周梅竹，李 曉，章 旭，羅 婷，江揚(yáng)波

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

1 概述

天然河床反向滲濾取水技術(shù)是一種誘使江河水下滲通過河床底部的砂卵礫石層，從而降低原水濁度的環(huán)保型取水凈水工藝技術(shù)，具有低成本、占地少、無污染等特點(diǎn)，其取水水質(zhì)和水量較為穩(wěn)定。

歷經(jīng)20余載的研究和發(fā)展，天然河床反向滲濾取水技術(shù)日趨成熟，但取水量的計算方法仍然以傍河取水等效公式、經(jīng)驗(yàn)公式或估算為主，水量計算并不準(zhǔn)確。由于專門針對天然河床反向滲濾取水的計算方法尚未成熟，天然河床反向滲濾取水技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)效益和可行性大受影響。故天然河床反向滲濾取水水量的計算方法是實(shí)際工程應(yīng)用中亟需解決的重要問題。本文以北票反向滲濾取水工程為例，通過對滲流場進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究，并利用模擬結(jié)果探討不同計算方法的適應(yīng)性，為補(bǔ)充和完善天然河床反向滲濾取水水量計算方法提供理論依據(jù)[1-4]。

2 滲流場室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置與材料

根據(jù)模擬相似的原則，模型設(shè)計盡量遵循幾何相似，運(yùn)動相似，動力相似的原則，試驗(yàn)裝置如圖1所示。將經(jīng)過篩分的標(biāo)準(zhǔn)石英砂(K=59.88 m/d)作為天然河床底部含水介質(zhì)，分層裝入槽中，裝樣過程中陸續(xù)注水浸泡和夯實(shí)，盡量保證砂樣密實(shí)、飽水。

同時在裝置的中部布設(shè)一個輻射取水孔，并將A1孔設(shè)置為水頭觀測孔。試驗(yàn)進(jìn)行時，通過測壓管觀測不同位置不同深度上的水頭值，了解滲流場的變化規(guī)律[5-6](見圖1)。

2.2 試驗(yàn)方法

(1)保持河水位及取水位置一定，調(diào)節(jié)抽水控制開關(guān)，以不同取水強(qiáng)度進(jìn)行模擬取水，記錄不同時間段其余測壓管的水頭值、取水管取水量。

(2)改變2次取水位置，重復(fù)步驟(1)。

(3)將河水位降低，與砂樣層持平，注水方式改為左右兩側(cè)同時進(jìn)水，并保持兩側(cè)水箱的水位穩(wěn)定。將取水強(qiáng)度調(diào)節(jié)至最大，觀測、記錄不同時間段測壓管的水頭值、取水管取水量。

圖1 室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置三維示意圖

2.3 結(jié)果分析

試驗(yàn)?zāi)M不同條件下的滲流場變化過程如表1，其中第10次模擬潛水狀態(tài)下取水。同時選取濾床底部作為測壓管水頭的變化基準(zhǔn)面。

由表1可得，模擬試驗(yàn)中河床水位為61.0 cm時，取水部位在20～30 cm范圍時取水量最大，為 24.0～27.5 L/min;取水部位在35～45 cm范圍次之，為 13.0～17.5 L/min;而取水部位在 5～15 cm范圍時最小，為 10.5～16.0 L/min。河床水位為55.0 cm時，取水量僅為2.9 L/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前面9次的取水量。

通過分析10組不同方案的測壓管數(shù)據(jù)及取水口的取水量變化特征分析，得出以下結(jié)論:

(1)當(dāng)模擬河流水位與介質(zhì)層持平，取水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水位高時的取水量，其主要原因是含水介質(zhì)在無上覆水體的情況下，處于傍河取水狀態(tài)，主要依靠兩側(cè)水箱的定水頭補(bǔ)給，缺少河床水的垂向入滲補(bǔ)給，出水量銳減，僅為相同條件下水位高時的18.1%。

(2)第1次和第8次試驗(yàn)取水位置與第二行測壓管垂向等距，取水量相近，但第二行測壓管第1次降深較第8次小。這是由于后者在抽水的同時抽取了部分河水下滲補(bǔ)給量，從而減小降深。因此，取水部位不同對滲流場的影響較明顯。

(3)通過分析一系列的 X-Y平面水頭情況可得，距取水濾管相同距離的情況下，距進(jìn)水口較近的觀測管水頭值較大，主要由距進(jìn)水口較近的地下水在接受補(bǔ)給后，在重力及橫向水頭差兩者的綜合作用下作向下和向側(cè)向的“斜向”運(yùn)動，相對優(yōu)先獲得補(bǔ)給，其水頭值相對偏大。

表1 室內(nèi)滲流場模擬試驗(yàn)情況一覽表

3 模擬試驗(yàn)取水量計算

通過采用大口井法、滲渠類比、垂向入滲系數(shù)法及輻射井公式替換法四種數(shù)學(xué)解析計算法對模擬試驗(yàn)中不同取水部位的取水量進(jìn)行計算，從而分析不同計算方法在反向滲濾取水工程中的適用性。

3.1 大口井法

大口井傍河取水工藝的取水量計算方法已經(jīng)成為目前評價傍河取水工程取水量的主要計算方法之一。反向滲濾取水工程中每個取水硐室可以等效為井底井壁同時進(jìn)水的大口井，采用以下公式計算:

式中:K為滲透系數(shù);S為水位降深;r為大口井等效半徑;h為河水深度;l為過濾器的有效進(jìn)水長度。

計算結(jié)果如表2所示，用大口井計算公式對反向滲濾取水量進(jìn)行計算時由于反向滲濾工程取水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于河水的流量，河水位作為定水頭邊界，水位降深S取值較小，導(dǎo)致計算值較小，與實(shí)際取水量相差較大，計算的準(zhǔn)確性較差，實(shí)際應(yīng)用中往往給設(shè)計帶來困難。

表2 大口井法計算取水量結(jié)果對比表

3.2 滲渠類比法

天然河床反向滲濾取水工程的構(gòu)筑物埋設(shè)與滲渠傍河取水工藝類似，計算中可以將每個硐室向外延伸的輻射取水孔等效為滲渠。采用完整式滲渠的類比公式—阿拉維娜·努美諾夫公式對模擬試驗(yàn)場進(jìn)行計算:

式中:α為淤塞系數(shù);L為取水孔取水段長度;Hy為河流水面至取水孔頂深度;H0為豎井內(nèi)水位對取水孔處所施水壓;d為取水段在河床中的垂直高度;M為河床厚度;A取值可采用以下公式計算[7]:

表3 滲渠類比法計算取水量結(jié)果對比表

計算結(jié)果如表3所示，使用滲渠類比公式計算法計算所得值普遍較小，與實(shí)際出水量出入較大，計算出的三種取水部位的取水量相對大小與實(shí)際相反。因此，滲渠類比法在計算天然河床反向滲濾取水水量時具有一定的局限性。

3.3 垂向入滲法

天然河床反向滲濾取水中取水量補(bǔ)給以上覆地表河流的垂向入滲為主，河床底部砂卵礫石層中的地下潛流次之。因此，可采用河床垂向入滲解析式對反向滲濾取水水量進(jìn)行計算:

式中:K為河床滲透系數(shù);F取水影響面積;λ為垂向入滲系數(shù)，取0.20。在模擬試驗(yàn)中，在 X軸上取水孔距取槽邊界r為1.05 m，以取水孔為中心，入滲影響面積 F=πr2=3.46 m2。經(jīng)計算，垂向入滲水量 Q 為 28.78 L/min，與取水部位位于 0.20～0.30 m 時的取水量 27.5 L/min較為接近[8]。

3.4 輻射井公式替換法

輻射井傍河取水工藝中水平伸入河床底部的輻射管為全井段取水，與天然河床反向滲濾取水工程取水方式類似。因此，可用輻射井取水的解析法對模擬試驗(yàn)取水量進(jìn)行計算。

系數(shù)N0由式4-8計算得到:

式中:q為單根輻射取水孔出水量;K為滲透系數(shù);S為水位降深;L為取水孔取水段長度;M為含水層厚度;Z0為河床頂至輻射取水孔距離(m)[9]。

表4 輻射井公式法計算取水量結(jié)果

由表4計算結(jié)果可得，輻射井公式計算取水量值與試驗(yàn)出水量差距亦較大，但兩者均在取水部位為0.20～0.30 m時獲得最大取水量。在實(shí)際應(yīng)用輻射井法計算設(shè)計時，取水管位置埋深的合理性起著關(guān)鍵作用。取水管埋深過小，其上部水頭Z0較小，導(dǎo)致取水量較小;取水管埋深過大，由于河水下滲補(bǔ)給的滯后性，也可能會導(dǎo)致出水量的減少。

4 結(jié)語

本文以北票反向滲濾取水工程為原型，通過模擬不同取水位置下反向滲濾取水工程中取水量及滲流場的變化，進(jìn)一步加深對天然河床反向滲濾取水原理的認(rèn)識。同時利用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證大口井法、滲渠類比、垂向入滲系數(shù)法及輻射井公式替換法四種數(shù)學(xué)解析計算法在天然河床反向滲渠取水技術(shù)中取水量計算的適用性:

(1)通過對比取水層有無上覆水體的情況的取水量驗(yàn)證反向滲濾取水的出水量主要由河水的激發(fā)入滲所補(bǔ)給。抽水過程中取水部位埋深越小，受河水下滲補(bǔ)給影響，滲流場水頭降深越小;而越靠近取水口的位置受重力及橫向水頭差的綜合作用，相對優(yōu)先獲得補(bǔ)給，水頭值偏大。

(2)采用大口井法對模擬試驗(yàn)進(jìn)行水量計算時，將河水位看作定水頭邊界，水位降深S取值較小，導(dǎo)致計算值較小，與實(shí)際取水量相差較大。

(3)河流滲渠類比公式計算方法的計算值最小，并且滲渠類比公式的計算值與實(shí)測出水量相矛盾，該計算方法的實(shí)際運(yùn)用性不強(qiáng)。

(4)垂向入滲系數(shù)法的計算值與實(shí)測最大出水量較為接近，這是由于試驗(yàn)中含水介質(zhì)為均質(zhì)石英砂樣。在使用該公式對實(shí)際取水工程取水量進(jìn)行計算時，需明確含水層濾床的特性。

(5)輻射井公式替換法的計算值與實(shí)測出水量相差亦較大，但兩者均在相同的取水部位獲得最大取水量。實(shí)際應(yīng)用中合理的取水管埋深是控制河床輻射井出水量衰減進(jìn)程的關(guān)鍵。

[1]李曉.利用天然河床滲濾取水的新技術(shù)[J].中國給水排水.2003，(19).

[2]李曉.天然河床滲濾取水技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué).2003.5.

[3]黃爽兵.遼寧省北票市白石水庫滲濾取水工程適宜性研究[D].成都理工大學(xué).2007.11.

[4]王雪.北票市傍河水源地供水安全分析[D].河海大學(xué).2007.4.

[5]高宗軍，王世臣，李佳佳，等.均勻滲透流場中地下水運(yùn)動差異性沙槽試驗(yàn)研究[J].水文.2014，34(1).

[6]劉彥，梁杏，權(quán)董杰，等.改變?nèi)霛B強(qiáng)度的地下水流模式試驗(yàn)[J].地學(xué)前緣.2010，17(6):111-116.

[7]鄧方霞.滲渠取水的建議與計算[J].甘肅水利水電技術(shù).2002(3):36-38.

[8]江揚(yáng)波.北票反向滲濾取水工程取水量的計算方法研究[D].成都理工大學(xué).2014.6.

[9]陳鵬，王瑋.輻射井取水方式數(shù)值模擬方法[J].人民黃河.2013，35(4):48-50.