， ， ， ，

(濟(jì)南大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250022)

關(guān)于井損的研究，目前主要集中在回灌井井損以及井損對(duì)于水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算。洪乃靜等[8]根據(jù)潛水含水層穩(wěn)定流多落程抽水實(shí)驗(yàn)所取得的關(guān)系曲線，推導(dǎo)出了潛水含水層井損計(jì)算公式，并結(jié)合實(shí)例闡述了潛水含水層中穩(wěn)定流抽水實(shí)驗(yàn)井損的計(jì)算方法。高海東[9]則通過(guò)分析抽水實(shí)驗(yàn)過(guò)程中井損產(chǎn)生的原因，運(yùn)用水位動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中的井損計(jì)算方法，提出了理想降深與實(shí)際降深的經(jīng)驗(yàn)公式。肖有才等[10]利用帶觀測(cè)孔的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，直接確定了回灌井井損的合理步驟與方法，并提出了減小井損的合理步驟和方法。姬永紅等[11]通過(guò)水文地質(zhì)數(shù)值模型中對(duì)井損的模擬計(jì)算，既不需要直接求取井損值，又避免了因井損值誤差而導(dǎo)致預(yù)報(bào)結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題。Chachadi等[12]利用離散影響函數(shù)核系數(shù)的方法，分析了在承壓含水層非穩(wěn)定流的井徑經(jīng)驗(yàn)井損問(wèn)題。本文中的研究成果，對(duì)分析反濾回灌井口井損和計(jì)算反濾回灌井單井回灌量，具有理論探討價(jià)值和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 反濾回灌井口的井損

1.1 反濾回灌井口

反濾回灌井由普通的回灌井和反濾回灌井口組成， 反濾回灌井口安裝在回灌井的頂部。 反濾回灌井口有2種類型， 即方形井口和圓形井口, 如圖1所示。

裝有反濾回灌井口的回灌井的特點(diǎn)是：1)具有雨洪自滲回灌的功能，豐水季節(jié)回灌量大；2)利用土工布反濾，可以有效地對(duì)回灌水進(jìn)行凈化；3)維修更換方便。

(a)方形井口(b)圓形井口圖1 反濾回灌井口示意圖

1.2 反濾回灌井口的井損

反濾回灌井口會(huì)在井口上鋪設(shè)一層土工布，是用于過(guò)濾水中雜質(zhì)，因此，水流通過(guò)井口井壁從而產(chǎn)生的局部井損。該井損包含了兩部分，一是土工布產(chǎn)生的局部井損，二是井口井壁產(chǎn)生的局部井損。水流進(jìn)入井口內(nèi)部后，由水平流變?yōu)榇怪绷?，水流方向改變也產(chǎn)生一定的局部井損。反濾回灌井口所產(chǎn)生的局部井損，減小了反濾回灌井的單井回灌量。

2 井損實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)?zāi)M水流進(jìn)入反濾回灌井口的過(guò)程，并通過(guò)測(cè)量不同過(guò)水?dāng)嗝娴乃^來(lái)分析井損。實(shí)驗(yàn)裝置采用有機(jī)玻璃制作，為一“L”型方形管道，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)裝置在中間部分放置了可拆卸的擋板，用來(lái)模擬反濾回灌井口的井壁，如圖3所示。裝置后面采用一個(gè)90°的彎角，用來(lái)模擬井口內(nèi)部水流從水平流轉(zhuǎn)為垂直流， 在擋板兩側(cè)以及90°彎角兩側(cè)各放置一個(gè)測(cè)壓管，用來(lái)測(cè)量位于擋板以及90°彎角兩側(cè)的測(cè)壓管水頭。實(shí)驗(yàn)裝置的兩端分別設(shè)有進(jìn)水孔和出水孔，在出水孔處安裝閥門，通過(guò)調(diào)整閥門的開(kāi)口來(lái)控制水流的大小。

圖2 室內(nèi)井損實(shí)驗(yàn)裝置

(a)圓形擋板

(b)方形擋板圖3 擋板與固定裝置的結(jié)合圖

2.2 井損計(jì)算

實(shí)驗(yàn)裝置縱剖面圖，如圖4所示。在通過(guò)井壁以及90°彎角的地方各截取一段水流，位于井壁兩側(cè)的過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e分別為S1、S2，過(guò)水?dāng)嗝娴男涡牡交鶞?zhǔn)面的高度分別為Z1、Z2；位于90°彎角兩側(cè)的過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e分別為S3、S4，過(guò)水?dāng)嗝娴男涡牡交鶞?zhǔn)面的高度分別為Z3、Z4。

2個(gè)過(guò)水?dāng)嗝骈g的能量變化，可以用伯努利方程來(lái)表示，

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置縱剖面圖

(1)

在圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置中，由于管道斷面尺寸未發(fā)生變化，因此管道流速可近似看作相等，而井壁2個(gè)過(guò)水?dāng)嗝?A1和A2)之間、90°彎角2個(gè)過(guò)水?dāng)嗝?A3和A4)之間的局部井損計(jì)算如下：

hw1-2=P1-P2

，

(2)

hw3-4=Z4+P4-Z3-P3

。

(3)

2.3 井損實(shí)驗(yàn)方案

模擬水流通過(guò)井口的過(guò)程，擬進(jìn)行6個(gè)井損實(shí)驗(yàn)：圓形擋板(模擬圓形反濾回灌井口井壁)井損實(shí)驗(yàn)，擋板開(kāi)孔率分別為20%、10%、5%；方形擋板(模擬方形反濾回灌井口井壁)井損實(shí)驗(yàn)，擋板開(kāi)孔率分別為20%、10%、5%。實(shí)驗(yàn)中采用的回灌水頭為120 cm。為了進(jìn)行對(duì)比分析，部分實(shí)驗(yàn)方案中(包含2種不同形狀的擋板)，分別做了回灌水頭為80、40 cm的井損實(shí)驗(yàn)。

3 反濾回灌井口井損實(shí)驗(yàn)

3.1 井損實(shí)驗(yàn)

井損實(shí)驗(yàn)利用給水箱提供穩(wěn)定的回灌水頭，通過(guò)控制出水孔上閥門的開(kāi)度控制水流流速。實(shí)驗(yàn)時(shí)，水流由實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)水孔流入，然后依次通過(guò)擋板、90°彎角，最后從出水孔流出。在流速相同的情況下，擋板兩側(cè)過(guò)水?dāng)嗝娴牧魉偎^是一致的，其測(cè)壓管的高度即為測(cè)壓管的水頭高度。根據(jù)伯努利方程，在擋板兩側(cè)的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e以及流速相同的情況下，兩者差值即為測(cè)壓管水頭高差，兩側(cè)的測(cè)壓管水頭差即為局部井損；對(duì)于90°彎角，水流的流速水頭是一致的，兩側(cè)測(cè)壓管高度差和位于90°彎角兩側(cè)的過(guò)水?dāng)嗝娴闹行奈恢孟鄬?duì)于基準(zhǔn)面的高度差，兩者之和即為局部井損。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在回灌水頭為120 cm以及在井口上鋪設(shè)土工布的情況下，不同形狀(方形、圓形)和不同開(kāi)孔率(20%、10%、5%)的擋板產(chǎn)生的局部井損與流速的關(guān)系如圖5所示。在回灌水頭為120 cm時(shí)，井損實(shí)驗(yàn)中通過(guò)方形和圓形擋板的最大流量分別為14.4、 14.8 L/min，其中開(kāi)孔率20%的擋板產(chǎn)生的局部井損如表1所示。井口內(nèi)部90°水流轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的局部井損如表2所示。 不同開(kāi)孔率的方形擋板產(chǎn)生的局部井損對(duì)比如圖6所示，不同開(kāi)孔率的圓形擋板上的土工布所產(chǎn)生的局部水頭損失與流速的關(guān)系見(jiàn)圖7。

(a)開(kāi)孔率20%

(b)開(kāi)孔率10%

(c)開(kāi)孔率5%圖5 擋板兩側(cè)流速與局部井損關(guān)系表1 不同形狀擋板的局部井損

擋板類型(開(kāi)孔率20%)井損/cm方形擋板5.7圓形擋板2.8

表2 90°彎角的局部井損

圖6 方形擋板不同流速下開(kāi)孔率與局部井損的關(guān)系

圖7 土工布引起的局部井損與流速的關(guān)系

4 結(jié)果分析與討論

4.1 井口類型對(duì)井損的影響

在井損實(shí)驗(yàn)中，采用了圓形和方形2種類型擋板，模擬流速相同的水流從井口的一個(gè)側(cè)面通過(guò)井壁。由圖5與表1可知：

1)在回灌水頭為120 cm的情況下，水流通過(guò)圓形和方形擋板的局部井損(擋板兩側(cè)測(cè)壓管的高差)，隨著流速增大而增大，說(shuō)明水流通過(guò)圓形和方形擋板的局部井損與流速成正比。

2)方形擋板產(chǎn)生的局部井損始終大于圓形擋板產(chǎn)生的局部井損，圓形擋板產(chǎn)生的平均局部井損是方形擋板的51%，這說(shuō)明反濾回灌井口的形狀影響井損。究其原因，實(shí)驗(yàn)中方形擋板的面積為100 cm2，而圓形擋板面積為157 cm2，雖然管道橫斷面積一樣，但通過(guò)擋板過(guò)流面積不一樣，圓形面積大則局部井損相對(duì)較?。煌瑫r(shí)，相對(duì)于方形反濾回灌井口，圓形反濾回灌井口的圓形斷面形狀使得水流流態(tài)比較順暢，因此產(chǎn)生的局部井損較小。

4.2 井口內(nèi)部水流方向改變產(chǎn)生的井損

井口內(nèi)部由于水流方向從水平流變?yōu)榇怪绷鳎?產(chǎn)生了局部井損。 由表2可知， 在回灌水頭為40、 80、 120 cm的條件下， 90°彎角產(chǎn)生局部井損分別是0(受限于測(cè)量精度而未測(cè)出)、 0.1、 0.3 cm， 因此可以得出結(jié)論： 在井口內(nèi)部， 由于水流方向改變而產(chǎn)生的90°彎角局部井損， 與回灌水頭有關(guān)， 回灌水頭越大， 井損越大， 而且與回灌水頭是一個(gè)非線性關(guān)系。

4.3 反濾回灌井口開(kāi)孔率對(duì)于井損的影響

從圖6可以看出：在流速以及回灌水頭相同的條件下，開(kāi)孔率為20%的方形擋板產(chǎn)生的局部井損，始終大于開(kāi)孔率為10%的方形擋板產(chǎn)生的局部井損；開(kāi)孔率為10%的方形擋板產(chǎn)生的局部井損，始終大于開(kāi)孔率為5%的方形擋板產(chǎn)生的局部井損。結(jié)果表明，隨著開(kāi)孔率的減小，擋板所產(chǎn)生的局部井損逐漸增大，而且擋板局部井損與井口開(kāi)孔率是一個(gè)非線性的比例關(guān)系。其原因是，隨著擋板開(kāi)孔率的增加，擋板上可以通過(guò)水流的面積也在不斷增加，在流量不變的情況下，導(dǎo)致流速不斷減小，從而產(chǎn)生的局部井損也在不斷減小。

4.4 土工布反濾料對(duì)井損的影響

為了分析土工布反濾料產(chǎn)生的局部井損，進(jìn)行了鋪設(shè)土工布擋板和不鋪設(shè)土工布(裸)擋板的對(duì)比實(shí)驗(yàn) ，分別測(cè)出兩種情況下的局部井損，從而得到土工布產(chǎn)生的局部井損。以圓形擋板為例，在回灌水頭為120 cm的情況下，土工布產(chǎn)生的局部井損如圖7所示。從圖中可以看出：

1)對(duì)于相同開(kāi)孔率的擋板，土工布產(chǎn)生的局部井損與水流流速成正比；

2)在相同水流流速下，土工布產(chǎn)生的局部井損隨著開(kāi)孔率的減小而增大，且增大的幅度在逐漸增大，并表現(xiàn)為一個(gè)非線性的比例關(guān)系；

3)對(duì)于開(kāi)孔率20%的擋板，土工布產(chǎn)生的局部井損的曲線變化幅度以及數(shù)值，相比于開(kāi)孔率10%與5%而言還是比較小的，因此工程上選用20%的開(kāi)孔率是適宜的。

4.5 井口局部井損分析

井口的局部井損主要包括3個(gè)部分，即土工布(反濾材料)產(chǎn)生的局部井損、井口井壁產(chǎn)生的局部井損、井口內(nèi)部水流方向改變產(chǎn)生的局部井損。另外，不同方向滲入井口水流的相互碰撞也會(huì)帶來(lái)一定的局部井損。

以圓形反濾回灌井井口為例，在回灌水頭為120 cm、開(kāi)孔率為20%時(shí)，圓形反濾回灌井口局部井損，如表3所示。

表3 圓形反濾回灌井口局部井損

由表2和表3可知：1)對(duì)于圓形反濾回灌井口， 土工布產(chǎn)生的局部井損約占總水頭的2.25%， 擋板(井壁)產(chǎn)生的局部井損約占總水頭的0.08%，水流90°轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的局部井損約占總水頭的0.25%，可見(jiàn)土工布是產(chǎn)生井口局部井損的主要原因；2)對(duì)于井口而言，水流90°度轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的局部井損基本不變，說(shuō)明其與井口類型無(wú)關(guān)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)反濾回灌井口井損的實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論和數(shù)據(jù)分析，可以得出如下結(jié)論：

1)對(duì)于同一種反濾回灌井口，其局部井損主要包括3部分，即土工布(反濾材料)產(chǎn)生的局部井損、井口井壁產(chǎn)生的局部井損和井口內(nèi)部水流方向改變產(chǎn)生的局部井損，其中，土工布是井口產(chǎn)生局部井損的主要原因。

2)對(duì)于開(kāi)孔率相同的反濾回灌井口，在相同回灌水頭的情況下，水流通過(guò)反濾回灌井口井壁的局部井損與流速成正比；圓形反濾回灌井口井壁產(chǎn)生的局部井損要小于方形反濾回灌井口井壁產(chǎn)生的局部井損，約為方形反濾回灌井口井壁的51%。

3)在回灌水頭和回灌流量相同的情況下，反濾回灌井口井壁產(chǎn)生的局部井損隨開(kāi)孔率的增大而減小，并表現(xiàn)為一個(gè)非線性的比例關(guān)系，20%的井口開(kāi)孔率是最適宜的。

4)對(duì)開(kāi)孔率相同的反濾回灌井口，土工布產(chǎn)生的局部井損與水流流速成正比；在水流流速相同的情況下，土工布產(chǎn)生的局部井損隨著開(kāi)孔率的減小而增大，且增大的幅度在逐漸增大，并表現(xiàn)為一個(gè)非線性的比例關(guān)系。

5)在反濾回灌井口內(nèi)部，由于水流方向改變產(chǎn)生的局部井損與回灌水頭有關(guān)，表現(xiàn)為非線性關(guān)系，回灌水頭越大，局部井損越大，回灌水頭越小，局部井損越小；反濾回灌井口內(nèi)部水流方向改變產(chǎn)生的局部井損，與井口類型無(wú)關(guān)。

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