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        南宮地下水庫(kù)引滲回灌方式研究

        2014-02-27 02:45:31徐寶同劉立華
        水利規(guī)劃與設(shè)計(jì) 2014年12期

        徐寶同 劉立華

        (河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021)

        南宮地下水庫(kù)引滲回灌方式研究

        徐寶同 劉立華

        (河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021)

        南宮地下水庫(kù)位于古河道帶上,古河道砂層比較發(fā)育,河床相砂層厚度較大,粒徑相對(duì)較粗,透水性好,是一個(gè)良好的地下水庫(kù)儲(chǔ)水空間。庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)溹瀘河、清西干渠、九支渠等現(xiàn)狀河渠,具有作為回灌場(chǎng)的有利地貌、地質(zhì)條件。

        南宮 地下水庫(kù) 引滲回灌 研究

        1 背景工程概況

        南宮地下水庫(kù)位于河北省南宮市古黃(河)、(大)清(河)、漳(河)故道處,庫(kù)區(qū)面積206km2,庫(kù)底埋深約34m,蓄水總量4.6億m3(水位埋深3~34m)。

        1.1 回灌場(chǎng)概況

        南宮地下水庫(kù)位于古河道帶上,古河道砂層比較發(fā)育,河床相砂層厚度較大,粒徑相對(duì)較粗,孔隙率高,透水性好,有較大的儲(chǔ)水空間。庫(kù)底為湖沼相壤土、粘土,庫(kù)區(qū)東西兩側(cè)以湖沼相及泛濫相壤土、粘土為主,夾砂壤土,為相對(duì)阻水帶,庫(kù)區(qū)周邊條件比較清楚,是一個(gè)良好的地下水庫(kù)儲(chǔ)水空間。庫(kù)區(qū)內(nèi)淺層地下水為第四系孔隙潛水,埋深15~28m。含水層上部主要為粉細(xì)砂、砂壤土層,水質(zhì)屬淡水~微咸水(局部有咸水),下部中細(xì)砂、細(xì)砂、粉砂層具有中等透水性,中細(xì)砂為主砂層給水度0.113,粉砂為主砂層給水度0.067。

        庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)溹瀘河、清西干渠、九支渠等現(xiàn)狀河渠,具有作為回灌場(chǎng)的有利地貌、地質(zhì)條件。

        1.2 引滲水源和引水時(shí)段

        南宮地下水庫(kù)一期工程依托引黃入冀工程以黃河水為水源,通過(guò)清涼江揚(yáng)水站揚(yáng)水入清西干渠,后輸水至庫(kù)區(qū)回灌場(chǎng)。遠(yuǎn)期考慮需要與可能,通過(guò)擴(kuò)建清涼江揚(yáng)水站或自引黃入冀補(bǔ)淀工程總干渠東風(fēng)渠引水入溹瀘河等工程措施,充分利用地下水庫(kù)的調(diào)蓄能力,擴(kuò)大受益范圍。亦可相機(jī)引蓄岳城水庫(kù)或衛(wèi)河汛期洪水作為地下水庫(kù)可能水源。

        通過(guò)水資源供需分析計(jì)算,結(jié)合涼江揚(yáng)水站規(guī)模、回灌能力、水庫(kù)庫(kù)容等因素,確定引黃水量為3128萬(wàn)m3。清涼江揚(yáng)水站規(guī)模為38.88萬(wàn)m3/d(4.5m3/s),一個(gè)引黃過(guò)程需向地下水庫(kù)供水約80天,滿足我省冬四月引水時(shí)段要求。

        2 河渠入滲能力分析

        河渠滲漏一般分為三個(gè)階段,即濕潤(rùn)底土階段、自由滲流階段和頂托滲流階段(穩(wěn)定滲流階段)。來(lái)水初期,滲漏水首先濕潤(rùn)渠底以下土層,隨著濕潤(rùn)深度的增加滲漏量逐漸減小,地下水運(yùn)動(dòng)呈不穩(wěn)定狀態(tài),且這一階段持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短,本次不再考慮該階段的滲漏影響。

        2.1 自由滲流階段

        (1)單位長(zhǎng)度滲漏量計(jì)算

        在自由滲流情況下,河渠的滲漏量主要決定于河渠斷面形式、水位、渠床和下部土層的滲透系數(shù)等,在地下水與河(渠)底銜接前,河渠的滲流受地下水位的影響較小,滲漏量基本保持穩(wěn)定??刹捎孟铝泄接?jì)算:

        式中,q為河渠單位長(zhǎng)度滲漏量(m3/d/m);

        k為河(渠)床滲透系數(shù),試驗(yàn)成果表明中心試驗(yàn)站處滲透系數(shù)為0.325m/d,根據(jù)地質(zhì)章節(jié)溹瀘河各鉆孔平均綜合滲透系數(shù)為0.085m/d,綜合確定取為0.2m/d;

        B為河渠水面寬(m),B=b+2mh;

        A為根據(jù)滲流理論推導(dǎo)的來(lái)的系數(shù),視斷面形式而定,對(duì)于水面寬度較小的渠道,為方便計(jì)算有時(shí)近似地采用A=2,在水面寬度較大時(shí),A值可達(dá)3~4,本次取2;

        hk為為土壤毛管水上升高度(m),亞砂最大毛管水上升高度為1.2~2.5m,取1.8m。

        首先分析現(xiàn)狀河渠的入滲能力,溹瀘河按照除澇規(guī)劃斷面清淤,清西干渠、九支渠按原設(shè)計(jì)斷面清淤,自由滲流階段各河渠單位河長(zhǎng)滲漏量計(jì)算成果,見(jiàn)表1。

        表1 各河渠單位河長(zhǎng)滲漏量計(jì)算成果表

        (2)頂托的判別

        在河渠滲漏量保持一定時(shí),向一側(cè)排泄的滲漏量為,距離河道中心線處地下水的上升值可按下列公式計(jì)算:

        式中,S為地下水上升值(m);

        x為距河道中心線的距離(m);

        q為河渠單位長(zhǎng)度滲漏量(m3/d/m);

        μ為給水度,按綜合給水度計(jì),為0.07;

        α為含水層壓力傳導(dǎo)系數(shù),據(jù)試驗(yàn)成果取89m2/d;

        t為時(shí)間(d);

        現(xiàn)狀庫(kù)區(qū)地下水埋深20~26m,為簡(jiǎn)化計(jì)算地下水位上升值均按20m計(jì),則各河渠達(dá)到頂托入滲階段的時(shí)間計(jì)算成果詳見(jiàn)表2。

        表2 各河渠達(dá)到頂托入滲所需時(shí)間表

        由表1和2可知,單位河長(zhǎng)入滲量越大,達(dá)到頂托滲流階段越快,也就是說(shuō)河道越寬、水深越大,越容易形成頂托。

        2.2 穩(wěn)定滲流階段

        試驗(yàn)成果表明,試驗(yàn)站處地下水埋深2~4m,試驗(yàn)成果為單位面積穩(wěn)定入滲率2~5mm/h。本次優(yōu)先利用現(xiàn)狀的溹瀘河、清西干渠、九支渠等河渠作為入滲場(chǎng)所,且地下水埋深較大,達(dá)25m左右,綜合確定單位面積穩(wěn)定入滲率采用3mm/h(折合0.072m/d)。

        現(xiàn)有渠道回灌能力成果見(jiàn)表3。

        表3 現(xiàn)有各河渠達(dá)回灌能力成果表

        由上表可知,現(xiàn)有河渠回灌能力不能滿足回灌工程要求。且溹瀘河達(dá)到穩(wěn)定滲流階段僅用時(shí)5天,之后回灌入滲能力大大降低,從偏于安全角度出發(fā),回灌方案擬定時(shí)不再考慮渠道自由滲流階段的影響。

        3 回灌井入滲能力分析

        3.1 裘布衣公式法

        根據(jù)《地下水動(dòng)力學(xué)》,完整潛水注水井公式:

        式中,Q為單井流量(m3/h);

        k為滲透系數(shù),根據(jù)試驗(yàn)成果水平滲透系數(shù)取6.51m/d;

        hw為井水位到底板的距離(m);

        H0為地下水位到底板的距離(m);R為影響半徑(m);

        rw為井的半徑,按0.25m計(jì)。

        3.2 經(jīng)驗(yàn)公式法

        根據(jù)《供水水文地質(zhì)手冊(cè)(第三冊(cè))》,在松散的含水層中灌水,單位回灌量一般小于抽水時(shí)的單位出水量。在細(xì)顆粒含水層中,單位回灌量是單位出水量的1/3至1/2。

        回灌井入滲計(jì)算成果見(jiàn)表4。

        表4 回灌井入滲成果表

        根據(jù)《供水水文地質(zhì)手冊(cè)(第三冊(cè))》,天津地區(qū)細(xì)砂、夾粉砂含水層井灌試驗(yàn)成果表明,當(dāng)靜水位埋深35~40m,回灌水位埋深25~35m,即水頭差10m左右時(shí)單井回灌量20~30m3/h。結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),本次采用偏保守的成果,即單井回灌入滲量為10m3/h。

        4 引滲回灌方式選擇

        回灌工程按照優(yōu)先利用已有工程、回灌與灌溉結(jié)合布置的原則,將渠道、回灌井入滲兩種回灌方式,按照采用單一或組合的回灌方案組合進(jìn)行比較,各方案比較成果見(jiàn)表5。

        表5 各方案比較表

        方案一(渠道入滲方案):以清西干渠、溹瀘河為回灌骨架,結(jié)合灌溉恢復(fù)中心試驗(yàn)區(qū)引水渠、喬村渠、清溹渠等作為回灌場(chǎng),若不滿足回灌要求局部擴(kuò)寬溹瀘河;

        方案二(回灌井入滲方案):以清西干渠、溹瀘河為回灌骨架,結(jié)合灌溉恢復(fù)中心試驗(yàn)區(qū)引水渠、喬村渠、清溹渠等作為回灌場(chǎng),若不滿足回灌要求在原中心試驗(yàn)區(qū)集中連片布置回灌井;

        方案三(結(jié)合方案):清淤疏浚清西干渠、溹瀘河、九支渠、中心試驗(yàn)區(qū)引水渠、喬村渠、清溹渠等河渠,將回灌井布置于河(渠)底??紤]回灌井與渠道入滲相互影響,回灌井入滲能力按80%計(jì)。

        由上表可知,在相同的回灌能力條件下,方案三大大節(jié)省了占地,投資較少,故確定南宮地下水庫(kù)回灌方案為井渠結(jié)合方式。

        5 結(jié)論

        (1)渠道自由滲流階段入滲能力較大,但持續(xù)時(shí)間較短。

        (2)回灌井入滲能力理論計(jì)算成果較經(jīng)驗(yàn)值偏大,取用時(shí)按偏安全考慮。

        (3)考慮庫(kù)區(qū)地層顆粒上細(xì)下粗的特點(diǎn),采用井渠結(jié)合的回灌方案有利于提高回灌效率。

        10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.022

        TV62

        B

        1672-2469(2014)12-0061-03

        徐寶同(1987年—),男,助理工程師。

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