引黃灌區高含沙水農田非全流過濾試驗研究

明 特，田軍倉,2,3

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021；3.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021)

0 引 言

近些年來，黃河水量調度受到嚴格的限制，寧夏引黃灌區引水量不斷減少，推廣高效節水灌溉方式是勢在必行的解決途徑。引黃灌區引水含沙量大不能直接用于微灌設備，故對引黃灌區高含沙水的過濾顯得尤為重要。

目前市面上主要采用的過濾方式有砂過濾器、濾網過濾器、水力旋流過濾器、疊片式過濾器、復合型過濾器以及沉砂池過濾，其中一些過濾設備不僅價格高昂，而且對以高含沙水為水源的過濾效果不是很理想，易造成過濾設備和微灌設備的堵塞，只能用于初級過濾[1,2];在反沖洗時不能連續工作，并需要消耗大量的水[3,4]；疊片過濾器目前尚未形成過濾器“研究、生產、推廣”的體系模式，產業化尚且需要一段時間，現有的研究中，沒有進一步研究水利性能差異的原因，無法根據水源水質選擇合適的疊片過濾器從而提高過濾效率[5]。

這些過濾設備均采用的是全流過濾，而對于非全流過濾的研究很少。田軍倉(1999)[6-8]提出一種以土壤、無紡土工織布等作為濾料介質，以非全流過濾的方法，對黃河水中的泥沙進行過濾。非全流過濾裝置又稱排滲過濾器，將過濾裝置放于具有高含沙水流的渠道、河流中，利用自然水壓對一部分高含沙水進行過濾，使清水進入裝置中，最后順著匯流管道供微灌設備直接或加壓使用，被裝置濾住的泥沙等顆粒物被截在外面，隨時順著高含沙水流方向被流水帶走，供下游明渠灌溉使用，實現了濾排水同步進行，減少了裝置的堵塞幾率。這種過濾方式具有以下優點：排濾同步，清渾分離，泥沙入田，改良土壤；無需動力，沒有反沖洗過程；造價低廉，規模可控。

范文波(2006)等[9]對非全流負壓底濾分水自動反沖洗過濾裝置進行了設計研究，裝置除沙率為40.38%，濾出水中泥沙顆粒粒徑降低率為62.33%，裝置濾出水再用網式過濾器加以過濾后，水質基本能夠達到微灌用水要求。但是裝置運行時水泵耗能較大，反沖洗時需要避開所有濾層同時反沖洗，才能連續不斷的供清水。

趙佳奇(2018)[10]針對去田軍倉教授的非全流過濾進行了滲流槽的模型模擬實驗，結果表明短水平打孔PVC管出水量能夠達到6.99 L/(h·m)，通過滲流槽的含沙水最大含沙量為0.43 kg/m3，其中大泥沙顆粒粒徑為0.12～0.14 mm，所占比例0.05%。

本文在此研究的基礎上進行了基于農田條件下的室外試驗，為今后的引黃灌區含沙水過濾研究的理論及技術進一步完善提供支撐。

1 試驗條件與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于寧夏回族自治區銀川市賀蘭縣常信鄉光明村(北緯38°36′48.45″，東經106°20′40.83″)。試驗基地為黃河西岸近代沖積平原，潛水及承壓水含水層巖性均為粉細砂，含水層厚度一般約0～150 m。

試驗于2018年秋灌期進行，供試水源引自寧夏唐徠渠，唐徠渠是寧夏引黃灌區最大的自流灌溉渠道，干渠全長314 km，渠首最大引水流量127 m3/s。試驗田進水平均流量為35 m3/h,保持20 cm水頭選取進水水樣進行含沙率測量，含沙量均值為20.865 kg/m3，平均排水流量為31 m3/h。

1.2 試驗布置

根據試驗方案，將試驗田分為4個試驗小區，即地埋豎直過濾式(V)、地埋水平過濾式(L)、地埋豎直+水平過濾式(R)，每個試驗小區規格為20 m×10 m ，蓄水面積200 m2，滲水井過濾式(S)規格為5 m×5 m，見圖1。

表1 試驗設計方案Tab.1 Test design scheme

圖1 非全流過濾試驗區示意圖(單位:m)Fig.1 Schematic diagram of non-full flow filtration test area

無紡土工織布型號/(g·m-2)質量偏差(%·m-2)厚度/mm斷裂強力/(kN·m-1)斷裂伸長率/%CBR頂破強力/kN等效孔徑/mm095090在0.4 MPa壓力下垂直滲透系數/(cm·s-1)水平滲透系數/(cm·s-1)250-51.90≥12.540～80≥2.20.07～0.201.0-9.9×(10-1-10-3)350-53.64≥17.540～80≥3.00.1040.1010.150.139

(1)地埋豎直過濾式(V)。以5 m×5 m的間距豎直埋設無砂混凝土管，無砂混凝土濾水管內徑為320 mm，外徑為420 mm，單位長度1 m，每組濾水井豎直埋設兩根，共計8組。

每4個小組為一個濾水小區，兩個濾水小區編號V1、V2。其中在V1濾水小區土表層鋪350 g/m2無紡土工織布，V2濾水小區鋪250 g/m2無紡土工織布。

采用直徑為40 mm的PVC管作為吸水管和輸水管。每根豎向吸水管在距無砂砼管底部5 cm處側向打直徑為10 mm的梅花孔。然后將四根吸水管并聯，外接裝有離心泵、精密壓力表、水表。

(2)地埋水平過濾式(L)。在距離土表層1.5 m深處開挖一條長8.5 m、寬0.7 m的溝，水平鋪設8根無砂混凝土管，然后將開挖土回填夯實。在無砂混凝土管頂端采用直徑為0.43 m帶有法蘭的管蓋進行密封，法蘭外接φ40PVC吸水管。

每8根無砂砼管為一組，共計兩組L1、L2，在L1濾水小區土表層鋪350 g/m2無紡土工織布，L2濾水小區土表層鋪250 g/m2無紡土工織布。

(3)地埋水平+豎直過濾式(R)。地埋水平+豎直過濾式利用輻射井原理增大有效濾水面積。

采用的φ110(2 m)、φ400薄壁波紋管(3 m)側壁打梅花孔，開孔率面積20%。機械豎向挖0.7 m×0.7 m×2 m的坑，在距離地面1 m的位置圓周間隔60°開6個直徑為110 mm的孔，將φ110薄壁波紋管水平插入，以φ400波紋管為中心，輻射狀布置φ110波紋管。四周包裹濾料，回填土表層起壟，防止蓄水產生塌陷。

每根豎向波紋管配有6根輻射管為一個濾水小區，共計兩個濾水小區R1、R2。其中R1土層表面鋪350 g/m2無紡土工織布100 m2，R2土層表面鋪250 g/m2無紡土工織布100 m2。

(4)滲水井式(S)。開挖5 m×5 m×2.5 m規格的坑，將兩根無砂混凝土管放置中央按照豎直過濾式布置，四周和底部用土工膜做防滲漏處理，回填土采用唐徠渠支渠淤積泥沙回填，進行濾水試驗。

圖2 V、S布置示意圖(單位：m)Fig.2 Schematic diagram of V and S layout

1.3 觀測指標

試驗區用黃河水漫灌，保持20 cm水頭，主要觀測指標包括不同規格無紡土工織布對黃河水中泥沙的過濾效果、濾出水流量、濾出水含沙量、濾出水中泥沙粒徑。

2 結果與分析

2.1 唐徠渠引黃河水水樣分析

取唐徠渠引黃試驗原水500 mL，經OBS3+濁度儀檢測，試驗原水含沙率為20.865 kg/m3,經BT-2003激光粒度分布儀分析，黃河水泥沙顆粒分析如下：

表3 唐徠渠渠水中小于某一粒徑泥沙顆粒體積含量 %

唐徠渠引黃泥沙主要由黏粒(0.001～0.005 mm)、粉粒(0.005～0.05 mm)和砂粒(0.05～1 mm)組成，其中黏粒21.813%粉粒20.537%粒、粗砂粒57.65%。

2.2 無紡土工織布濾沙效果

試驗結束后，取各試驗小區無紡土工織布附著泥沙進行顆粒粒徑級配分析，結果如下:

表4 無紡土工織布表層泥沙中小于某粒徑顆粒體積含量 %

圖3 R組不同規格無紡土工織布攔沙效果對比圖Fig.3 Comparison of sand-blocking effects of non-woven geotextiles of different specifications in group R

圖4 V組不同規格無紡土工織布攔沙效果對比圖Fig.4 Comparison of sand-blocking effects of non-woven geotextiles of different specifications in group V

圖5 L組不同規格無紡土工織布攔沙效果對比圖Fig.5 Comparison of sand-sanding effects of different specifications of non-woven geotextiles in group L

由表4及圖3-5可知，無紡土工織布的攔沙效果顯著，其中350 g/m2規格的無紡土工織布攔沙效果明顯優于250 g/m2規格的無紡土工織布。250、350 g/m2規格的無紡土工織布攔截泥沙粒徑小于0.5和0.25 mm占100%，說明250 g/m2規格的無紡土工織布能夠攔截粒徑大于0.5 mm的泥沙顆粒，而350 g/m2能夠有效攔截粒徑大于0.25 mm的泥沙顆粒。250、350 g/m2規格的無紡土工織布所攔截泥沙組成中小于0.05和0.075 mm的泥沙顆粒分別占80.94%、90.18%和88.02%、95.75%，在滿足透水性良好的前提下，350 g/m2規格的無紡土工織布更適合作為土表層過濾介質[11]。

2.3 濾水管內累積入滲量、入滲率

開始灌水后，間隔10 min測量一次無砂混凝土濾水內水位，隨著水位的上升，延長觀測時間，當水位達到標定水位后停止觀測。下圖為R、V組(V組選取其中4組分析)濾水管內累計入滲量和入滲率。

累積入滲量見圖6～圖12。

圖6 R1累積入滲量Fig.6 R1 cumulative infiltration

圖7 R2累積入滲量Fig 7 R2 cumulative infiltration

圖8 V1累積入滲量Fig.8 V1 cumulative infiltration

圖9 V2累積入滲量Fig. 9 V2 cumulative infiltration

圖10 V3累積入滲量Fig.10 V3 cumulative infiltration

圖11 V4累積入滲量Fig. 11 V4 cumulative infiltration

圖12 S累積入滲量Fig.12 S cumulative infiltration

累積入滲率見圖13～圖19。

圖13 R1累積入滲率Fig.13 R1 cumulative infiltration rate

圖14 R2累積入滲率Fig. 14 R2 cumulative infiltration rate

圖15 V1累積入滲率Fig.15 V1 cumulative infiltration rate

圖16 V2累積入滲率Fig. 16 V2 cumulative infiltration rate

圖17 V3累積入滲率Fig.17 V3 cumulative infiltration rate

圖18 V4累積入滲率Fig.18 V4 cumulative infiltration rate

圖19 S累積入滲率Fig.19 S cumulative infiltration rate

水分下滲進入土體受土壤基質吸力影響，而土壤基質吸力與含水量有關，即土壤入滲能力與土壤初始含水率有關[12]。

當入滲開始時，表層土壤很快飽和，土壤下面土層初始含水率較低時會與飽和土層產生很大吸力梯度，所以水分運移很快，入滲速率就會很大；當土壤下面土層含水率較低時會與飽 和土層產生很大吸力梯度，所以水分運移很快，入滲速率很大；當土壤初始含水率升高后，處于下面土層與飽和土層間的吸力梯度比較小，水分傳導比較慢，所以入滲速率反而會變慢。濾水管內的累積入深量和累積入滲率均符合Smith Parlange入滲曲線關系。當t→∞時，入滲率逐漸趨于穩定。

i=i∞+A(t-t0)-α，(t>tp,tp:開始積水時間)

(1)

由于V、R試驗小區過濾土壤性質均為沙壤土，而S試驗小區采用的是引黃灌區唐徠渠斗渠淤積泥沙，經陳年風化干燥的沙土作為主要濾料，其導水率和滲透性遠大于沙壤土，所以相同時間內，S組試驗小區的累積入滲量遠大于V、R組試驗小區。

累積入滲率反映了某一時刻，水分入滲量的增長強度變化，入滲過程初始階段，由于土壤初始含水率較低，水分入滲較快，此過程為水分快速下滲過程，所以初始階段的累積入滲率較高；水分下滲進入緩慢入滲的中期階段時，相同時間內水分的入滲量降低，累積入滲量的增長速率降低，累積入滲率也隨之降低；當入滲過程進入到穩定入滲階段時，累積入滲量的增長速率基本達到穩定值，所以累積此時入滲率逐漸趨于穩定。

2.4 濾出水量、含沙率及濾出水中泥沙粒徑分布情況

分別對四套方案對濾出水量、濾出水含沙率觀測。V、S、R三組處理以水位達到控制水位線時對濾水量進行抽水觀測，L組處理每4 h抽水觀測濾水量及含沙率。

2.4.1 各處理平均濾出水流量

由圖20、圖21可知，當濾出水流量逐漸穩定后，4組處理單位時間、單位長度濾出水流量由高到低依次為：S>R>L>V，分別為0.137 6、0.031 1、0.022 7、0.015 6 m3/(h·m)。由此可知滲水井過濾式(S)為最優方案。

圖20 L、V、R平均濾出水流量Fig.20 L, V, R average filtered water flow

圖21 S濾出水流量Fig.21 S average filtered water flow

2.4.2 各處理濾出水含沙量變化

4組處理方案濾出水中的含沙量隨試驗的進行逐漸降低，當R、V、L三組試驗進行到50 h，S組進行到70 h時，濾出水中的含沙量均低于0.4 kg/m3，除沙率大于98%，并且隨著試驗的進行，含沙量逐漸降低。任改萍(2012)[13]等研究發現，對于微灌灌水器而言，粒徑0.10～0.15 mm為堵塞敏感范圍，粒徑在0.10～0.075 mm范圍內與小于0.058 mm的粒徑泥沙顆粒造成堵塞程度接近。在本試驗中濾出水泥沙顆粒最大粒徑為0.112 mm，大于0.1 mm的泥沙顆粒粒徑占0.077%，小于0.1 mm的泥沙顆粒粒徑占99.923%，所以經過濾后的水可用于微灌設備。

圖22 R組濾出水含沙量隨時間變化趨勢圖Fig.22 R group filtered water effluent content change trend with time

圖23 V組濾出水含沙量隨時間變化趨勢圖Fig.23 V group filtered water effluent content change trend with time

圖25 S組濾出水含沙量隨時間變化趨勢圖Fig.25 S group filtered water effluent content change trend with time

圖26 4組處理平均濾出水中泥沙顆粒粒徑分布Fig.26 Four groups of treated average particle size distribution of sediment particles in filtered water

3 結 論

通過對引黃灌區唐徠渠黃河水非全流過濾試驗，可以得到以下結論：

(1)無紡土工織布具有良好的攔沙效果，且其規格越高其攔沙效果越明顯。但是隨著試驗的進行，無紡土工織布逐漸被攔截的黃河泥沙堵塞，透水性能降低，濾水效果也隨之降低。

(2)單位時間、單位長度濾出水流量由高到低依次為：S>R>L>V，分別為0.137 6、0.031 1、0.022 7、0.015 6 m3/(h·m)，由此可知滲水井過濾式(S)為最優方案。其中，S組出水量比R、L、V三組處理的出水量多342.44%、506.17%、782.05%。

(3)當R、V、L三組試驗進行到50 h，S組進行到70 h時，濾出水中的含沙量均低于0.4 kg/m3，濾出水中泥沙顆粒粒徑經BT-2003激光粒度分布儀觀測，最大泥沙粒徑為0.112 mm，且粒徑大于0.1 mm的僅占0.077%，不會對微灌系統造成堵塞，水質能夠滿足滴灌要求，濾出水含沙量隨試驗時間的延長有逐漸減小的趨勢。

(4)經過大田濾水試驗，引黃灌區非全流過濾含沙水研究思路可行，具有一定的科學指導意義。其中滲水井過濾式采用了防滲漏處理，置換透水性好的沙土為過濾介質，出水量達0.137 6 m3/(h·m)，為最優過濾方案。

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