大孔隙滲濾集水系統結構設計及集水效能

劉丹　石繼忠　李永業　孫西歡

摘要：針對我國部分灌渠泥沙淤積嚴重導致灌溉水資源利用不足的技術難題，設計出1種與農業灌渠配套使用的大孔隙滲濾集水系統。試驗以滲流控制區濾料級配和厚度為控制因子，對不同運行工況下系統的集水效能進行測定，以研究滲流控制區配置和含沙水流過時間對系統集水效能的影響。結果表明，該系統滲流控制區濾料級配和厚度是影響系統集水效能的重要因素，泥沙淤積和堵塞對滲濾系統的影響顯著；系統對含沙水流有較好的濾凈效果。研究結果可為農業灌溉工程規劃設計提供參考，為灌渠綜合治理及利用提供新思路。

關鍵詞：節水灌溉；滲濾取水；集水效能；滲流控制區；含沙水流

中圖分類號：S274.2 文獻標志碼：A 文章編號：1002—1302（2016）01—0391—03

隨著農田水利工程建設改造進程的不斷加快，灌渠清淤疏浚問題受到眾多學者的關注。張慶華等綜合引黃灌區實際情況提出相應的除淤工程措施。滲濾取水技術是針對當前水資源環境差、開發利用率低等問題提出1種新型集水技術，在河流治理、分流技術上具有一定優勢。在灌渠中合理布置滲濾集水系統，是一種投資成本低、建設難度小，且易于推廣的灌渠防淤技術。目前，滲流取水系統研究主要集中在水庫取水工程，以分析滲濾料系統的配比、過水壓力及承重壓力等為主，在灌渠中的應用報道較少。本試驗結合工程實踐設計出1種與農業灌渠配套使用的大孔隙滲濾集水系統，分析滲流控制區結構設置和含沙水流流經特定厚度濾料層前后對系統集水效能的影響，旨在為該系統的工程設計和實踐運行提供參考。

1材料與方法

1.1滲濾集水系統

滲濾集水系統的實際工程主要分為采水段、滲水段和集水段3個主要部分（圖1）。經過對實際工程的簡化和改進，形成灌渠大孔隙滲濾集水系統結構設計模型（圖2），主要分為進水段、滲水段和集水段3個部分。進水段、集水段與灌溉渠道連接，滲流控制區由滲濾層、支撐板構成，滲濾層采用通透性強、孔隙率較大的均值粒徑濾料，支撐板用大孔隙的無砂混凝土板材料；系統采水段包括動力和供水系統，主要包括2臺IS-65-80-160型離心泵，2臺流量為40～50 m³/h、揚程為15 m的電動潛水泵和2座鋼板焊接而成的供水箱。通過抽水、供水、引水進入滲濾系統，在系統滲流控制區頂部安裝測壓表，通過壓力表控制進水水頭大小，在集水段采用三角堰對滲入水流進行測定（圖3）。

1.2試驗方案

在總結工程實際滲濾系統滲水段參數設置的基礎上，結合滲流理論和統計分析原理對試驗方案參數進行設計，取3種級配均值濾料和3種厚度做正交試驗，共9組（表1），每組試驗在工作水頭3～13 m內取不少于5個的測試點，分別測定清水條件9種參數配置下系統單位時間內的滲流量，即滲濾集水效能。采用濾料厚度為70 cm的滲濾系統，濾料粒徑分別為5～<20、20～<50、50～<70 mm，測量其集水量，以充分測量含沙水流過流時間對系統的影響。由于含沙水流流態難以控制，濾料上層的水壓波動很大，變化因素較多，因此淤塞過流試驗選取的時間段分別為5、19、40 h，水流中泥沙濃度為7.5 kg/m³，泥沙顆粒級配曲線見圖4。淤塞過流試驗結束，對系統滲流控制區頂部清淤，再次進行清水滲流試驗，待滲流穩定，對系統滲流效能進行測定，并對系統淤塞前后的滲濾性能進行對比分析。

2結果與分析

2.2相同濾料層厚度下系統淤塞前后的集水效能變化

為了更好地觀察滲流控制區相同濾料層厚度下系統淤塞前后的集水效能變化，選擇相同工況下不同級配濾料為控制因子，得到系統淤塞前后集水效能與工作水頭的關系。由圖6、圖7可見，滲流控制區濾料粒徑大小與系統的淤塞速度存在反相關關系，粒徑5～20 mm滲流系統的集水效能減小量比50～70 mm滲流系統減小量大。這主要是由于5～20 mm滲流系統孔隙小，其內部孔隙結構淤塞更為容易、迅速，濾料級配越小，滲流控制區濾料層頂部淤積層越厚，對平均滲濾系數的影響更加明顯。

2.3含沙水流過流時間對系統集水效能的影響

由圖8可見，隨著含沙水流過流時間的延長，系統的集水效能會大幅下降，過流40 h與過流19 h相比，其集水流量已經減小到30%左右，當含沙水流過流并運行足夠長時間，系統的集水效能會越來越低。這是由于含沙水流對滲濾系統的孔隙造成堵塞和填充，且隨時間增加泥沙淤積越多，導致其平均孔隙率減小，滲濾能力降低。因此，可推定該系統對含沙水流有較好的濾凈效果。

3結論

試驗表明，滲流控制區不同厚度濾料層的灌渠大孔隙滲濾集水系統取水效能不一，厚度越厚其效率越低，實際工程滲濾系統厚度確定應通過其他方式控制取水效率；含沙水流過流前后系統的集水效能變化明顯，淤塞后的集水效能僅為淤塞前的一半左右；清水對滲濾系統的淤塞有一定的清洗作用，但恢復效果欠佳；灌渠大孔隙滲濾集水系統的集水效能較高，對含沙水流有較好的濾凈效果，在應用時應定期清淤換料。