金溝河引水工程滲管取水特性試驗(yàn)研究

張紅維

（和田鼎晟工程試驗(yàn)檢測有限公司，新疆 和田848000）

水作為最重要的生態(tài)環(huán)境資源，對(duì)社會(huì)的發(fā)展至關(guān)重要［1］。在降水稀少的內(nèi)陸河流域下游，上游流量是環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要水資源［2］。通過人工引水來調(diào)節(jié)河流，可以重新分配用于生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)用途的水，可提高水的使用效率，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，尤其是在缺水地區(qū)［3］。因此，準(zhǔn)確、及時(shí)地評(píng)價(jià)引水工程的積極成果和潛在的消極影響，是有效管理內(nèi)陸河流域水資源的需要。為保證金溝河滲管的取水量可達(dá)設(shè)計(jì)取水流量，豐水期7～9月為1.5m3/s，其余各月為0.9m3/s，本文在試驗(yàn)室內(nèi)設(shè)計(jì)了取水首部滲管取水水力模型試驗(yàn)，對(duì)該引水工程取水水質(zhì)（濁度）及反濾層效果進(jìn)行了驗(yàn)證，使金溝河引水工程從水量和水質(zhì)上均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1 研究區(qū)概況

金溝河流域 （東經(jīng)86°03′～86°49′， 北緯44°30′～45°33′）位于新疆塔城地區(qū)沙灣縣境內(nèi)。河水流至下游洪溝水庫和海子灣水庫后被攔截，一般年份無水流入瑪納斯河。擬建的獨(dú)石化金溝河供水工程，其取水首部采用滲管引水布置型式，滲管位于擬建紅山水庫壩址以上約5.2km，金溝河渠首以上約7.2km，庫區(qū)回水區(qū)以上的0.2km河道內(nèi)，主要供獨(dú)山子區(qū)工業(yè)用水［4］。

2 滲管取水工程模型及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文試驗(yàn)在11m×1.0m×3.2mγ的水槽中進(jìn)行，水槽邊壁采用細(xì)石混凝土抹面，抹面后在其外表面涂抹瀝青材料做防水層。在水槽內(nèi)布置1條完整式滲管，其坡降為1/100；滲管開孔為 18mm圓孔，孔（中心）距 50mm，行（中心）距 50mm，開孔率 10.2%，滲管直徑400mm。滲管上鋪設(shè)的四層人工反濾層，厚度1100mm。人工反濾層上鋪設(shè)900mm的原河床砂石料。試驗(yàn)裝置平面布置如圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置平面布置

根據(jù)工程實(shí)際情況，本文分別進(jìn)行了清水試驗(yàn)和渾水試驗(yàn)。清水試驗(yàn)主要研究反濾層及不同來水流量、不同河床天然砂石料厚度與滲管取水水量、水質(zhì)之間的關(guān)系。試驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)閘閥，分別對(duì)60，70，80L/s3個(gè)流量下不同河床天然砂石料厚度反濾層下，滲管取水水量、水質(zhì)進(jìn)行了測定，滲管取水流量用直角三角堰測量。根據(jù)前期研究結(jié)果，在金溝河取樣測定的含沙量及濁度如表1。試驗(yàn)過程中，通過在水槽前面的沉淀池中加沙攪拌模擬渾水，由于水流流速越小水流攜沙能力越弱，而實(shí)際工程中為了減少泥沙沉積，一般將工程布置在水流流速較大的河段，因此為了防止泥沙沉積，對(duì) 70，80 L/s 2個(gè)流量進(jìn)行了試驗(yàn)。

表1 金溝河原河道渾水含沙量及濁度

3 數(shù)據(jù)采集

采用矩形堰、直接三角堰測量明渠和滲管的來水量Q1和取水量Q2。 其計(jì)算公式為［5-7］：

滲管取水流量采用電子秤、秒表和水桶，采用稱重法獲得。其流量值為稱量水的重量除以秒表記錄的滲管流水時(shí)間。

來水和取水含沙量采用過濾法測定水流中懸移質(zhì)泥沙的含沙量。濾管中水深的測量采用將測壓管與滲管底部通過銅管相連，讀取測壓管中的水深獲得。來水和取水濁度的測量采用DYPS600型濁度儀。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，采用水洗和篩分方法對(duì)原 1～5mm反濾層料進(jìn)行處理，分別采用5mm和1mm孔徑的篩子進(jìn)行篩分，并用水沖洗，保證砂中泥可去除。

4 試驗(yàn)觀測及結(jié)果分析

4.1 反濾層顆粒級(jí)配及設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)證分析

4.1.1 顆粒級(jí)配試驗(yàn)

為了驗(yàn)證反濾層設(shè)計(jì)的合理性，分別用標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)粒徑范圍為1～5mm的砂、5～20mm的礫石、20～40mm卵石、40～80mm卵石等反濾料進(jìn)行了篩分。原料場砂的粒徑級(jí)配情況如圖2。

圖2 原料場反濾料粒徑級(jí)配曲線

由圖2可看出：1～5mm的砂中小于1.0mm顆粒占總質(zhì)量的 59.9%，小于0.075mm顆粒占總質(zhì)量的3.1%，細(xì)顆粒含量和含泥量均偏高，會(huì)降低該反濾層滲透系數(shù)，有利于提高水質(zhì)，但相應(yīng)地出水流量會(huì)降低，因此，為保證水質(zhì)，應(yīng)清除粒徑為1～5mm砂中的泥；同時(shí)為了增加出水量也要減少小于1.0mm細(xì)砂的含量。5～20mm中大于20mm顆粒占總質(zhì)量的17.7%，為達(dá)到設(shè)計(jì)要求，應(yīng)適當(dāng)降低大于20mm顆粒的含量；40～80mm中雖然大于80mm顆粒占總質(zhì)量的28.6%，但該層直接與濾管接觸主要起到骨架和支撐作用，只要保證小于18mm粒徑不進(jìn)入滲管即可，所以該層無需處理；20～40mm中小于20mm占總質(zhì)量的2.9%，含量不高，但要防止進(jìn)入滲管堵塞濾管進(jìn)水孔，從而減小濾管有效進(jìn)水面積，降低滲管出水流量。雖然該層無需處理，但在鋪設(shè)此層反濾料時(shí)，尤其是與濾管直接接觸的反濾料，嚴(yán)格控制級(jí)配，不應(yīng)有小于18mm粒徑的顆粒，同時(shí)粒徑小于20mm顆粒含量也不應(yīng)過高，以保證濾管進(jìn)水孔不被堵塞。為了保證反濾層設(shè)計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)1～5mm的原料場砂分別用5mm和1mm孔徑的篩子進(jìn)行篩分，同時(shí)篩分過程中用水沖洗，去除砂中泥；對(duì)5～20mm原料場砂用直徑為20mm篩子進(jìn)行了篩分，去除了部分20mm以上粒徑的顆粒，篩分后粒徑級(jí)配情況如圖3。

圖3 篩分后反濾料顆粒級(jí)配曲線

4.1.2 反濾層設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)證

不均勻系數(shù)Cu是表示土體中顆粒粒徑的比例關(guān)系，Cu接近1時(shí)表示土顆粒分布均勻，相互制約能力強(qiáng)；大于1則表示土顆粒分布不均勻［8］。本試驗(yàn)中反濾層各層濾料不均勻系數(shù)自上而下分別為：1.74，1.70，1.27，1.44。 說明本文設(shè)計(jì)的反濾料顆粒級(jí)配能夠滿足“濾土”和“排水”的要求，運(yùn)行效果良好。

4.2 流量驗(yàn)證

4.2.1 清水試驗(yàn)

通過滲管取水時(shí)，滲管內(nèi)在上次閥門關(guān)閉后留有一部分水量，測壓管與滲管內(nèi)的水平高度平齊，當(dāng)打開閥門后，測壓管內(nèi)的水面開始降低，說明滲管內(nèi)的靜儲(chǔ)水量是滲管最初取水的主要水源；試驗(yàn)結(jié)果表明一般在 40～70s內(nèi)測壓管可從最高值降至穩(wěn)定值。

4.2.2 渾水試驗(yàn)

渾水試驗(yàn)通過在水槽首部的攪拌池內(nèi)人工加沙攪拌來實(shí)現(xiàn)，本文將入水口布設(shè)為 1號(hào)取樣點(diǎn)；出水口處布設(shè)在2號(hào)取樣點(diǎn)；濾水管的出水口處布設(shè)在3號(hào)取樣點(diǎn)。經(jīng)過測定，模擬渾水的含沙量如表2。

表2 模擬渾水含沙量 單位：g/L

模擬渾水的含沙量與測定原河道含沙量范圍基本一致。試驗(yàn)測定的滲管取水濁度結(jié)果均在3NTU以下。若滲管中泥沙含量過高，含水層表層將形成泥膜，嚴(yán)重影響反濾料的滲透系數(shù)。會(huì)導(dǎo)致表層滲透系數(shù)減小，影響滲管產(chǎn)水量。

相同情況下清水試驗(yàn)和渾水試驗(yàn)的滲管產(chǎn)水量對(duì)比如表3。

表3 清水試驗(yàn)和渾水試驗(yàn)的滲管產(chǎn)水量對(duì)比

從表3可看出，渾水試驗(yàn)由于河床表層沿程會(huì)淤積一定數(shù)量的細(xì)顆粒泥沙，導(dǎo)致滲管產(chǎn)水量降低。所以實(shí)際工程中應(yīng)保證明渠水流具有一定的挾沙能力。

4.3 水質(zhì)濁度

首次放水時(shí)，在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)滲管取水的濁度較高，如圖4。這是由于反濾料存在泥沙，泥沙運(yùn)動(dòng)過程中由于摩擦影響相互限制其位移，導(dǎo)致滲管中的泥沙不易被水流帶走，濁度相對(duì)較高。但最終在清水的沖洗下，泥沙含量降低，濁度降低，并穩(wěn)定至 1～3NTU，如圖 5。

圖4 首次放水時(shí)來水水質(zhì)與滲管出水水質(zhì)對(duì)比

圖5 清水沖洗后來水水質(zhì)與滲管出水水質(zhì)對(duì)比

經(jīng)過清水條件下不同原河床天然沙厚度時(shí)的滲管取水水質(zhì)如表4，來水流量為 70，80L/s時(shí)渾水試驗(yàn)下滲管取水水質(zhì)情況如表5。

表4 清水條件下不同來水流量、原河床天然沙厚度水質(zhì)單位：NTU

表5 渾水試驗(yàn)滲管出水水質(zhì) 單位：NTU

由表4可看出，清水試驗(yàn)在來水水質(zhì)較差情況下（9.21～41.70 NTU），滲管出水水質(zhì)受河床料厚度的影響較大。河床料厚度為 0cm時(shí)，滲管出水水質(zhì)與來水水質(zhì)基本一樣；當(dāng)河床料厚度為50cm時(shí)，滲管出水濁度明顯降低，為5～6 NTU；當(dāng)河床料厚度為90cm時(shí)，滲管出水濁度為 1～2 NTU；這主要因?yàn)楹哟擦蠟檩^細(xì)的顆粒組成，對(duì)水質(zhì)過濾作用明顯。由表5可看出，渾水試驗(yàn)后滲管出水水質(zhì)均在3NTU以下，符合設(shè)計(jì)取水要求。由表中結(jié)果還可看出，在試驗(yàn)之初（河床料厚度為 0cm和 50cm時(shí)），滲渠取水水質(zhì)較差，隨時(shí)間增長，水質(zhì)逐漸變好，這是由于試驗(yàn)之初反濾層中含泥量較高導(dǎo)致的。

5 結(jié)語

（1）本文設(shè)計(jì)的反濾層“濾土”作用明顯，出水水質(zhì)優(yōu)良，含沙量低，濾料的選擇良好。

（2）經(jīng)過測定1～5mm砂、5～20mm 礫石、20～40mm卵石、40～80mm卵石、原河床天然砂的滲透系數(shù)分別為 303.70，9809.09，13426.44，無窮大，24.81m/d。當(dāng)含水層總厚度6.5m時(shí)，其綜合滲透系數(shù)30.43m/d；當(dāng)含水層總厚度8m時(shí)，其綜合滲透系數(shù)29.19m/d。

（3）在取水穩(wěn)定后，取水水質(zhì)濁度均在 3NTU以下，能夠達(dá)到工業(yè)用水水質(zhì)要求。