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(guó)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(guò)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(wú)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(jì)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(jì)算并不準(zhǔn)確。由于專門(mén)針對(duì)天然河床反向滲濾取水的計(jì)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(jì)算方法是實(shí)際工程應(yīng)用中亟需解決的重要問(wèn)題。本文以北票反向滲濾取水工程為例，通過(guò)對(duì)滲流場(chǎng)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(jì)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(jì)算方法提供理論依據(jù)[1-4]。

2 滲流場(chǎng)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(jì)盡量遵循幾何相似，運(yùn)動(dòng)相似，動(dòng)力相似的原則，試驗(yàn)裝置如圖1所示。將經(jīng)過(guò)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(guò)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(shí)在裝置的中部布設(shè)一個(gè)輻射取水孔，并將A1孔設(shè)置為水頭觀測(cè)孔。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，通過(guò)測(cè)壓管觀測(cè)不同位置不同深度上的水頭值，了解滲流場(chǎng)的變化規(guī)律[5-6](見(jiàn)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(kāi)關(guān)，以不同取水強(qiáng)度進(jìn)行模擬取水，記錄不同時(shí)間段其余測(cè)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(shí)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(cè)、記錄不同時(shí)間段測(cè)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(chǎng)變化過(guò)程如表1，其中第10次模擬潛水狀態(tài)下取水。同時(shí)選取濾床底部作為測(cè)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(shí)，取水部位在20～30 cm范圍時(shí)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(shí)最小，為 10.5～16.0 L/min。河床水位為55.0 cm時(shí)，取水量?jī)H為2.9 L/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前面9次的取水量。

通過(guò)分析10組不同方案的測(cè)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(shí)的取水量，其主要原因是含水介質(zhì)在無(wú)上覆水體的情況下，處于傍河取水狀態(tài)，主要依靠?jī)蓚?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(shí)的18.1%。

(2)第1次和第8次試驗(yàn)取水位置與第二行測(cè)壓管垂向等距，取水量相近，但第二行測(cè)壓管第1次降深較第8次小。這是由于后者在抽水的同時(shí)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(duì)滲流場(chǎng)的影響較明顯。

(3)通過(guò)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(cè)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(dòng)，相對(duì)優(yōu)先獲得補(bǔ)給，其水頭值相對(duì)偏大。

表1 室內(nèi)滲流場(chǎng)模擬試驗(yàn)情況一覽表

3 模擬試驗(yàn)取水量計(jì)算

通過(guò)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(jì)算法對(duì)模擬試驗(yàn)中不同取水部位的取水量進(jìn)行計(jì)算，從而分析不同計(jì)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(jì)算方法已經(jīng)成為目前評(píng)價(jià)傍河取水工程取水量的主要計(jì)算方法之一。反向滲濾取水工程中每個(gè)取水硐室可以等效為井底井壁同時(shí)進(jìn)水的大口井，采用以下公式計(jì)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(guò)濾器的有效進(jìn)水長(zhǎng)度。

計(jì)算結(jié)果如表2所示，用大口井計(jì)算公式對(duì)反向滲濾取水量進(jìn)行計(jì)算時(shí)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(jì)算值較小，與實(shí)際取水量相差較大，計(jì)算的準(zhǔn)確性較差，實(shí)際應(yīng)用中往往給設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。

表2 大口井法計(jì)算取水量結(jié)果對(duì)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(jì)算中可以將每個(gè)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(duì)模擬試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算:

式中:α為淤塞系數(shù);L為取水孔取水段長(zhǎng)度;Hy為河流水面至取水孔頂深度;H0為豎井內(nèi)水位對(duì)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(jì)算[7]:

表3 滲渠類比法計(jì)算取水量結(jié)果對(duì)比表

計(jì)算結(jié)果如表3所示，使用滲渠類比公式計(jì)算法計(jì)算所得值普遍較小，與實(shí)際出水量出入較大，計(jì)算出的三種取水部位的取水量相對(duì)大小與實(shí)際相反。因此，滲渠類比法在計(jì)算天然河床反向滲濾取水水量時(shí)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(duì)反向滲濾取水水量進(jìn)行計(jì)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(jì)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(shí)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(duì)模擬試驗(yàn)取水量進(jìn)行計(jì)算。

系數(shù)N0由式4-8計(jì)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(zhǎng)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(jì)算取水量結(jié)果

由表4計(jì)算結(jié)果可得，輻射井公式計(jì)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(shí)獲得最大取水量。在實(shí)際應(yīng)用輻射井法計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)，取水管位置埋深的合理性起著關(guān)鍵作用。取水管埋深過(guò)小，其上部水頭Z0較小，導(dǎo)致取水量較小;取水管埋深過(guò)大，由于河水下滲補(bǔ)給的滯后性，也可能會(huì)導(dǎo)致出水量的減少。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以北票反向滲濾取水工程為原型，通過(guò)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(chǎng)的變化，進(jìn)一步加深對(duì)天然河床反向滲濾取水原理的認(rèn)識(shí)。同時(shí)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(jì)算法在天然河床反向滲渠取水技術(shù)中取水量計(jì)算的適用性:

(1)通過(guò)對(duì)比取水層有無(wú)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(guò)程中取水部位埋深越小，受河水下滲補(bǔ)給影響，滲流場(chǎng)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(duì)優(yōu)先獲得補(bǔ)給，水頭值偏大。

(2)采用大口井法對(duì)模擬試驗(yàn)進(jìn)行水量計(jì)算時(shí)，將河水位看作定水頭邊界，水位降深S取值較小，導(dǎo)致計(jì)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(jì)算方法的計(jì)算值最小，并且滲渠類比公式的計(jì)算值與實(shí)測(cè)出水量相矛盾，該計(jì)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(jì)算值與實(shí)測(cè)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(duì)實(shí)際取水工程取水量進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需明確含水層濾床的特性。

(5)輻射井公式替換法的計(jì)算值與實(shí)測(cè)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。

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