，流量增加 20-25% ，人工费用节约 20% ；每个沉沙池一年可节约基础设施投入和系统运行成本合计 2.5万元。

2008至 2010 年在农八师 134 团、 148 团、 150 团和石总场以及兵直 222 团等单位推广应用面积达 28.3万亩，增收节支总额 3895万元。

六、效益分析六、效益分析

本项目研究成果创新性强，获得专利 1 项，撰写学术论文 17 篇，并有 4 篇学术论文获得新疆自治区和新疆水利学会优秀学术论文奖。 微灌用新型沉沙池，与现有的节水器材配套使用，可以大大减少微灌系统的堵塞，提高供水质量，并有效降低微灌系统的投资成本，延长如过滤器、水泵等配套设备的使用寿命；新型沉沙池可以在新疆大面积推广，产生了较好的经济效益、社会效益和生态效益，因此在新疆等地面水资源丰富但含沙量多西北地区有广阔的应用前景。

七、发展前景七、发展前景

11 、获 得 专 利、获 得 专 利八、相关支撑材料八、相关支撑材料

1. 刘焕芳，宗全利 . 溢流槽对定期冲洗式沉沙池沉淀效率的影响分析研究，泥沙研究， 2007 年 2 月第 1 期： 44-48.2. 刘焕芳，宗全利 . 一种新型平流式沉砂池的设计，工业水处理， 2005 年 4 月，第 25卷第 4 期： 71 ～ 74.3.Zong Quanli, Liu Huanfang, Tanghua, WU Jun, Hua Genfu .Study on Effect of Spillway Trough on Spillway Crest Length of Sand Basin ， ICIII 2009： 98-101 （ EI 收录：20101012759249）4. 宗全利，刘焕芳，李强，蔡小超 . 一种新型冲洗式沉沙池的设计探讨，长江科学院院报，第 22 卷第 2 期， 2005 年 4 月： 13 ～ 16.5. 宗全利 , 刘焕芳，吴均 . 连续冲洗式沉沙池截沙率试验研究 , 水利水电科技进展 , 2008年 2 月第 28 卷第 1 期： 16-19.6. 宗全利 , 刘焕芳，汤骅，吴均 . 微灌用沉沙池泥沙沉降计算方法试验研究，节水灌溉，2007 年第 4 期： 23-26.7. 宗全利，刘焕芳，吴心蓉 . 沉沙池水流流场分布均匀化改进研究，人民黄河， 2007 年4 月第 4 期： 73-75.8.ZONG Quanli, LIU Huanfang .Design of a New-type Rectangular Sediment Tank, The Proceedings of the China Association for Science and Technology Vol. 3, 2007 ： 791-795.

22 、论 文 目 录、论 文 目 录

9. 宗全利，刘焕芳，蓝军 . 沉沙池排沙廊道分流量计算的试验研究，石河子大学学报（自然版）， 2007 年 2 月第 25 卷第 1 期： 99-102.10.汤骅，宗全利，吴均，刘焕芳 . 新型微灌沉沙池沉沙效率试验研究，人民长江 ,2008年 10 月，第 39卷第 19期： 78-8011.吴均 , 宗全利 , 刘焕芳 , 刘持峰 . 沉沙池中调流板对水流调节作用的试验研究 , 水资源与水工程学报 , 2007 年 10 月第 18 卷第 5 期 : 6-912.吴均 , 刘焕芳 , 宗全利 ,汤骅 . 一维超饱和输沙法恢复饱和系数的对比分析 . 人民黄河 ,2008 年 , 第 30 卷第 5 期 :25-2713.华根福，刘焕芳，汤骅等 . 沉沙池中水流流态的数值模拟，石河子大学学报（自然科学版）， 2009年 8 月： 482-48614.华根福，刘焕芳，汤骅等 . 微灌沉沙池在新疆兵团节水灌溉中的应用研究，节水灌溉，2010 年 4 月： 44-46,5115.华根福，刘焕芳，汤骅等 . 新型平流式沉淀池沉淀效果试验研究 , 中国水利 ,2010 年 5月： 8-1016.华根福，刘焕芳，汤骅等 . 一种新型平流式沉淀池沉淀效果的试验研究 , 西南给排水 ,2009年 6月： 16-1917.华根福，刘焕芳，汤骅等 . 一种新型平流式沉淀池运行效果研究 ,环境工程 ,2010 年 2月： 23-25

22 、论 文 目 录、论 文 目 录

33 、论 文 获 奖、论 文 获 奖1 、 2007 年 5 月，新疆自治区第九届自然科学优秀学术论文三等奖2 、 2008 年 2 月，获得新疆水利学会新疆优秀水利科技论文奖二等奖3 、 2009年 3 月，新疆自治区第十届自然科学优秀学术论文二等奖4 、 2010 年 12 月，新疆水利行业优秀青年科技论文一等奖