金溝河引水工程中滲管取水的應(yīng)用

贠立明

（新疆金溝河流域管理局，新疆 沙灣 832100）

0 引言

隨著金溝河流域工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的不斷發(fā)展，城市規(guī)模也將不斷擴(kuò)大，已建成的金溝河流域獨(dú)山子區(qū)第一、二、三、四水源法定取水量為1.01億m3/a，雖然可以暫時滿足現(xiàn)狀用水需要，但供水高峰調(diào)節(jié)矛盾突出，現(xiàn)有部分水源受周邊地區(qū)影響取水條件惡化，取水能力下降，自2012年開始實(shí)際取水能力只有9400萬m3/a，無法滿足獨(dú)山子地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對水資源的需求。根據(jù)金溝河流域下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，預(yù)計(jì)區(qū)域“十二五”及“十三五”初期需水量將達(dá)到1.2212億m3，缺水量達(dá)到2812萬m3/a。因此，為保證區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，增加新的水資源已迫在眉睫。為解決水資源緊缺問題，在自治區(qū)人民政府的大力支持下，流域管理部門從2005年起開始調(diào)研分析周邊河流向區(qū)域調(diào)水的可行性，通過前期論證，認(rèn)為從金溝河調(diào)水是可行的。根據(jù)區(qū)域各業(yè)“十二五”及之后發(fā)展規(guī)劃，預(yù)計(jì)2017年各業(yè)總需水1.2212億m3，雖然現(xiàn)有四個水源地法定取水量為1.01億m3/a，但實(shí)際取水量只能達(dá)到9400萬m3/a，年缺水量2812萬m3/a，因此，盡快開辟建設(shè)新的水源勢在必行。

1 工程概況

金溝河引水工程取水首部位于金溝河渠首上游7.4 km河道處，行政區(qū)劃隸屬于沙灣縣，屬低山丘陵及河谷地貌。工程輸水線路總長60.982 km，跨越沙灣縣及克拉瑪依市獨(dú)山子區(qū)，兩岸基巖裸露，岸坡陡峻，風(fēng)化剝蝕作用強(qiáng)烈，河谷呈“U”形，谷寬約400 m，谷深90 m～120 m，河流縱坡大于10‰，取水首部北距與烏伊公路、烏奎高速公路相連通的安集海鎮(zhèn)25 km，西側(cè)有安集海至博爾通古鄉(xiāng)新建成縣道X805相通，區(qū)內(nèi)有網(wǎng)狀土路相連，交通方便。

金溝河引水工程主要任務(wù)是在金溝河P=50%和P=75%來水頻率下，從金溝河流域分別靈活調(diào)水至獨(dú)山子區(qū)，以緩解獨(dú)山子區(qū)人飲和工業(yè)用水緊張的情況。

2 滲管取水工程設(shè)計(jì)

2.1 位置的選擇

滲管必須設(shè)置于靠近河流主流、砂礫石級配良好的非淤積穩(wěn)定河床，較厚含水層且無不透水夾層河段。金溝河渠首上游河道河床穩(wěn)定，第四系統(tǒng)沖積Q4al含漂石砂礫層厚度4 m～5.5 m，為中～強(qiáng)透水層，河床地形平坦開闊，潛水資源充裕，較為適宜滲管取水工程實(shí)施[1]。

2.2 結(jié)構(gòu)型式

考慮到工程區(qū)河床砂礫石覆蓋層厚度、含水層滲透系數(shù)等因素，確定金溝河引水工程滲管取水采用管狀暗渠式節(jié)水滲渠管，滲管全長1398 m，水下開挖5.4 m深，河灘砂礫石、巖石基礎(chǔ)滲管臨時開挖邊坡分別為1∶1.5和1∶0.75。滲管內(nèi)徑2.0 m，管壁厚0.25 m，各段濾水管均勻布設(shè)直徑60 mm開孔200個，開孔總面積占滲管表面積14.52%，濾管外設(shè)厚度為1.5 m的人工濾層，并通過預(yù)埋鋼件進(jìn)行相鄰濾管焊接處理。管頂設(shè)置總厚度0.8 m的三層人工濾層，中間回填原河砂并用尺寸2000 mm×1000 mm×500 mm的合金鋼絲防沖網(wǎng)裝石加固防沖。

2.3 滲管水力計(jì)算

2.3.1 計(jì)算條件及指標(biāo)

根據(jù)新水辦政資[2010]14號“關(guān)于金溝河引水工程水資源論證報(bào)告的批復(fù)”，批準(zhǔn)獨(dú)山子區(qū)從金溝河年引水量為3000萬m3/a。滲管進(jìn)水孔面積根據(jù)其表面積的15.21%確定，滲管填滿度c按滲管直徑D的0.4～0.6倍計(jì)，工程滲管直徑D取1.0 m。滲管取水工程上部河床砂礫石覆蓋層滲透系數(shù)4.6×10-2cm/s，含水層厚H為4.2 m，渠道水深h為0.6 m，水力半徑R取85 m。為預(yù)防細(xì)小泥沙顆粒進(jìn)入滲管，滲管取水工程進(jìn)水孔流速應(yīng)不大于0.04 m/s，其余部分流速為0.02 m/s。

2.3.2 滲管出水量

1/2滲管長度出水量按照汲取地下水或潛流水計(jì)算（式（1）），滲管長度主要由供水量設(shè)計(jì)值決定[2]。埋設(shè)于河床之下長度為869 m的另一部分滲管出水量按集取河床滲透水計(jì)算（式（2））。

式中：Q為滲管出水量，m3/d；L為滲管長度，m；K為滲透系數(shù)，cm/s；H為含水層厚，m；h為滲管內(nèi)水深，也即動水位水深，m，取h=0.18 m～0.32 m；R為水力影響半徑，m；Hy為滲管頂至河面深度，取Hy=2.9 m；H0為凈水頭，取H0=0.8 m；d為滲管直徑，m；A為實(shí)際進(jìn)水孔面積，m2。

由式（1）～（3）可得，在金溝河引水工程河灘及河床布設(shè)1398 m長度的滲管便可滿足獨(dú)山子區(qū)人飲和工業(yè)用水量3.685×104m3/d（即 0.427 m3/s）的要求。

為了保證金溝河引水工程滲管0.427 m3/s的設(shè)計(jì)取水能力，還必須按照滲管開孔面積進(jìn)行設(shè)計(jì)引水量的復(fù)核。滲管開孔孔眼總面積F按下式確定：

式中：F為滲管開孔孔眼總面積，m2；Q為滲管出水量，m3/h，Q=3.685×104m3/d=0.427 m3/s；V為滲管孔眼流速允許值，取V=0.01 m/s。求得 F=42.7 m2。

滲管進(jìn)水孔面積是其表面積開孔的凈面積，由于滲管直徑1.0 m，所以開孔總面積為1274.07 m2，由于滲管水深均值為管徑的1/2，入滲水量主要受其充水部分的影響，減除1/2孔眼面積后滲管入滲面積為637.04 m2，滲管上下部圓周均按照2/3開孔設(shè)計(jì)，則實(shí)際進(jìn)水孔面積占總面積2/3，所以實(shí)際進(jìn)水孔面積為424.69 m2。待滲管運(yùn)行多年后，砂礫石可能將進(jìn)水孔的1/3堵塞，此種情況下，進(jìn)水孔實(shí)際面積為283.12 m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于42.7 m2，充分表明滲管孔眼開孔面積完全滿足取水流量入滲量設(shè)計(jì)值。

2.4 人工濾層設(shè)計(jì)

金溝河引水工程人工濾層按照倒梯形設(shè)計(jì)，斷面型式見圖1，濾層總厚度0.8m，上中下三層厚度分別為0.25m、0.25m和0.3m。

2.4.1 人工濾層寬度

按照《水工設(shè)計(jì)手冊》《給水排水設(shè)計(jì)手冊》及相關(guān)規(guī)定，滲管工程人工濾層上口寬B按下式確定：

式中：L為人工濾層長度，m；Q為滲管取水能力，m3/h；Vg為土層滲流流速，m/h。

由計(jì)算可得，金溝河引水滲管工程人工濾層上口寬B為14.75 m，若將滲管人工濾層敷設(shè)施工過程中河床邊坡穩(wěn)定性考慮在內(nèi)，則B取15.65 m。

引水工程人工濾層底寬通常按滲管外徑D+1.5 m予以確定，充分考慮滲管安裝施工因素，確定金溝河引水工程濾層底寬4.2m。

2.4.2 濾料粒徑

根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊》《給水排水設(shè)計(jì)手冊》及相關(guān)規(guī)定，緊鄰含水層的首層濾料粒徑dⅠ、二層濾料粒徑dⅡ及三層濾料粒徑dⅢ分別按下式計(jì)算：

由于工程所在區(qū)域含水層為中粗砂，故取di=d30，d30表示比該粒徑小的顆粒占總重量30%時的粒徑，首層濾料粒徑取2 mm～15 mm，二層濾料粒徑取15 mm～35 mm，根據(jù)取水滲管開孔直徑，與滲管接觸的第三層濾料層厚度0.3 m，濾料粒徑20 mm～40 mm。

圖1 人工濾層設(shè)計(jì)斷面圖

3 滲管取水工程設(shè)置應(yīng)注意的問題

滲管取水效果主要受河床淤塞的影響較大，為此，滲管位置應(yīng)當(dāng)設(shè)置在距離主流河段較近的不淤或少淤河段，實(shí)踐證明，在河流沖刷強(qiáng)度和淤積速度相等的河床滲管取水工程運(yùn)行效果最好[3]。滲管取水工程的設(shè)置還應(yīng)考慮河床的穩(wěn)定性以及汛期洪水沖刷河床的問題，盡可能避免人工濾層被破壞后對滲管取水工程運(yùn)行的不利影響。

此外，滲管取水工程設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮冬季含水層及河床水面結(jié)冰對取水效果的影響，為保證冬季結(jié)冰情況下金溝河引水滲管工程滲管取水量，應(yīng)提高滲管含水層的厚度，并于滲管沿線按400 m的間距布設(shè)長度55 m、高度2.5 m的防沖網(wǎng)裝石壅水堤垂直于主河道。

4 結(jié)語

金溝河引水工程運(yùn)行實(shí)踐表明，將受輕微污染的天然水經(jīng)由天然河床滲漏過濾處理而轉(zhuǎn)化為滲透水能將天然水中的懸浮物質(zhì)充分去除，使其渾濁度降低，同時達(dá)到良好的除菌效果，滲透水水質(zhì)完全能達(dá)到國家所要求的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。滲管取水工程措施施工簡便、造價較低，能充分達(dá)到河流天然水轉(zhuǎn)化利用的目的，能在一定程度上緩解我國當(dāng)前水資源短缺的局面，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。