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        河床潛流水在福建省的開發(fā)與應(yīng)用前景分析

        2020-08-17 08:49:34劉志威
        水資源開發(fā)與管理 2020年7期
        關(guān)鍵詞:潛流卵石河床

        劉志威

        (福建省水利水電工程質(zhì)量技術(shù)站,福建 福州 350001)

        河床潛流水是指賦存于河床天然砂卵石含水層中的地下流動的水體,其來源是河水的垂直補(bǔ)給和邊岸地下水的側(cè)向補(bǔ)給,由于其與河流的水位差,在河床中有一定的流動性,所以稱其為河床潛流水,見圖1。河床潛流水具有儲量豐富、水質(zhì)良好和水溫穩(wěn)定的特點(diǎn),是天然的“地下水庫”,可廣泛用于城市供水系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)。由于河床潛流水所儲位置的特殊性,僅在四川、重慶、遼寧等地有少量開發(fā)[1],至今沒有大規(guī)模的開發(fā)利用,在福建省的開發(fā)利用更是空白,隨著福建省城鄉(xiāng)供水一體化的開展,河床反向滲濾取水工藝的應(yīng)用,大規(guī)模開發(fā)利用河床潛流水成為可能。

        圖1 河床潛流水示意圖

        1 河床反向滲濾取水工藝

        河床反向滲濾取水工藝由陳臺智、周志彰[2]在1995年首次提出,是通過在河床下營造反向取水系統(tǒng),將符合標(biāo)準(zhǔn)的河床潛流水取出地表的一種新型取水技術(shù)。河床反向滲濾取水工程主要由取水豎井、江底隧道(輸水平巷)、匯水硐室、滲濾孔群和控制反沖系統(tǒng)構(gòu)成。工程利用水泵在豎井中抽水形成降深,降低河床砂卵石含水層水頭,在河水壓力差的作用下使河水下滲,同時經(jīng)過河床表層的生物泥膜或?yàn)V膜的凈化獲得清潔的水資源[3-4]。工藝示意圖見圖2。

        圖2 河床反向滲濾取水工藝

        2 河床潛流水的開發(fā)特點(diǎn)

        河床潛流水賦存于各個江河湖泊以下的天然砂卵石層中,儲量十分豐富,形成了一個龐大的天然地下水庫,采用河床反向滲濾取水技術(shù)開采河床潛流水的適用條件及特點(diǎn)如下。

        2.1 適用條件

        河床反向滲濾取水技術(shù)適用條件如下[4]:

        a.取水段河流須保持一定流速,以自動更新河床底濾膜避免淤塞。

        b.砂卵石濾床須有足夠厚度,以保障滲濾水水質(zhì)。

        c.具有良好的工程地質(zhì)條件,有較完整的砂卵石層下伏巖層。

        2.2 取水位置

        河床下砂卵石含水層面積大,河床潛流水主要來自江河湖泊的直接補(bǔ)給,地表水下滲量大,受氣候、季節(jié)影響較小,補(bǔ)給源豐富穩(wěn)定,其淺層河床潛流水資源十分豐富。

        2.3 取水水質(zhì)

        江河水經(jīng)過一定厚度的砂卵石層的天然過濾形成河床潛流水,通過河床含水層超慢濾(垂直入滲速度約0.02~0.04m/h)的過濾凈化作用,取水水質(zhì)優(yōu)良,可達(dá)到國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

        2.4 淤塞處理

        采用滲濾取水技術(shù)開發(fā)河床潛流水時,由于采用“超慢濾”的滲透取水方式、保障濾床天然結(jié)構(gòu)的施工方式以及控制江水入滲速度和過濾器進(jìn)水速度的設(shè)計理念,加之江河水流的季節(jié)變換對濾床表層泥膜起到?jīng)_刷和更新作用,取水濾床的淤塞速度非常緩慢。

        同時工程結(jié)構(gòu)上引入了傳統(tǒng)取制水工藝中的反沖理念,在工程設(shè)置了一套取水濾床反沖系統(tǒng),可以定期對取水濾床進(jìn)行氣水反沖洗,恢復(fù)過濾器的進(jìn)水性能,保持工程產(chǎn)水量的穩(wěn)定。

        2.5 水溫條件

        根據(jù)已建滲濾取水工程常年的水溫監(jiān)測資料,河床潛流水的水溫條件良好。整體水溫條件介于地下水和地表水之間,夏季月平均水溫遠(yuǎn)低于地表水溫,冬季月平均水溫又遠(yuǎn)高于地表水溫。

        2.6 工程造價

        采用滲濾取水技術(shù)開采河床潛流水時,即完成取水和制水的全部工序(取制水一體化),主要取水構(gòu)筑物位于河床以下,充分利用地下空間,比常規(guī)地表水廠節(jié)省地表占地面積80%~90%,取、制水部分的工程較常規(guī)地表取制水工藝建設(shè)費(fèi)用節(jié)省30%左右。

        2.7 運(yùn)行管理

        因制水工序已在地下井內(nèi)全部完成,無須地表較復(fù)雜的制水程序。其運(yùn)行成本自然低廉,較常規(guī)地表取制水工藝低10%~20%。

        生產(chǎn)集中、運(yùn)行工序少、管理環(huán)節(jié)少、自動化程度高、員工勞動強(qiáng)度低,利于進(jìn)行全面的智能化網(wǎng)絡(luò)管理,營造舒適的新型現(xiàn)代化水廠工作環(huán)境。

        2.8 環(huán)保效益

        采用滲濾取水技術(shù)開采河床潛流水時,無生產(chǎn)廢水及反沖洗污泥排放;生產(chǎn)采用深井潛水泵置于井底水中運(yùn)行,生產(chǎn)靜音效果好;無航道和行洪障礙構(gòu)筑物,環(huán)境效益突出。同時具有很強(qiáng)的抗環(huán)境突發(fā)性污染事件和持續(xù)污染事件的能力。

        由以上可見,采用河床反向滲濾取水技術(shù)開采河床潛流水具有水量大、水質(zhì)好、防淤塞、水溫優(yōu)良、占地少、造價低、運(yùn)行成本低、管理簡單和環(huán)保效益顯著等特點(diǎn),在城鄉(xiāng)供水工程中有著廣大的應(yīng)用前景。

        3 福建省開發(fā)利河床潛流水的適宜性

        福建省地處東南沿海,與臺灣隔海相望,陸地的平面形狀仿佛一個傾斜的長方形,不僅是我國重要的出海口,也是我國同世界交往的重要窗口。根據(jù)河流發(fā)育情況及水資源現(xiàn)狀,福建省在開發(fā)利用河床潛流水方面是具有一定優(yōu)勢的。

        3.1 水資源條件

        福建省水系密布,河流眾多,河網(wǎng)密度達(dá)0.1km/km2。除了汀江流入廣東,交溪(賽江)發(fā)源于浙江,福建省其余河流都發(fā)源于省內(nèi),且在本省入海。福建省有683條河流流域面積在50km2以上,主要有五江一溪,分別是閩江、九龍江、晉江、交溪(賽江)、汀江和木蘭溪。省內(nèi)地表水資源儲量為1054.23億m3,年徑流深851.2mm。福建省水系概況見表1。

        表1 福 建 省 水 系 概 況

        《2018年福建省環(huán)境狀況公報》顯示福建省主要河流水質(zhì)總體狀況為優(yōu)良,Ⅰ~Ⅲ類優(yōu)良水質(zhì)比例為95.8%,特別是閩江水質(zhì)優(yōu)良,Ⅰ~Ⅲ類優(yōu)良水質(zhì)比例達(dá)到 100%。

        由此可見,福建省的水系發(fā)育,水資源豐富,水質(zhì)優(yōu)良,具有豐富和穩(wěn)定的補(bǔ)給水源條件,同時河流水流速度較大,對河床表面有較好的沖刷抗淤作用,為河床潛流水提供了良好的水量保證,對工程的長期運(yùn)行具有先天的保障。

        3.2 天然河床條件

        福建省主要河流發(fā)育有大量的河漫灘和河心灘,松散堆積物多為粗砂、中細(xì)砂、細(xì)砂和卵礫石,沿河堆積至出???。在河流中下游松散堆積層厚度一般在20~30m之間,以中細(xì)砂為主,砂卵石層天然條件良好。

        福建省河床下含水層分布面積廣、河道及漫灘內(nèi)分布連續(xù)、發(fā)育穩(wěn)定。砂卵石層厚度較大,級配和滲透性均較好,有利于創(chuàng)造低強(qiáng)度取水環(huán)境,為河床潛流水提供了良好的天然濾床條件。

        3.3 工程地質(zhì)條件

        福建省地層發(fā)育,自上太古界至第四系均有出露。巖石類型比較復(fù)雜,變質(zhì)巖與沉積巖的總和約占全省陸地總面積的1/3。福建地區(qū)地表出露主要為巖漿巖和變質(zhì)巖,碎屑巖類較少,出露面積占總面積的92.4%,下伏基巖條件良好,適于新奧式施工法采用滲濾取水工藝開采河床潛流水。

        3.4 氣溫與水溫條件

        a.福建省光照充足,年平均氣溫為17~21℃;降水豐富,平均降雨量為1400~2000mm。中亞熱帶氣候分布在閩東北、閩北及閩西,南亞熱帶氣候分布在閩東南沿海地區(qū),氣候區(qū)域差異較大,各氣候帶內(nèi)水熱條件的垂直分異也較明顯。

        b.水溫條件良好,以福州為例,福州市1953—2016年夏季最高氣溫平均值為34.5℃,冬季最低氣溫平均值為8.5℃,閩江福州段長年平均水溫19~23℃,其中夏季20~30℃,冬季6~16℃。

        福州地區(qū)地下水的水溫接近多年平均氣溫,而潛流水由于補(bǔ)給途徑較短,受地表水溫度變化的一定影響,其變化范圍應(yīng)在年平均氣溫到年平均水溫之間,整體溫度介于地表水和地下水之間,取水能耗低,十分適宜水源熱的開發(fā)利用[5]。

        從以上可見,福建省河流眾多,水資源豐富,水流速度較大;砂卵石層天然條件良好;地質(zhì)條件適宜;氣溫與水溫條件良好,符合河床反向滲濾取水工藝適用條件。同時,福建省正大力推進(jìn)城鄉(xiāng)供水一體化建設(shè)試點(diǎn),著力構(gòu)建規(guī)模化供水工程,機(jī)遇難得,因此采用河床反向滲濾取水工藝在福建開發(fā)利用河床潛流水應(yīng)用前景廣闊。

        4 結(jié) 語

        綜合以上分析,利用河床反向滲濾取水工藝在福建開發(fā)利用河床潛流水,在城鄉(xiāng)供水系統(tǒng)中和水源熱泵系統(tǒng)中應(yīng)用是可行的,同時具有以下優(yōu)勢:

        a.福建省水資源量十分豐富,天然濾床分布面積較廣,江河水經(jīng)一定厚度的天然砂卵石層過濾形成河床潛流水,不僅儲水量大而且水質(zhì)優(yōu)良,是一個天然的“地下水庫”,可以滿足城市供水系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)的水量和水質(zhì)要求。

        b.以河床潛流水用于城鄉(xiāng)供水,具有水量穩(wěn)定、水質(zhì)優(yōu)良、取制水一體化、運(yùn)行成本和工程造價低的優(yōu)點(diǎn),同時具有防洪、防災(zāi)和良好的抗震性能。

        c.相關(guān)工程的實(shí)際監(jiān)測資料表明,河床潛流水的水溫條件良好,與地下水水溫條件相似,可滿足水源熱泵小流量大溫差的節(jié)能需求。

        d.以河床潛流水用于水源熱泵避免了地下水水量受限、水質(zhì)惡化、回灌淤塞和占地分散等諸多問題,也解決了地表水泥沙含量高、水溫波動大和占地面積大等問題,同時工程造價和運(yùn)行成本比較低廉。

        河床潛流水為尚未大規(guī)模開發(fā)利用的淺層水資源。采用河床反向滲濾取水工藝進(jìn)行開發(fā)利用,具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境效益,符合節(jié)能減排的國策,在福建省有良好的應(yīng)用前景。

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