白楊河水源地滲濾取水工程設計分析

(新疆蘇齊農業節水規劃設計研究院(有限公司)，新疆 烏魯木齊 830049)

新疆維吾爾族自治區地處我國西北內陸，屬于典型的大陸性干旱氣候，降雨量少、蒸發量大，而且第一產業在自治區經濟中所占比重較大，因此，自治區多個地區水資源嚴重缺乏。當地河流多為山溪性河流，年徑流量較大，但在枯水期會出現斷流情況，不能進行全年取水。經研究發現很多河流河床為顆粒粗、厚度小的沖積層，是理想的滲濾取水環境，因此滲濾取水工程在區內多個流域附近均有較為廣泛的應用。

1 工程概況

白楊河水源地滲濾取水工程位于奇臺縣境內白楊河上游5km處，設計供水量為4200m3/d，主要是為了解決周邊東灣鎮、塔塔爾鄉、大泉鄉三個農村地區約21000人的飲水安全問題。經地質勘查，白楊河水源地地下水徑流區上部為沖積松散層，巖性主要由砂礫石、卵礫石組成，透水性強，地下水徑流條件好，其含水層超過50m，是較為理想的滲濾取水地點。

2 滲濾取水工程原理及分類分析

2.1 滲濾取水工程原理分析

滲濾取水工程通過在集水豎井中抽水，使豎井水位下降，進而降低豎井內水壓。附近流域水位比豎井水位壓力大，部分地下水會向集水豎井運動，在河床底部砂卵石層內會形成低壓區，誘使河水下滲。河水會先后穿過濾床表層濾膜、砂卵石層、過濾器等進入匯水洞室、井巷(原理如圖1所示)。

圖1 滲濾取水工程原理示意圖

為保證水質，在河水穿透濾床時，水中很大一部分有機污染物和雜質會被濾膜和砂卵石層吸附，這些吸附物被動態水長時間地沖刷，濾床和砂卵石層就會成為成本低廉、可長久使用的天然過濾器[1]。

2.2 滲濾取水工程主要分類

2.2.1 天然河床滲濾取水

天然河床滲濾取水是在河床底部或岸邊砂卵礫石發育地段設計集水豎井或集水管，通過重力及滲流作用來集取地下水，圖1展現的就是該種滲濾取水模式[2]。

大量模式試驗表明：天然河床及砂礫石層可有效清除河水中95%以上的雜質，大大省去了過濾成本，而且較為渾濁或受輕度污染的河水經過天然河床過濾后也能達到相關水質要求。

2.2.2 人工反濾層取水

在河床條件較好的地段，不用考慮淤塞及微生物造成的濾管堵塞等問題，可直接在河床適當深度鋪設過濾管道系統。但白楊河流域泥沙含量較大，因此可增設人工反濾層來保證取水效果[3]。

根據滲流特點的不同，目前常用的反濾層有圖2所示的兩種類型，這兩種反濾層的不同點如表1所列。

圖2 Ⅰ型(左)和Ⅱ型(右)反濾層結構示意圖

表1 兩種反濾層的不同點比較

3 白楊河滲濾取水工程設計分析

3.1 滲濾取水工程主要結構設計分析

3.1.1 集水系統設計

滲濾取水工程中的集水系統包括集水豎井、集水平巷(滲渠)兩類，結構圖如圖3所示。

圖3 集水豎井(左)和集水滲渠(右)結構示意圖

集水豎井垂直打通至河床含水層，該結構具有以下幾個特點：?工程成本低，且施工質量容易控制；?供水成本低，僅僅是深井供水成本的40%左右；?適用于水量大、供水穩定的流域[4]。

集水平巷(滲渠)平行或垂直于河道方向布置，適合覆蓋層厚、潛水含量較大的河流段，而且可較好地配套節水灌溉系統。基于白楊河的實際情況，確定該項目選用集水平巷(滲渠)集水形式。

集水滲渠取水量Q計算采用Dupuit(潛水)公式計算[5]，見式(1)，其中Q要求不小于4200m3/d，結合其他參數最終求得L=45m。參照其他工程經驗，本項目集水滲渠布置在潛水層30m處。

(1)

式中L——滲渠總長度，m；

K——河床滲透系數，m/d；

H——含水層厚度，m，取50m；

R——滲渠影響半徑，m；

h——滲渠內水深，m。

3.1.2 人工反濾層參數設計

人工反濾層參數主要包括反濾料粒徑、厚度、結構等，人工反濾層一般由2～3層不同粒徑砂礫石組成，在此對相關計算進行分析。

3.1.2.1 各層反濾料粒徑設計

由于本項目獲得的水資源主要供周邊居民生活飲用水，對水質要求較高，因此設計3層Ⅰ型反濾層。

根據相關學者總結的經驗，第一層(與含水層相鄰)反濾料粒徑d1按式(2)計算[6]，本項目含水層為中粗砂巖性，粒徑為1.0～1.5mm左右，最終確定該層反濾料粒徑為3mm。

d1=(2～4)di

(2)

式中di——含水巖層的顆粒粒徑，mm。

第二層反濾料粒徑d2按式(3)計算，確定該層反濾料粒徑為10mm。而第三層反濾料的粒徑d3要求大于滲渠開孔直徑。本項目所用滲管開孔直徑為15mm，因此設計第三層反濾料粒徑為25mm。

d2=(7～8)di

(3)

3.1.2.2 人工濾料層厚度設計

有關人工濾料層厚度目前沒有統一標準，在此參照其他工程經驗，人工濾料層厚度一般為2～5m。結合現場試驗數據確定本項目人工反濾料總厚度為3.0m，其中防沖網裝石總厚度為500mm。人工濾料層的具體結構如圖4所示。

圖4 人工反濾層結構示意圖(單位：mm)

3.2 滲管預防淤塞設計分析

3.2.1 工程選址科學合理

a.滲濾水工程應設置在水動力條件較好的河段，要求水流速度不得小于0.05m/s。但如果水流速度過大，則應建造格賓防沖網減緩水速。如果河水沖刷強度對減小淤積速度無明顯優勢，則需要定期清理項目區域河床。

b.選擇河床的砂卵石發育面積大、厚度較厚、級配清晰地段設計滲濾取水工程。白楊河為季節性河流，冬季水量較小，因此必須選擇面積和厚度均較大的潛水層。

3.2.2 對滲濾速度加以控制

滲濾速度主要是指水流在河床處和濾管處的入滲速度。若滲濾速度過大，會造成淤積層雜質進入水體，影響水質。根據經驗：垂直入滲河床速度不得大于2m/d；入滲濾管速度不得大于0.02m/s。本工程試驗段滲濾速度基本符合此數據。

3.2.3 修建提高水流速度的壅水堤

如果取水區域濾床表水流速較小，可通過增設壅水堤來增加濾床區進水量及水動力，避免淤積的形成。

3.3 冰凍條件下滲濾取水系統的設計分析

3.3.1 冰凍對滲濾系統取水量影響及措施設計

3.3.1.1 砂槽試驗設計及結果分析

資料顯示：白楊河流域冬季氣溫平均可低至-25℃，在該溫度下一定深度的地下水會結冰而不再向下滲漏，影響滲濾系統在冬季的取水量。為了分析影響程度，在此利用砂槽試驗進行分析。

3.3.1.1.1 試驗裝置設計

本試驗裝置尺寸設計為長×寬×高=1.0m×0.6m×0.6m，主要模擬部分包括以下3部分：補給水源、含水層、滲渠。其中補給水源用可調節水位的供水裝置模擬；含水層用均質砂層(50cm)模擬；滲渠用一個表面開孔的長方形塑料板模擬，尺寸為長×寬×厚=0.6m×0.05m×0.16m。試驗裝置結構如圖5所示。

經地質勘查可知：白楊河水源地在冬季會出現凍層甚至“透底凍”現象。為分析冰凍層對滲濾取水的影響，在此設計A、B、C三組試驗，三組水位均為53cm，其中A組為無凍層條件，B組設計用黏土模擬凍層；C組采用隔水膜模擬“透底凍”情況。

圖5 砂槽試驗模型(左)及結構剖面

3.3.1.1.2 試驗結果分析

在此將測得的不同時間滲濾取水量數據繪制成曲線，見圖6，由圖可知：?在前5天內，A、B兩組滲濾取水量呈現快速上升，其中A、B兩組最高達到2.8m3/d和2.0m3/d；?5～10天內，A、B兩組滲濾取水量又呈現快速下降，分別低至1.4m3/d和0.7m3/d；?C組始終維持在0.15m3/d的水平，整個過程未出現波動。綜合分析：冰凍層可使取水量降低40%左右；而“透底凍”可將垂直補給徹底阻隔。

圖6 三組試驗滲濾取水量比較

3.3.1.2 滲濾取水系統設計

為降低冰凍層對滲濾取水系統的影響，本項目主要采取以下幾個措施：?在進行工程選址時，盡量選取含水層厚、面積大的上游區域；?盡量選擇河床穩定、砂礫石級配好，且垂直補給和側向補給豐富的區域；?在上游修建壅水堤，增加水動力條件，有效降低河道結冰概率。

3.3.2 滲管防凍脹破壞設計分析

3.3.2.1 工程選址科學合理

a.滲管位置應盡可能靠近河道主流，越邊緣的位置越容易受到凍脹破壞。含水層要厚且中間不含有不透水夾層。

b.其他的選址原則同3.2滲管預防淤塞設計分析，在此不再詳述。

3.3.2.2 設計防沖網裝石保護滲管

滲管是滲濾取水的核心部件，在冬季凍脹作用下彈性形變性能變差，若遇到較大沖擊力會造成滲管破裂。因此本項目設計在原回填面上部全部采用網裝石防沖結構(見圖4)，尺寸為2.0m×1.0m×0.5m，材質為合金鋼絲。

4 結 語

結合白楊河水源地的實際情況，設計了滲濾取水工程的主要參數，主要包括集水系統、人工反濾層、滲管預防淤塞和凍脹破壞等內容。該滲濾取水工程投入使用后其供水量、水質均達到了標準要求，淤積層也無明顯積累，說明各參數設計科學合理。本項目也取得了較好的經濟和社會效益。