集水井在多泥沙河道中的應(yīng)用

程良振

（青海省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 青海 西寧 810000）

我國(guó)人口眾多，全國(guó)水資源總量的人均占有量?jī)H2400m3，是世界人均水平的1/4，居世界第109位，我國(guó)已被列為全世界人均水資源13個(gè)貧乏國(guó)家之一，而我國(guó)的水資源在時(shí)間和地域分布上極不均勻、不平衡，北方缺水尤為嚴(yán)重。甘肅省位于中國(guó)的西北部，地處黃土高原，干旱少雨，全省多年平均（全國(guó)水資源綜合規(guī)劃1956年～2000年系列）降水量為276.9mm，降水總量為1258.306億m3，水資源極為匱乏。

靜寧縣位于甘肅省東部，屬于全國(guó)典型的干旱農(nóng)業(yè)區(qū)，年降水量?jī)H479.3mm，由于年降水量稀少，且年內(nèi)分布極不平衡，人民生產(chǎn)生活用水難已得到保障，加上該地區(qū)位于山區(qū)，許多村民受地形和水源的限制，主要依靠小土井取水或依靠拉取溝泉水來(lái)解決吃水問(wèn)題。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)水質(zhì)普遍較差，多不能滿足農(nóng)村飲用水標(biāo)準(zhǔn)的要求，基于以上現(xiàn)狀，靜寧縣的農(nóng)村飲水安全問(wèn)題得到了省市極大的重視，要解決該地的農(nóng)村飲水安全問(wèn)題，水源的選擇首當(dāng)其沖，特別是局部地區(qū)無(wú)可利用的水源，其矛盾尤為突出。自2005年國(guó)家實(shí)施安全飲水項(xiàng)目以來(lái)，該地區(qū)建設(shè)了多處農(nóng)村飲水安全工程，解決了大批農(nóng)村人口的飲水不安全問(wèn)題，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，其中就有從多泥沙河道中取水的成功案例，以下就以靜寧縣西北部三合中溝農(nóng)村飲水工程為例，分析集水井在多泥沙河道中的應(yīng)用。

1 工程概況

靜寧縣西北部三合中溝農(nóng)村飲水安全工程位于靜寧縣城西北部，距縣城50km，工程區(qū)地處六盤(pán)山以西，屬隴西黃土丘陵溝壑地區(qū)，海拔高程在1750m～2003m之間，境內(nèi)溝壑縱橫，梁峁起伏，項(xiàng)目區(qū)人均耕地面積4.94畝，糧食總產(chǎn)量5098t，經(jīng)濟(jì)作物總產(chǎn)量2737t，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值3800萬(wàn)元，農(nóng)民人均純收入1800元。

本項(xiàng)目的興建，旨在解決靜寧縣三合鄉(xiāng)13個(gè)行政村81個(gè)自然村的農(nóng)村飲水安全問(wèn)題，工程建設(shè)完成后，可以解決項(xiàng)目區(qū)內(nèi)11562人的農(nóng)村人口飲用水問(wèn)題，工程區(qū)設(shè)計(jì)最高日居民生活用水定額為40L/人·d，設(shè)計(jì)最高日用水量為621.31m3/d，日變化系數(shù)取1.3，年取水總量為17.97萬(wàn)m3。

2 水源選擇

靜寧縣農(nóng)村飲水水源多取自地下水及水庫(kù)水，三合中溝農(nóng)村飲水安全工程所在流域內(nèi)可利用水源的河流含泥量普遍較大，淺表層內(nèi)無(wú)砂礫含水層，地層結(jié)構(gòu)以雙層為主，第①層為第四系全新統(tǒng)（Q43aL+PL）黃土，厚度2.5m～3.5m；第②層為第四系全新統(tǒng)（Q43aL+PL）粉土，厚度7.0m～9.0m，該層為相對(duì)弱含水層，滲透系數(shù)k=2.7m/d，采用大口井取地下水的方式無(wú)法滿足工程供水需求；經(jīng)對(duì)本工程周邊進(jìn)行調(diào)查，距離較近的水庫(kù)為北岔集水庫(kù)，經(jīng)對(duì)水資源調(diào)配分析，該工程無(wú)多余的可利用水源以供本工程調(diào)配使用。

三合中溝農(nóng)村飲水安全工程屬葫蘆河水系，三合鄉(xiāng)光華村建有中溝壩一座，中溝壩位于狗娃河的支流中溝河，為葫蘆河的2級(jí)支流，壩址處控制流域面積21.05km2，總庫(kù)容約4.5萬(wàn)m3，屬于小型塘壩。經(jīng)對(duì)該塘壩內(nèi)水源進(jìn)行取樣化驗(yàn)分析，水源水質(zhì)滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）的規(guī)定；該地區(qū)多年平均徑流深為28mm，壩址以上P=95%時(shí)徑流總量為20.04萬(wàn)m3，水量可滿足工程年取水總量17.97萬(wàn)m3的要求。由于該水源水質(zhì)及水量均滿足工程用水需求，故本工程設(shè)計(jì)采用該水源為推薦水源點(diǎn)。

3 取水方式比較

由于水庫(kù)點(diǎn)選擇為中溝壩庫(kù)內(nèi)水，本工程擬定了三種取水方式，即輸水建筑物出口取水方案、庫(kù)內(nèi)取水方案、集水井取水方案。

3.1 方案一：輸水建筑物出口取水

中溝壩下游河谷呈“V”型，兩岸邊坡較陡，河道落差大，由于庫(kù)水含泥量較大，若從中溝壩輸水建筑物出口取水，需要對(duì)庫(kù)水進(jìn)行沉淀處理后方可由泵站取水至水廠，故該方案需修建沉淀池、清水池等建筑物，根據(jù)下游溝道地質(zhì)地形條件，由于溝深河窄，無(wú)有利的地形條件以布置沉淀池、清水池，故不推薦采用中溝壩輸水建筑物出口取水的方式。

3.2 方案二：庫(kù)內(nèi)取水

本工程雖水源水質(zhì)水量均可滿足項(xiàng)目用水需求，但由于塘壩死水位為1837.93m，庫(kù)底高程為1836.5m，死水位距庫(kù)底不足1.5m，且?guī)靺^(qū)內(nèi)淤積嚴(yán)重，以淤泥質(zhì)土為主，汛期常漂有雜草枯枝等物，若直接由塘壩中取水，水源渾濁且雜質(zhì)較多，增大了水處理的費(fèi)用，并且水泵及管道容易阻塞損壞，不僅增加了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，并且可能因?yàn)楣收蠈?dǎo)致供水中斷，影響居民的生產(chǎn)生活用水，故本工程不建議采用直接由庫(kù)內(nèi)抽水至水廠的取水方式。

3.3 方案三：集水井取水

集水井取水可在河床或岸邊修建集水井，通過(guò)取水口取水至井內(nèi)，并分層布置取水口，通過(guò)對(duì)取水口的合理設(shè)計(jì)，使進(jìn)入集水井的水源水質(zhì)較清，雜質(zhì)少，再由泵站抽水至水廠。集水井取水較適用于河水泥沙含量較大的河道取水，尤其對(duì)于寒冷地區(qū)的河道，冬季保溫防凍條件好，在嚴(yán)寒結(jié)冰季節(jié)，通過(guò)分層取水，仍可使水廠正常供水，地表水取水保證率高。

綜合以上因素，本工程推薦采用集水井取水的方式，再由集水井通過(guò)水泵抽水至水廠以解決本工程取水的問(wèn)題。

4 集水井設(shè)計(jì)

集水井取水常有岸邊式取水及河床式取水兩種方式，可以結(jié)合地形地質(zhì)條件等確定。

集水井靠近河道布置，一般適用于岸坡較陡，岸邊水流較深的河道，但岸邊式取水構(gòu)筑物水下施工工程量大，必須在枯水期或非冰凍期施工完畢，施工中同時(shí)可能會(huì)遇到急流、泥砂等問(wèn)題，施工期受限較大。而河岸式取水設(shè)于河岸上，可不受水流沖刷的影響，亦不影響河道泄洪。故本工程推薦采用岸邊式取水方案，設(shè)計(jì)在中溝壩上游約520m處右岸一階臺(tái)地上修建集水井一眼，地面高程約1842m，地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠滿足集水井的修建要求。集水井采用鋼筋混凝土圓柱形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)井深7.5m，井徑6m，底板采用C20鋼筋混凝土現(xiàn)澆。

5 取水口設(shè)計(jì)

取水口通常有浮動(dòng)式取水和固定式取水兩種，浮動(dòng)式取水適應(yīng)于水位變化較大的河道，本工程由于水位變化小，故采用固定式取水方案，設(shè)計(jì)由河道中心布置集水管引水至集水井，集水管采用Dg125鍍鋅鋼管，長(zhǎng)30m，垂直河道布置，管道中心線高出河床底部70cm，河道內(nèi)設(shè)支墩固定集水管，集水管采用閘閥控制，閘閥井布置于集水井臨岸坡側(cè)。

取水頭部（集水管的井水口）應(yīng)設(shè)在穩(wěn)定的主流深槽處，根據(jù)水流條件、河流流速、漂浮物情況等選擇合理的外形和較小的體積，結(jié)合當(dāng)?shù)厥┕l件、施工力量和施工方法，考慮便于施工的形式，為防止泥沙的影響，同時(shí)應(yīng)注意取水頭部的設(shè)計(jì)，取水頭部一般分為管式取水頭部、蘑菇式取水頭部、魚(yú)形罩式取水頭部、箱式取水頭部、橋墩式取水頭部、樁架式取水頭部、活動(dòng)式取水頭部、斜板式取水頭部等幾種，本工程本著節(jié)省投資的原則，選擇管式取水頭部的方案，同時(shí)將頭部設(shè)計(jì)成過(guò)濾器形式，由管壁鉆孔取水，將管道末端堵死，管道末端30cm～50cm長(zhǎng)度管壁均打孔，孔徑10mm，孔中心距35mm，采用梅花型布置，將孔用過(guò)濾網(wǎng)覆蓋，以過(guò)濾雜質(zhì)。

為使水流更易流進(jìn)集水井，同時(shí)防止個(gè)別管道進(jìn)水口堵塞，影響工程正常運(yùn)行，本工程設(shè)計(jì)增加分層取水的工程措施，同時(shí)便于檢修及清洗。設(shè)計(jì)于1837.8m及1838.6m高程各增設(shè)集水管一排，進(jìn)水口布置在岸坡處，共布置集水管11根，平面間距為0.8m，采用梅花型布置。

6 固定式取水口過(guò)流能力驗(yàn)算

工程日最高用水量為621.31m3/d，水廠自用水量18.64m3/d，日取水時(shí)間按20h計(jì)算，故設(shè)計(jì)取水流量Q0＝0.0089m3/s。集水管流量采用《水力計(jì)算手冊(cè)（第二版）》中推薦的管流公式計(jì)算：

式中，μc——管道系統(tǒng)流量系數(shù)；

A——管道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；

g——重力加速度，取9.81m3/s；

z0——含行近流速水頭的上下游水面差，由于行近流速水頭很小，故忽略不計(jì)。

本工程實(shí)測(cè)河槽底高程為1836.4m，設(shè)計(jì)管道中心線高程1837.2m，中溝壩泄洪洞底高程為1837.93m，故水面最低水位為1837.93m，假設(shè)集水井中允許最低消落水位為1837.2m(即保證集水管出流方式為淹沒(méi)出流)，故水面最小落差z0=1837.93-1837.2=0.73m。

經(jīng)計(jì)算，水位為死水位時(shí)，取水口引用流量為0.0119m3/s，大于設(shè)計(jì)引水流量0.0089m3/s，從而該設(shè)計(jì)是合理可行的。

7 結(jié)語(yǔ)

本工程自2009年建成以來(lái)，已安全運(yùn)行了5年有余，解決了當(dāng)?shù)丶s1.16萬(wàn)人的飲水不安全問(wèn)題，通過(guò)合理的運(yùn)行管理方式，對(duì)取水口進(jìn)行定期清理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)、水位變化情況，及時(shí)調(diào)整了取水口的運(yùn)行情況，分層取水，滿足了汛期取水的水量、濁度等要求，保證汛期的正常運(yùn)行，是集水井在多泥沙河道中取水的較成功的案例之一。

集水井在多泥沙河道取水中的應(yīng)用，離不開(kāi)完善的運(yùn)行管理方式，應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)程，結(jié)合工程實(shí)際情況，設(shè)立專門(mén)的管理機(jī)構(gòu)，應(yīng)通過(guò)建立水源保護(hù)區(qū)，退耕還林，加大水土保持建設(shè)力度等措施，減小水土流失量，從源頭上解決水源水質(zhì)含沙量的問(wèn)題。陜西水利

[1]程良振.甘肅省靜寧縣三合中溝農(nóng)村飲水安全工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].甘肅省平?jīng)鍪兴娍睖y(cè)設(shè)計(jì)院，2009.

[2]李緯，等.水力計(jì)算手冊(cè)第二版[M].中國(guó)水利水電出版社，2006.

[3]中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院.給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

[4]嚴(yán)煦世.給水排水工程快速設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1995.

[5]魯剛.新編農(nóng)村供水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].中國(guó)水利水電出版社，2006.