丁尚進，王乾坤，高 博

（1.濟南市水利工程服務(wù)中心，山東 濟南250000；2.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務(wù)中心，山東 濟南250100）

田山灌區(qū)沉沙池始建于20世紀(jì)70年代，位于平陰縣城西城西洼，在灌區(qū)一級提水泵站和二級提水泵站之間的一級總干渠內(nèi)，承擔(dān)著沉淀泥沙、凈化水質(zhì)的重要任務(wù)。

田山灌區(qū)現(xiàn)狀沉沙池利用自然洼地沉沙，占地約180 hm2，分為東、西2個沉沙條渠，均為梭型布置，呈南北走向。根據(jù)田山灌區(qū)多年觀測數(shù)據(jù)，1 m3黃河水含沙量約為5 kg，沉沙容重約1 200 kg/m3。隨著供水量的不斷提升，灌區(qū)沉沙池內(nèi)沉淀了大量泥沙，抬高了池底水位，在同等供水流量要求下，運行水位被迫抬高。

在多元化集中供水時，高水位運行將會對整個干渠產(chǎn)生極為不利的影響，既需要大量的人力物力來監(jiān)控渠道的運行狀況，又增加了防汛抗洪壓力。高水位運行還會造成暴露水面增大，水量自然蒸發(fā)及滲漏損失增大，供水效率降低，直接影響灌區(qū)供水的經(jīng)濟效益。

1 研究計算公式的必要性

2016年灌區(qū)完成了沉沙池自20世紀(jì)70年代建成以來首次大規(guī)模清淤，總清淤土方約為56萬m3。據(jù)山東省水利科學(xué)研究院測算，灌區(qū)年均清淤費用在百萬元以上。在核定灌區(qū)供水成本時，清淤費用也是一項非常重要的成本構(gòu)成，并且占比較高。

如何準(zhǔn)確掌握沉沙池的泥沙淤積情況及如何準(zhǔn)確計算泥沙淤積方量成為了保證灌區(qū)正常供水與節(jié)能降耗的一項十分必要的重大課題。為此，田山灌區(qū)決定建設(shè)“田山灌區(qū)渠道流量智能監(jiān)測管理平臺”，繪出沉沙池水位庫容曲線，并加入泥沙淤積方量及沉沙池庫容差計算模塊，對沉沙池的水位庫容及淤積泥沙進行數(shù)字化管理，提高灌區(qū)整體管理水平及科學(xué)調(diào)度能力。

2 存在的困難

2.1 沉沙池斷面復(fù)雜

田山灌區(qū)均為梭型布置，呈南北走向。沉沙池任一橫斷面均為梯形斷面，上游渠道斷面較窄，然后橫斷面逐漸擴大，之后再漸漸縮小。變化的橫斷面給泥沙方量的計算帶來一定的困難，經(jīng)分析，將整個沉沙池分為兩段：前段，即橫斷面逐漸擴張的部分；后段，即橫斷面逐漸縮小的部分。每一段建立一個棱臺模型，方便計算。

2.2 沉沙池淤積泥沙的高程呈隨機狀態(tài)

田山灌區(qū)沉沙池內(nèi)沉積的泥沙頂高程，無法完全用公式來擬合，需要進行實測。經(jīng)過測算，沉沙池內(nèi)沉淀的泥沙因為各種條件的影響，并沒有規(guī)律分布，而是呈現(xiàn)隨機狀態(tài)，同一橫斷面不同位置的泥沙高程差較為明顯。為簡化計算在一個橫斷面上，根據(jù)實際需要等間距選擇奇數(shù)個點的平均高程作為該斷面的平均高程。

3 經(jīng)驗公式的推定

3.1 基本原理

計算起始時間至終止時間淤積的泥沙方量。

對第一泥沙淤積線（A號線，起始時間）進行分段，從起點（0點）開始，每隔一定間隔（假設(shè)為50 m，間隔越小，計算值越接近實際值）設(shè)置一個點位，分別編號（1、2....），不足50 m的最末點位編號m。測量出每個點位斷面的渠底線、泥沙線、水面線、渠頂線的平均高程，以相鄰兩個點位斷面作為一個棱臺模型，從0點位斷面開始向后依次計算每個棱臺模型的泥沙淤積體積、過水體積。最后把每個棱臺的體積相加，即可得到泥沙淤積線內(nèi)的泥沙淤積方量和相應(yīng)的過水方量，如圖1、圖2所示。

圖1 渠道縱剖面圖

圖2 渠道m(xù)點橫斷面圖

對第二泥沙淤積線（B號線，終止時間）采用同樣的方法進行測算。

第二泥沙淤積線與第一泥沙淤積線的泥沙淤積方量、過水方量的差值，即為該段時間內(nèi)的泥沙淤積方量、過水能力變化方量。

3.2 計算方法

泥沙棱臺模型是利用相鄰兩個點位斷面間的斷面線、渠底線、泥沙線所圍成的棱臺作為一個模型，計算模型的泥沙體積。

過水方量棱臺模型是利用相鄰兩個點位斷面間的斷面線、泥沙線、水面線所圍成的棱臺作為一個模型，計算模型的過水體積。

3.3 核心公式

棱臺模型體積公式：

式中：V為淤積泥沙方量或過水方量；H為相鄰兩個斷面之間的距離；S1、S2分別為相鄰兩個斷面面積。

4 結(jié)語

該經(jīng)驗公式是對測算梭型沉沙池泥沙淤積方量的計算方法的創(chuàng)新，已經(jīng)成為“田山灌區(qū)渠道流量智能監(jiān)測管理平臺”計算沉沙池庫容的重要理論依據(jù)，可較為準(zhǔn)確地計算梭型沉沙池中泥沙淤積方量，輔助清淤費用預(yù)算，可以利用測算結(jié)果預(yù)測將來的泥沙淤積情況，分析評估泥沙淤積對供水效率和供水安全的影響。