某河道截潛流工程滲管涌水量分析計算

李 利

(新疆兵團勘測規(guī)劃設(shè)計研究院地質(zhì)勘察分院，新疆石河子 832000)

截潛系指在河底砂卵石層內(nèi)，垂直河道主流修建一條截水墻，截住地下水，同時在截水墻上游修筑集水廊道，將地下水引入集水井而后輸至用戶［1］。本截潛流工程位于某河流上游河段的現(xiàn)代河道，該段為河道的徑流散失區(qū)，該河流屬降水、融雪雙重補給的山溪性內(nèi)陸河流，多年平均徑流量3.11 ×108m3，最大年徑流量 4.06 × 108m3，最小年徑流量2.84×108m3，多年平均流量10.0m3/s。河道年內(nèi)徑流量主要受氣溫控制，洪枯懸殊，分配極不均勻，氣溫高，徑流量大，氣溫低，徑流量小，但年際徑流量變化不大。一般夏秋季節(jié)降雨歷時短、強度大，故常形成峰高量小、多峰型的洪水過程，具有猛漲猛落的特點。

1 地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

區(qū)域總體地勢南高北低，海拔高程450～3 500m，受北天山緯向構(gòu)造影響，地形呈明顯分帶性，區(qū)域上由南向北依次分為:侵蝕構(gòu)造高山－中山區(qū)、侵蝕構(gòu)造低中山區(qū)、山間洼地、侵蝕構(gòu)造低山區(qū)和山前沖洪積傾斜平原區(qū)五個地貌單元。

本截潛流工程位于天山北坡中段侵蝕構(gòu)造低中山區(qū)北邊界某河河谷地段，海拔高程960～1 000m，地形坡降為1.5%～2%，河谷呈“U”字型，現(xiàn)代河道寬300～600m不等，河道左岸發(fā)育Ⅰ～Ⅴ級侵蝕堆積階地，右岸分布有Ⅱ級階地，河道兩側(cè)階坎陡立。

1.2 地層巖性

區(qū)域出露地層有古生界、中生界和新生界，地層受東西向構(gòu)造控制，多呈東西向展布，由南向北具明顯分帶性。中山～高山區(qū)出露地層主要為古生界石炭系中統(tǒng)、低中山區(qū)、低山區(qū)出露地層主要為中生界侏羅系及白堊系和新生界第三系、山間洼地和山前沖洪積傾斜平原區(qū)主要分布新生代第四紀(jì)地層。

第四系在該區(qū)分布較為廣泛，由南向北從高山區(qū)到傾斜平原區(qū)均有分布，根據(jù)其成因類型及時代由老到新分為:①下更新統(tǒng)西域組(Q1x)為一套山麓河流相粗碎屑沉積，巖性為灰白色礫巖夾粗砂巖，礫巖，泥砂質(zhì)膠結(jié)，局部為鈣質(zhì)膠結(jié)，出露厚度1 200～2 000m。②中更新統(tǒng)烏蘇群冰水沉積物(Q2wsfgl)，巖性為灰白色卵礫石，含漂礫，礫石磨圓度差，呈棱角狀，厚度變化較大，主要分布在低山丘陵及山間盆地核部。③上更新統(tǒng)新疆群沖洪積堆積物(Q3xnal+pl)，巖性主要為灰白色、青灰色漂卵礫石層，厚度變化大，一般12～40m，多分布在河流高階地上，或山前沖洪積平原下部。④上更新統(tǒng)新疆群風(fēng)積堆積物(Q3xneol)，巖性為淺黃色或土黃色粉土，厚度變化較大，主要分布在低中山區(qū)、低山區(qū)山頂或北坡。⑤全新統(tǒng)沖積堆積物(Q4al)，巖性主要為青灰色漂卵礫石層，厚度6～15m，多分布在現(xiàn)代河床、河漫灘和Ⅰ級階地上。⑥全新統(tǒng)洪積堆積物(Q4pl)，巖性主要為雜色含碎石、塊石砂土層，多分布在各沖溝口洪積扇區(qū)，洪積物顏色主要與沖溝中基巖巖性一致，厚度隨洪積扇變化。⑦另外，第四系全新統(tǒng)還沿山坡、河谷兩岸和沖溝岸坡有一些坡積物(Q4dl)、崩積物(Q4col)以及滑坡堆積物(Q4del)。

2 截潛流工程區(qū)水文地質(zhì)特征

2.1 截潛流工程區(qū)地下水賦存條件、含水層特征及富水性

截潛流工程區(qū)地下水主要由河水滲漏補給和河床潛流補給形成。河床潛流的徑流條件主要受河床的坡度和含水層介質(zhì)所控制。截潛流工程區(qū)潛水水位埋藏深度在1.1～4.1m，工程區(qū)下游斷面潛水水位埋深較淺，沿河道向上游潛水水位埋藏深度越大，到上游斷面處潛水水位埋藏深度達4.1m，相對較深。地下水流向總體上沿河道向下游暢流，徑流條件較好，河道內(nèi)潛水徑流方向基本與河道走向一致，由西向東徑流，水力坡度與河道地形坡降基本一致，平均水力坡度為1.75% 。

據(jù)物探電測深及面波解譯成果，截潛流工程區(qū)地層為二元結(jié)構(gòu)，分布較為穩(wěn)定(見圖1)。

圖1 面波滾動剖面解譯成果圖

截潛流工程區(qū)河道內(nèi)上部為第四紀(jì)全新世松散覆蓋層，厚度7～8m，巖性為卵石、砂礫石，呈灰白、青灰色，松散～稍密狀，卵石粒徑多為3～6 cm，大者可達40 cm;卵石成份主要為砂巖、花崗巖構(gòu)成;分選性差，磨圓度一般，多呈亞圓形，礫石、粗砂充填于卵石的空隙中，局部夾有薄層泥質(zhì)夾層，水平層理明顯。該含水層滲透系數(shù)在89～109m/d之間，影響半徑在21～29m之間，為河道主要的潛水含水層，孔隙發(fā)育，儲水條件好，有較強的富水性。該層厚度在順河方向變化不大，在垂直河道方向由南向北略有增大。下部為第四系中新統(tǒng)含土砂礫石層，弱膠結(jié)，由于孔隙多被泥質(zhì)充填，儲水條件差，富水性弱，該層底板埋深大于50m。

2.2 截潛流工程區(qū)水化學(xué)特征及水質(zhì)評價

據(jù)采取地表水和地下水水質(zhì)分析成果，河水和河道地下水的水化學(xué)類型為 HCO3.SO4－Ca型和 SO4.HCO3－Ca.Mg型水，礦化度184～216 mg/L。

通過地表河水與地下水各離子組份含量的對比分析可知(見圖2、圖3)，地下水接受河水入滲補給后，在緩慢的徑流過程中，地下水水中各離子組份含量及礦化度均變化不大，地下水、地表水水化學(xué)類型以HCO3.SO4－Ca型水為主，部分地表水受洪水?dāng)y帶物影響水化學(xué)類型變?yōu)镾O4.HCO3－Ca.Mg型水。

圖2 地下水及河水組份三線圖

圖3 地下水及河水離子含量對比圖

按照《生活飲水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749－2006)進行評價，采集地表水中肉眼可見物及細菌學(xué)指標(biāo)超標(biāo)，地下水各項指標(biāo)符合《生活飲水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749－2006)所規(guī)定的限值。

按照工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中一般鍋爐用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進行評價，勘察區(qū)地下水為鍋垢多、具硬沉淀物、不起泡的半腐蝕性水，作為工業(yè)鍋爐用水需進行水質(zhì)軟化處理，使水質(zhì)達到工業(yè)鍋爐用水標(biāo)準(zhǔn)后方可使用。根據(jù)工業(yè)冷卻用水評價標(biāo)準(zhǔn)進行評價，勘察區(qū)地下水中單項指標(biāo)基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可用于工業(yè)冷卻用水。

3 截潛方案的確定及涌水量分析計算

3.1 截潛方案的確定

截潛流工程取水段為某河流現(xiàn)代河道，由河床和河漫灘構(gòu)成。取水位置處河道寬400～600m不等，河流較分散，主要支流有三條，河流水面寬度3～8m不等。根據(jù)初步擬選截潛流工程取水段河道的水文地質(zhì)條件(第四紀(jì)覆蓋層厚度、含水層巖性及其厚度、滲透系數(shù)、水位埋深等)以及河道取水?dāng)嗝嫣幍乃Y源總量的構(gòu)成，符合集取河床滲透水和潛流量的基本條件，適宜采用滲管開采地下水。

滲管主要用以截取河流滲透水量和地下潛水。其截取水量一般具季節(jié)性變化特點，枯水期出水量小，而豐水期出水量大。當(dāng)截取河流滲透水時，滲管具有一定的凈化功能。滲管的適用條件為:①含水層厚度大于2m，滲透性能較好，一般滲透系數(shù)大于15m/d;②地下水水位埋深變化幅度較小，且在河流的枯水期，地下水水位埋深不大于5m;③在嚴(yán)寒地區(qū)河谷地區(qū)含水層相對較薄的地帶，滲管取水更有其優(yōu)越性。④應(yīng)靠近岸邊，布設(shè)在河床穩(wěn)定、河水較清、水流較急且有一定沖刷能力的直線段或凹岸地帶。

根據(jù)地形地貌、水文地質(zhì)條件以及取水規(guī)模，采用滲管取水方式，滲管布置型式采用平行與斜交河道的聯(lián)合型式布置，平行河道滲管應(yīng)靠近主河床或河床下取水，提高取水的保證率。

3.2 涌水量分析計算

勘察期為河道偏枯水期，河道潛水平均水位埋藏深度按3.5m計算，考慮到不同季節(jié)、不同年份河道水位的變幅，最枯年份水位埋深按4.5m計，水位降深按2.5m計，滲流集水管的埋置深度至少應(yīng)大于7m。初步按埋管深度為7.5m進行計算，故集水滲管可開采量主要為奪取7.5m以上含水層側(cè)向流入量和集水建筑物影響河段的河水入滲補給量。

據(jù)計算該取水段河道地下水資源量較小，滲管所取水量主要為河道垂向的滲漏補給量，其次為河道潛流量。若僅考慮采用滲管集取地下潛水，不獲取部分地表水資源時，滲管涌水量較小;若考慮轉(zhuǎn)化部分地表水資源，利用工程措施集取河床下地下水時，滲管涌水量較大。

因此滲管涌水量計算采用兩種方式進行計算分析，計算公式采用《供水水文地質(zhì)手冊》(第二冊)中推薦集取地下潛水(完整式)和集取河床滲漏水(完整式)計算公式。

(1)集取地下潛水(完整式)計算公式如下:

式中:Q1為滲管涌水量(m3/d);K為潛水含水層水平滲透系數(shù)(m/d)，取K=90m/d;H為含水層厚度(m)，取3m;H0為 滲管內(nèi)水深(m)，取0.4m;

將已知條件代入上述計算公式，當(dāng)滲管埋置深度為7.5m，最枯年份水位埋深按4.5m計，經(jīng)計算，當(dāng)布設(shè)滲管長度為800m時，滲管涌水量為7449.03m3/d。

(2)集取河床滲漏水(完整式)

計算公式如下:

式中:Q1為滲管涌水量(m3/d);K為河床下第四紀(jì)全新世沖積(Q4al)卵礫石層的垂向滲透系數(shù)(m/d)，K=25m/d;Hy為河流水面至滲管頂?shù)纳疃?m)，取6.5m;H0為吸水井內(nèi)水位對滲管出口所施壓力(m)，一般取0.5－1.0m，取0.5m;h為河床至滲管底的深度(m)，取7.3m;T為河床至基底的深度(m)，取7.3m;d為滲管直徑(m)，取 1.0m;L為滲管長度(m);α＇為淤塞系數(shù)，取 0.3。

將已知條件代入上述計算公式，當(dāng)滲管埋置深度為7.5m，滲管寬度(或直徑)為1m，且在滲管上方河道水深達0.2m時，經(jīng)計算，當(dāng)布設(shè)滲管長度為800m時，滲管涌水量為3.83 ×104m3/d。

通過上述兩種方式計算可知，采用滲管集取地下潛水時涌水量小，集取河床滲漏水時涌水量較大，所取水量主要為地表水的滲漏轉(zhuǎn)化量，地表水的滲漏轉(zhuǎn)化量可占全部涌水量的80%。

4 對下游取水工程影響分析

截潛流工程區(qū)下游約1 km處已建設(shè)有一截潛工程，設(shè)計取水能力為 6.0×104m3/d，現(xiàn)狀枯、豐水期取水 1.9×104m3/d到 5.8×104m3/d，多年平均取水量 1 718×104m3/a。

在豐水期河道來水量大，本截潛流工程取水對下游已有截潛工程及下游受水區(qū)影響較小，而在枯水期對下游已有截潛工程影響較大。根據(jù)多年平均徑流量計算出該河道取水段枯水期每公里河道滲漏補給量占地下水補給量的40%，估算出要保證下游已有截潛工程正常取水6萬m3/d(0.7m3/s)，該河段下泄水量必須達到1.75m3/s，乘以取水安全系數(shù)1.2，則河道下泄水量需達到2.1m3/s。因此截潛流工程在枯水期河道來水量小于2m3/s時取水對下游已有截潛工程影響較大。

5 結(jié)論

(1)滲管取水多具有季節(jié)性變化的特點，枯水期取水量小，豐水期取水量大。

(2)滲管取水有一定得凈化作用，其凈化效果與河水渾濁度及人工濾層結(jié)構(gòu)有關(guān)。

(3)滲管涌水量主要取決于河道來水量，地表徑流量的減少直接影響到滲管的取水效果。

(4)人工濾層級配不良，濾層施工不當(dāng)以及兼取未經(jīng)過濾的明水都有可能導(dǎo)致滲管淤塞，涌水量減少。

(5)取水水泵設(shè)備能力應(yīng)考慮豐水、枯水期的變化，強力抽水會導(dǎo)致人工濾層的局部破壞，減少涌水量;相反水泵抽水能力太小，大部分滲渠進水孔未起到進水作用，造成淤塞或腐蝕結(jié)垢，同樣會造成滲管涌水量降低。

(6)河床淤積對滲管涌水量影響較大，尤其北方地區(qū)河道在洪水期泥沙含量，河水渾濁度高，滲管淤塞較為嚴(yán)重，需經(jīng)常清洗翻修。

［1］供水水文地質(zhì)編寫組，供水水文地質(zhì)手冊(第二冊)［M］.北京:地質(zhì)出版社，1976.