淺談山區河床淺層地下水取水方式選擇

蘇都都

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概況

以淺層地下水作為供水水源，在山區農村供水工程中應用極為普遍，以岷縣東部、南部農村供水工程為例，項目共有規模以上(供水量大于100m3/d)水源12處，除1處泉群和1處巖洞水外，其余均為河床淺層地下水，淺層地下水水源數量占總水源數量的80%以上。

與深層地下水不同，山區河床淺層地下水具有埋深淺，含水層薄，受地表水影響明顯等特點，不同的水源取水方式其取水效果往往大不相同，可以說，取水方式選擇的合理與否，直接決定了工程的成敗[1- 3]。

岷縣位于甘肅省定西市南部，地處青藏高原邊緣，是甘南草原向黃土高原、隴南山地的過渡地帶，屬構造剝蝕低中山河谷、溝谷地貌區，其東部、南部具有極為典型的山區特點。

2 山區河床淺層地下水的特點

淺層地下水介于地表水與深層地下水之間，地表水及地下潛流是其主要補給來源，其具有3個典型特點。

2.1 水量、水質具有顯著的季節性

淺層地下水在地質結構中，位于第一透水層中，第一隔水層之上，埋深淺，水體與地表水有直接的補排關系，加之山區河流多為季節性河流，洪枯期河道流量差距大，直接影響潛水面，因此其水量大小與地表水具有直接關系。此外，由于水體未經巖土層過濾，其水質與地表水差異甚微。

2.2 含水層埋深淺，厚度較薄

山區河床淺層地下水主要分布于河漫灘及一二級階地中，含水層多為第四系沖洪積砂卵礫石層，含水層厚度一般自河谷兩側向河道遞減，經多年沖切作用，河谷含水層埋深一般較淺，厚度亦較薄。岷縣農村供水工程12處水源中，平均埋深僅0.48m，含水層厚度介于2.2～8.65m之間，平均厚度僅5.48m。

2.3 含水層滲透系數差別較大

淺層地下水含水層行成年代較晚，受沉積作用及沉積物類型影響，不同河流，同一河流的不同河床滲透系數差別較大。岷縣農村供水工程所選水源地滲透系數分布范圍廣，水源地均位于迭藏河河谷，但滲透系數相差約2倍。

3 取水方式選擇原則及典型設計

河床淺層地下水常用的取水方式有大口井、滲渠、輻射井、集水廊道等，岷縣農村供水工程中采用了大口井、滲渠及集水廊道3種形式。

3.1 取水方式選擇原則

根據岷縣東部、南部農村供水工程的特點，設計階段制定的水源取水方式選擇原則為：

(1)南部含水層較厚(大于6.0m)的河谷水源地，選用大口井。

(2)東部含水層較薄的溝谷(小于5m)，選用滲渠。

(3)東部含水層厚度小于3m的溪谷，選用“人造含水層+截墻+集水廊道”。

岷縣東部、南部規模性以上水源取水方式統計表詳見表1。

表1 取水方式統計表[4- 5]

3.2 大口井典型設計

大口井是開采河床淺層地下水常用的方式，根據井底是否進水分為完整井和非完整井，岷縣農村供水工程共修建大口井4座，其中3處非完整井，1處完整井。

(1)出水量計算公式選用

根據《給排水設計手冊》(第二版)第三冊城鎮給水，岷縣大口井出水量計算公式選擇集取河床滲透水的計算方法，計算公式[6]如下：

(1)

式中，Q—大口井出水量，m3/d；K—含水層滲透系數，m/d，考慮淤塞等因素，計算時取試驗值的0.8倍；r0—大口井半徑，m；S—水位下降，m；M—含水層厚度，m；N—井底距含水層底板距離，m。

(2)典型設計

大口井布置于河床一級階地，采用鋼筋混凝土結構，井徑4m，井壁厚度為0.35m，井深6/10m，在地下水位以下井壁開設直徑為110mm的水平進水孔，孔呈梅花形布置，間距0.4m×0.6m，進水孔內設置濾料，非完整型井井底設置3層反濾料，完整井井底采用混凝土封底。井口高程高于設計洪水位，井蓋板設置通氣孔。非完整井典型設計圖如圖1所示。

圖1 非完整井典型設計圖

3.3 滲渠典型設計

滲渠是開采河床淺層地下水的另一種典型常見方式，根據其與河道的關系分為垂直于河床與平行于河床2類。岷縣農村供水工程共修建滲渠5處，其中垂直于河床布置的4處，平行于河床布置的1處，均為雙側進水的非完整型滲渠。

(1)出水量計算公式選用

出水量計算選擇《給排水設計手冊》(第二版)第三冊城鎮給水中非完整雙面進水計算方法，計算公式[6]如下：

(2)

(3)

式中，Q—滲渠出水量，m3/d；L—滲渠長度，m；K—滲透系數，m/d；α—淤塞系數，采用0.8；Hy—河流水面至滲渠頂深度，m；H0—集水井內水位對滲渠出口所施水壓，m；T—含水層厚度，m；h—河床至滲渠底的深度，m；d—滲渠直徑或寬度，m。

(2)典型設計

滲渠滲管采用為混凝土花管，條孔規格30mm×50mm，條孔中心距200mm，花管外側纏8目鍍鋅篩網一層，滲管最小管徑不小于DN400，以便于后期運行維護。滲管外填充3層級配濾料粒徑分別為4.0～8.0、20～30、60～100mm，厚度均為50cm，頂部采用原河床開挖料回填至原高程，典型設計圖如圖2所示。

圖2 滲渠典型設計圖

3.4 集水廊道典型設計

集水廊道與滲渠類似，一般與截滲墻配合使用，岷縣農村供水工程共修建集水廊道1處。

(1)出水量計算公式選用

集水廊道出水量計算采用完整滲渠單側進水就算公式，Q計算公式與滲渠相同(式(2))，A的計算公式[6]如下：

(4)

(2)典型設計

集水廊道垂直河道布置，廊道下游設置截滲墻1道，廊道長×寬×高為10m×0.8m×1.2m。廊道外側設置設人工濾層4層，級配分別為0.25～1.0、1.0～4.0、4.0～8.0、8.0～32.0mm；厚度分別為100、30、30、30cm。進水孔設計為直徑110mm圓形孔，呈梅花形布置于廊道迎水面直墻段，孔眼凈間距為30cm，管內設置級配濾料。進水孔允許流速以不大于0.01m/s控制。設計圖如圖3—4所示。

圖3 集水廊道平面布置圖

圖4 集水廊道橫剖面圖

4 效果評價

岷縣農村供水工程設計于2013年，完建于2015年7—12月間，2018年5—7月筆者對各取水工程運行情況進行了現場實地調查，并對各工程的實際運行效果、存在的問題進行了整理，具體見表2。

4.1 存在問題

總結分析調查結果，主要有以下幾個問題：①大口井干旱年份的出水量小于設計值；②滲渠干旱年份出水量下降幅度明顯，下降幅度大于大口井；③滲渠出水量整體呈下降趨勢，須清洗；④廊道的尺寸偏小，不利于后期運行管理。

4.2 原因分析

(1)大口井干旱年份出水量小于設計值

設計時以集取河床滲透水計算公式進行大口井出水量計算，干旱年份，河床來水量減少，水面變窄，河床水滲透量減小，潛水面下降，從而導致出水量達不到設計要求。

(2)滲渠干旱年份出水量下降幅度明顯

通過調查得出，滲渠雖為地下水取水構筑物，但對于淺埋滲渠，其主要補給來源為河床滲透水，可以說淺埋滲渠取水的本質是依靠人工制造透水層來集取河床地表水，因此其對河床滲透水量的依賴程度更高，當河床來水量減小時，其出水量降幅更明顯。

(3)滲渠出水量整體呈下降趨勢

隨著使用時間的延長，滲渠及大口井周圍濾層會逐漸淤積，使其滲透系數下降從而導致出水量下降。通過調查發現，戰馬溝水源清洗頻率高于其他，一方面是由于所在溝道水流含沙量大，另一個是工程管理粗放，下游產業園群眾利用其進行灌溉等其他用途，導致部分時段的供水量遠大于設計供水量，導致濾料內滲透坡降增大，加劇了淤積；草地、狼渡灘水源地未清洗，主要是溝道植被好，水流含沙量小，不易發生山洪。

5 結論與建議

通過對岷縣農村供水工程水源取水方式的分析，可以得出以下結論：

表2 各取水工程實際運行情況統計表

(1)大口井、滲渠及集水廊道在山區農村供水工程中均有較好的適用性，整體來講，大口井優于滲渠及集水廊道。

(2)對于洪枯期水位變幅大，尤其是出現斷流的山區河道，采用集取河床滲透水計算公式計算的出水量往往偏大，設計時應采用潛水含水層出水量計算公式復核其最小出水量。

(3)淺埋滲渠在山區河道中使用具有一定的局限性，如須采用則應修建截水墻等截滲措施，以提高取水保證程度。

(4)滲渠及集水廊道易產生淤積，在水流含沙量較大或山洪多發河道使用時，應考慮設置導排洪設施，以延長其使用壽命。

(5)集水廊道(包括人造透水層和截滲墻)在含水層厚度較小，具有常流水的溝谷具有較好的適用性，但設計時應保證廊道的寬度及高度應不小于1.0m和1.5m，以利于后期運行管理。

(6)提高運行管理水平，精細管理，運行過程中應嚴格控制取水構筑物出水量，不允許出現出水量大于設計出水量的情況，以延緩淤積，延長使用壽命。