劉丹　石繼忠　李永業(yè)　孫西歡

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

關(guān)鍵詞：節(jié)水灌溉；滲濾取水；集水效能；滲流控制區(qū)；含沙水流

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

隨著農(nóng)田水利工程建設(shè)改造進(jìn)程的不斷加快，灌渠清淤疏浚問題受到眾多學(xué)者的關(guān)注。張慶華等綜合引黃灌區(qū)實(shí)際情況提出相應(yīng)的除淤工程措施。滲濾取水技術(shù)是針對當(dāng)前水資源環(huán)境差、開發(fā)利用率低等問題提出1種新型集水技術(shù)，在河流治理、分流技術(shù)上具有一定優(yōu)勢。在灌渠中合理布置滲濾集水系統(tǒng)，是一種投資成本低、建設(shè)難度小，且易于推廣的灌渠防淤技術(shù)。目前，滲流取水系統(tǒng)研究主要集中在水庫取水工程，以分析滲濾料系統(tǒng)的配比、過水壓力及承重壓力等為主，在灌渠中的應(yīng)用報道較少。本試驗(yàn)結(jié)合工程實(shí)踐設(shè)計出1種與農(nóng)業(yè)灌渠配套使用的大孔隙滲濾集水系統(tǒng)，分析滲流控制區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)置和含沙水流流經(jīng)特定厚度濾料層前后對系統(tǒng)集水效能的影響，旨在為該系統(tǒng)的工程設(shè)計和實(shí)踐運(yùn)行提供參考。

1材料與方法

1.1滲濾集水系統(tǒng)

滲濾集水系統(tǒng)的實(shí)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(jīng)過對實(shí)際工程的簡化和改進(jìn)，形成灌渠大孔隙滲濾集水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計模型（圖2），主要分為進(jìn)水段、滲水段和集水段3個部分。進(jìn)水段、集水段與灌溉渠道連接，滲流控制區(qū)由滲濾層、支撐板構(gòu)成，滲濾層采用通透性強(qiáng)、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(tǒng)采水段包括動力和供水系統(tǒng)，主要包括2臺IS-65-80-160型離心泵，2臺流量為40～50 m³/h、揚(yáng)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(jìn)入滲濾系統(tǒng)，在系統(tǒng)滲流控制區(qū)頂部安裝測壓表，通過壓力表控制進(jìn)水水頭大小，在集水段采用三角堰對滲入水流進(jìn)行測定（圖3）。

1.2試驗(yàn)方案

在總結(jié)工程實(shí)際滲濾系統(tǒng)滲水段參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，結(jié)合滲流理論和統(tǒng)計分析原理對試驗(yàn)方案參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，取3種級配均值濾料和3種厚度做正交試驗(yàn)，共9組（表1），每組試驗(yàn)在工作水頭3～13 m內(nèi)取不少于5個的測試點(diǎn)，分別測定清水條件9種參數(shù)配置下系統(tǒng)單位時間內(nèi)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(tǒng)，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(tǒng)的影響。由于含沙水流流態(tài)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(yàn)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(yàn)結(jié)束，對系統(tǒng)滲流控制區(qū)頂部清淤，再次進(jìn)行清水滲流試驗(yàn)，待滲流穩(wěn)定，對系統(tǒng)滲流效能進(jìn)行測定，并對系統(tǒng)淤塞前后的滲濾性能進(jìn)行對比分析。

2結(jié)果與分析

2.2相同濾料層厚度下系統(tǒng)淤塞前后的集水效能變化

為了更好地觀察滲流控制區(qū)相同濾料層厚度下系統(tǒng)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(tǒng)淤塞前后集水效能與工作水頭的關(guān)系。由圖6、圖7可見，滲流控制區(qū)濾料粒徑大小與系統(tǒng)的淤塞速度存在反相關(guān)關(guān)系，粒徑5～20 mm滲流系統(tǒng)的集水效能減小量比50～70 mm滲流系統(tǒng)減小量大。這主要是由于5～20 mm滲流系統(tǒng)孔隙小，其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)淤塞更為容易、迅速，濾料級配越小，滲流控制區(qū)濾料層頂部淤積層越厚，對平均滲濾系數(shù)的影響更加明顯。

2.3含沙水流過流時間對系統(tǒng)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(tǒng)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(jīng)減小到30%左右，當(dāng)含沙水流過流并運(yùn)行足夠長時間，系統(tǒng)的集水效能會越來越低。這是由于含沙水流對滲濾系統(tǒng)的孔隙造成堵塞和填充，且隨時間增加泥沙淤積越多，導(dǎo)致其平均孔隙率減小，滲濾能力降低。因此，可推定該系統(tǒng)對含沙水流有較好的濾凈效果。

3結(jié)論

試驗(yàn)表明，滲流控制區(qū)不同厚度濾料層的灌渠大孔隙滲濾集水系統(tǒng)取水效能不一，厚度越厚其效率越低，實(shí)際工程滲濾系統(tǒng)厚度確定應(yīng)通過其他方式控制取水效率；含沙水流過流前后系統(tǒng)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(tǒng)的淤塞有一定的清洗作用，但恢復(fù)效果欠佳；灌渠大孔隙滲濾集水系統(tǒng)的集水效能較高，對含沙水流有較好的濾凈效果，在應(yīng)用時應(yīng)定期清淤換料。