劉雙喜

(金溝河流域管理局，新疆 沙灣 832100)

地下水埋藏深度深、儲量有限、水循環(huán)周期長。隨著城鎮(zhèn)工業(yè)化經濟的持續(xù)發(fā)展，利用取水構筑物集取河渠水等地表水，以及岸邊地下淺含水的方法越來越受到社會歡迎。滲管取水是一種比較復雜的地下取水構筑物，它利用埋設在地下含水層中帶孔眼的水平滲水管道，借助水的滲透、重力流截流集取地下水和河床潛流水作為給水水源，經過不同的構筑物通過輸水管及下游的調節(jié)構筑物，進行調節(jié)或進一步消毒后，供給用水戶。這種取水方式適用于含水層較薄的地帶，既可最大限度地集取地下水，又可起到一定的水質凈化作用。李曉[1]等在江河底部基巖中設置江底輸水平巷，通過滲流孔和基巖裂隙系統(tǒng)從河床底部集取滲透水的新技術，利用天然河床表層的滲濾作用，過濾了河水中的懸浮物及雜質，獲得了潔凈水源。

產水量和出水水質是否達到設計要求是衡量滲管(渠)成功與否的重要指標。劉持峰[2]等通過實驗分析了濾管長度對滲渠產水量的影響，根據實驗，并結合量綱分析，提出了濾管的長徑比經驗公式L/d=671，說明為了增加產水量并不能無限制延長滲管長度，明確了滲管產水量與滲管長徑比的關系，較好地指導了工程實踐，為降低滲管工程造價和推廣應用提供參考；劉持峰及劉煥芳等[3]還通過實驗研究了滲管產水量與濾管開孔率的關系，擬合出滲管產水量與滲管開孔率的經驗公式，表明在一定開孔率范圍內(適用范圍9%～20%)，滲管產水量與滲管開孔率成正比。鄭曉瑜[4]等通過實驗分析了河床砂厚度對滲管取水出水量及濁度的影響。張智雄等[5]通過實驗分析了不同濾料級配與滲管產水量之間的關系，結果表明，滲渠反濾層是防止河床土體滲透破壞的有效措施，是滲渠出水水質的重要保障。

影響滲管產水量的因素是多方面的，工程實施過程中，因特殊原因，為了增加滲管出水量而采取增加滲管的開孔率。在保證滲管結構強度的原則下，增加開孔率可增加滲管取水量。同管徑的滲管開孔方式不同，也能達到相同的開孔率。因此就有了相同的開孔率是采取全斷面開孔還是非全斷面開孔的問題。工程中常用的開孔方式有全斷面開孔和非全斷面(上部3/4或2/3斷面等)開孔。本文以影響滲管取水量的主要影響因素為切入點，分析滲管全斷面開孔下部孔眼對滲管取水量、出水水質、安全性及工程造價等性能方面的影響。

1 滲管取水類型及計算公式

1.1 滲管取水類型

滲管取水量主要受滲管上部反濾層滲透系數、河床含水層厚度、滲管長度、滲管直徑、滲管開孔率、河水深度、河床淤積以及河床地下水補給能力等情況影響[6]。為避免滲管受水流沖刷破壞，多將滲管埋設于河床下部砂礫料中4m以上的深度，且作為地下滲流的匯流中心，匯入滲管的水流經過輸水管道輸往下游。地下滲流匯入滲管后的管內水流為非均勻變量流，且沿程增加[7]。滲管取水量因埋設方式不同有所差異，計算公式也不盡相同。因滲管埋設位置的不同，滲管取水類型分為完整式和非完整式[8]。完整式滲管取水為滲管鋪設在河床砂礫石下部不透水的基巖上，非完整式滲管為滲管鋪設在河床砂礫石中，距河床底部的基巖還有一定的距離。

根據滲管取水的主要水源不同分為集取地下水(河床滲透水)為主(如圖1所示)、集取河床地表水為主(如圖2所示)和同時集取地下水及地表水(如圖3所示)三種情況。

圖1 集取地下水為主的滲管

圖2 集取地表水為主的滲管

圖3 同時集取地表水和地下水為主的滲管

1.2 滲管取水常用計算公式

集取地下水(或河床潛流水)為主的滲管出水量適用于裘布依計算式[8]：

完整式

(1)

當滲管兩邊進水時，則

(2)

非完整式

(3)

式(1)—(3)中，Q—滲管出水量，m3/d；L—滲管長度，m；K—滲透系數，m/d；H—含水層厚度，m；h—滲管內水深，m；R—滲管作用半徑，m；s—管內動水位至含水層水位之間的距離，m；qr—α、β函數值，可通過qr曲線圖查得；T—管底至隔水層底板的距離，m；c—滲管寬度之半，m；

集取地表水為主的滲管出水量適用于阿拉薇娜—努美諾夫計算式[8]：

(4)

同時集取地表水和地下水適用于阿維利亞諾夫計算式[8]：

完整式

(5)

非完整式

(6)

式(5)—(6)中，H—完整式含水層厚度，m；H1—非完整式中河流方面滲管底以上含水層厚度，m；H2—非完整式河灘方面滲管管內水位以上含水層厚度，m；h—渠內動水位厚度，m；s1—河流方面水位降落，m，s1=H1-h；s2—河灘方面水位降落，m，s2=H2-h；b—滲管直徑或寬度，m；L1、l—滲管中心距河水邊緣的距離；Q1—分水嶺方向地下水流量，m3/s；I—地下水的水力坡降，‰；A—反映滲管充滿度的系數；T—滲管底至含水層底板距離，m；c—滲管寬度一半；qr1—河流方向引來的流量，m3/s，α1，β1的函數；qr2—河灘方向引來的流量，m3/s，α2，β2的函數，與α1，β1的算法相同。

滲管取水工程通常會在滲管上部布置3—4層不同粒徑的濾料作為反濾層對入滲水流進行過濾。式(1)—(6)中滲透系數K為滲管上部反濾層和河床砂的綜合滲透系數[9]。

2 滲管取水量主要影響因素以及與全斷面開孔的關系

分析公式(1)—(6)可知，無論何種形式的滲管取水工程，滲管取水量的大小主要與滲管長度、滲透系數、滲管內外的水頭差或水頭平方差成正相關。

2.1 取地下水為主的滲管管內水深與取水流量之間關系

表1 取地下水為主的完整式滲管不同管內水深對應取水流量對照表

從表1和圖4計算結果可以看出：取地下水為主的完整式和非完整式滲管取水流量的大小均與管內水深成線性反比例關系。取地下水為主的滲管在取水初期，管內水位較低時，管內外水頭差較大，取水流量大。隨著取水進程的繼續(xù)，管內水位越來越高，管內外的水頭差也越來越小，滲管的取水能力也越來越小，管內水深越大，取水流量越小。圖2表明：取地下水為主的非完整式滲管取水流量的大小與水位抽降成反比關系，與滲管內外水頭平方的差值成正比關系，反映了滲管取水流量的大小與管內水深成反比例關系，即滲管內外的水頭差越大，滲管的取水能力越強，滲管內外水頭差越小，滲管的取水能力越小。

圖4 非完整式滲管管內水深、水位抽降值S、滲管的內外水頭平方差與取水流量Q2關系

2.2 取地表水為主的滲管管頂水頭Hy與取水流量Q值的關系

根據實際含水層厚度、取水層滲透系數、管頂以上水頭Hy和qr等參數，由公式(4)可以計算出取地下表水為主的完整式和非完整式滲管不同管頂水頭與取水流量之間的關系，計算結果分別見表2—3。

從表2—3計算結果可知，取地表水為主的滲管在一定埋深情況下，滲管取水量的大小與管頂以上水頭成線性正比例關系。管頂以上水頭越大，取水量就越大[10]。在工程實踐中，應盡可能將滲管布置在靠近河道主流或河道水深較大的地方，以增加滲管的取水量，或在滲管下游設置截滲墻、潛水壩或者閘設施，以增加滲管管頂以上水頭，從而增加滲管的取水能力。

2.3 滲管取水量大小與全斷面開孔的關系

綜上所述，取地下水與取地表水為主的完整式和非完整式滲管的取水量大小均與管內水深成反比例線性關系，即管內水深越大，滲管的取水能力越小，滲管取水初期，管內水深越小，滲管的取水能力越大。這也符合伯努利方程，因管內水深越大，滲管內外的水頭差越小，管外水流向管內運動的動能越小，取水能力就越弱，相反，取水能力就越強。取地表水為主的滲管取水能力與管頂以上水頭呈線性正比例關系，管頂水頭越大，滲管的取水能力越大[11- 12]，管頂水頭越小，滲管取水能力越小。無論是取地表水還是取地下水為主，滲管的取水能力大小均與滲管的全斷面開孔與否無必然關系。

3 滲管管身下部開孔對取水量、出水水質、工程安全及造價的影響

3.1 滲管下部孔眼滲入的水量對滲管全斷面的滲入水量可忽略不計

滲管一般安放在各向同性介質的砂礫石河床下部，地下水必定沿著垂直于等水頭線即水頭變化最大的方向運動。在沒有水頭差情況下，地下水滲流運動一般做微小流速層流運動。在滲管取水初期，滲管外反濾料凈儲水為飽和狀態(tài)時，因管外水位高、壓力大，管外水流向管內滲入。根據滲透理論可知，當滲管內下部充滿水流時，管外滲透水流不可能通過與管內等水位孔眼由外向內滲入。在滲管安放初期，因管外儲水層中水流由外向內入滲流量小、歷時短，所以入滲量很小。工程建設中，滲管多為3/4或2/3斷面開孔，底部留出1/4或1/3斷面不開孔。全斷面開孔滲流取水，下部1/4或1/3斷面的孔眼面積只占到全斷面1/4或1/3，在滲管取水初期短歷時期間，下部1/4或1/3斷面取水量只占到初期短歷時期間取水量的1/4或1/3。因此滲管下部1/4或1/3斷面開孔取水量相比全斷面、全歷程滲入水流水量總和可忽略不計。

表2 取地表水為主完整式滲管Hy與Q值關系對照表

表3 取地表水為主的非完整式滲管管頂水頭Hy與取水流量Q關系對照表

3.2 含水層水位低于管底時，下部孔眼會減小滲管出水量

滲管埋設在河床下部，形成了以滲管為中心的滲透水流的匯源中心。在實際滲流過程中，根據地下水滲流定律可知，滲流總是朝著勢能差最大的方向運動[13]。滲管安放初期，周圍床料中的存儲水會從滲管周圍共同向滲管匯流，滲管外側的滲透水流在床料中的滲透流速很小，基本呈層流微小流速狀態(tài)。隨著滲管周圍床料中初期的凈存儲水水位逐漸下降，因管內水流的存在，滲管中下部已停止了由外向內的入滲，管外水流從滲管中上部向滲管匯流。通過滲管中上部的滲流差大于相同斷面滲管底部內外水流的滲流差，因此，滲管中上部滲入管內水流的流速大于下部滲入水流的流速，且呈現滲管上部入滲速度大于中部入滲速度，中部入滲速度大于下部入滲速度。滲管中上部滲入管內的水流下落至管內時，滲管中下部僅滲入管內底部少量的水流。滲管中上部的滲透水流下滲到滲管底部以管流的形式向下游輸水的同時，也在通過滲管下部的孔眼向滲管下部土層的孔隙外滲，直至滲管中下部土層中的孔隙被外滲水流完全充滿，且水位與管內水位相同為止。也就是說，在滲管周圍濾層中的凈儲水量被滲管大部分取走時，滲管下部的孔眼是上游滲入管內水流的外滲通道，會減小滲管的出水量。

3.3 非完整取水時，下部孔眼會增加出水濁度，影響工程安全和使用壽命

滲管埋設在砂礫石基面上，由于滲管自重及上部荷載的原因，有向下運動的趨勢?？籽巯虏康纳暗[料受擠壓作用，細料會逐漸被動充滿滲管下部的孔眼，甚至進入滲管內部。在外部水流通過下部孔眼滲入管底的作用下，砂礫料中的細顆粒泥沙會隨著水流進入滲管內部。在上游管內水流向下游流動的過程中，對下部孔眼中的泥沙有吸力的作用，會加速孔眼下部泥沙進入滲管內部的趨勢。泥沙進入滲管內部會增加滲管出水濁度，嚴重時，會造成滲管下部砂礫料的空洞，對滲管取水工程安全和使用壽命造成影響。

3.4 管身下部開孔對滲管造價影響較大

滲管開孔一般選取3/4或2/3斷面開孔，如果全斷面開孔，比3/4或2/3斷面開孔要多開1/4或1/3。以鋼滲管為例，直徑為1.2m，壁厚12mm的鋼滲管，全斷面開孔，孔徑0.18mm，孔間距5cm，滲管造價4800元/m，相同類型的鋼管造價僅2500元/m。這說明制作滲管工作中，開孔及防腐的費用占滲管造價的50%左右(因工程取水量要求不同，滲管開孔率不同，開孔費用的占比略有不同)。因此，如果滲管按照3/4或2/3斷面開孔，每米成本可節(jié)約12.5%～16.7%，工期縮短10%左右，性價比高，效益明顯。

4 結論

以影響滲管取水量的主要影響因素為切入點，全面分析了影響滲管取水的主要因素，具體結論如下：

(1)特定河段，滲管取水量的大小與全斷面開孔與否無必然關系；滲管下部孔眼短歷時滲入的水量相比全斷面、全歷時的滲入水量可忽略不計。

(2)地下水位低于管底時，下部孔眼是滲入水流的外滲通道，會使?jié)B管出水量減??；還會增加滲管取水的出水濁度，甚至危及工程安全。

(3)管身下部不開孔，每米造價可節(jié)約12.5%～16.7%，經濟效益明顯；滲管取水采取非全斷面上部(上部3/4或2/3)開孔可滿足滲管取水的水質、水量及工程安全要求，有較高的性價比，對縮短滲管制作周期、降低工程造價意義重大。