張紅維

（和田鼎晟工程試驗檢測有限公司，新疆 和田848000）

水作為最重要的生態(tài)環(huán)境資源，對社會的發(fā)展至關重要［1］。在降水稀少的內(nèi)陸河流域下游，上游流量是環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟發(fā)展的主要水資源［2］。通過人工引水來調(diào)節(jié)河流，可以重新分配用于生態(tài)、社會和經(jīng)濟用途的水，可提高水的使用效率，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，尤其是在缺水地區(qū)［3］。因此，準確、及時地評價引水工程的積極成果和潛在的消極影響，是有效管理內(nèi)陸河流域水資源的需要。為保證金溝河滲管的取水量可達設計取水流量，豐水期7～9月為1.5m3/s，其余各月為0.9m3/s，本文在試驗室內(nèi)設計了取水首部滲管取水水力模型試驗，對該引水工程取水水質(zhì)（濁度）及反濾層效果進行了驗證，使金溝河引水工程從水量和水質(zhì)上均能達到設計要求。

1 研究區(qū)概況

金溝河流域 （東經(jīng)86°03′～86°49′， 北緯44°30′～45°33′）位于新疆塔城地區(qū)沙灣縣境內(nèi)。河水流至下游洪溝水庫和海子灣水庫后被攔截，一般年份無水流入瑪納斯河。擬建的獨石化金溝河供水工程，其取水首部采用滲管引水布置型式，滲管位于擬建紅山水庫壩址以上約5.2km，金溝河渠首以上約7.2km，庫區(qū)回水區(qū)以上的0.2km河道內(nèi)，主要供獨山子區(qū)工業(yè)用水［4］。

2 滲管取水工程模型及試驗設計

本文試驗在11m×1.0m×3.2mγ的水槽中進行，水槽邊壁采用細石混凝土抹面，抹面后在其外表面涂抹瀝青材料做防水層。在水槽內(nèi)布置1條完整式滲管，其坡降為1/100；滲管開孔為 18mm圓孔，孔（中心）距 50mm，行（中心）距 50mm，開孔率 10.2%，滲管直徑400mm。滲管上鋪設的四層人工反濾層，厚度1100mm。人工反濾層上鋪設900mm的原河床砂石料。試驗裝置平面布置如圖1。

圖1 試驗裝置平面布置

根據(jù)工程實際情況，本文分別進行了清水試驗和渾水試驗。清水試驗主要研究反濾層及不同來水流量、不同河床天然砂石料厚度與滲管取水水量、水質(zhì)之間的關系。試驗中通過調(diào)節(jié)閘閥，分別對60，70，80L/s3個流量下不同河床天然砂石料厚度反濾層下，滲管取水水量、水質(zhì)進行了測定，滲管取水流量用直角三角堰測量。根據(jù)前期研究結(jié)果，在金溝河取樣測定的含沙量及濁度如表1。試驗過程中，通過在水槽前面的沉淀池中加沙攪拌模擬渾水，由于水流流速越小水流攜沙能力越弱，而實際工程中為了減少泥沙沉積，一般將工程布置在水流流速較大的河段，因此為了防止泥沙沉積，對 70，80 L/s 2個流量進行了試驗。

表1 金溝河原河道渾水含沙量及濁度

3 數(shù)據(jù)采集

采用矩形堰、直接三角堰測量明渠和滲管的來水量Q1和取水量Q2。 其計算公式為［5-7］：

滲管取水流量采用電子秤、秒表和水桶，采用稱重法獲得。其流量值為稱量水的重量除以秒表記錄的滲管流水時間。

來水和取水含沙量采用過濾法測定水流中懸移質(zhì)泥沙的含沙量。濾管中水深的測量采用將測壓管與滲管底部通過銅管相連，讀取測壓管中的水深獲得。來水和取水濁度的測量采用DYPS600型濁度儀。為保證試驗結(jié)果的可靠性，采用水洗和篩分方法對原 1～5mm反濾層料進行處理，分別采用5mm和1mm孔徑的篩子進行篩分，并用水沖洗，保證砂中泥可去除。

4 試驗觀測及結(jié)果分析

4.1 反濾層顆粒級配及設計合理性驗證分析

4.1.1 顆粒級配試驗

為了驗證反濾層設計的合理性，分別用標準篩對粒徑范圍為1～5mm的砂、5～20mm的礫石、20～40mm卵石、40～80mm卵石等反濾料進行了篩分。原料場砂的粒徑級配情況如圖2。

圖2 原料場反濾料粒徑級配曲線

由圖2可看出：1～5mm的砂中小于1.0mm顆粒占總質(zhì)量的 59.9%，小于0.075mm顆粒占總質(zhì)量的3.1%，細顆粒含量和含泥量均偏高，會降低該反濾層滲透系數(shù)，有利于提高水質(zhì)，但相應地出水流量會降低，因此，為保證水質(zhì)，應清除粒徑為1～5mm砂中的泥；同時為了增加出水量也要減少小于1.0mm細砂的含量。5～20mm中大于20mm顆粒占總質(zhì)量的17.7%，為達到設計要求，應適當降低大于20mm顆粒的含量；40～80mm中雖然大于80mm顆粒占總質(zhì)量的28.6%，但該層直接與濾管接觸主要起到骨架和支撐作用，只要保證小于18mm粒徑不進入滲管即可，所以該層無需處理；20～40mm中小于20mm占總質(zhì)量的2.9%，含量不高，但要防止進入滲管堵塞濾管進水孔，從而減小濾管有效進水面積，降低滲管出水流量。雖然該層無需處理，但在鋪設此層反濾料時，尤其是與濾管直接接觸的反濾料，嚴格控制級配，不應有小于18mm粒徑的顆粒，同時粒徑小于20mm顆粒含量也不應過高，以保證濾管進水孔不被堵塞。為了保證反濾層設計的試驗結(jié)果，對1～5mm的原料場砂分別用5mm和1mm孔徑的篩子進行篩分，同時篩分過程中用水沖洗，去除砂中泥；對5～20mm原料場砂用直徑為20mm篩子進行了篩分，去除了部分20mm以上粒徑的顆粒，篩分后粒徑級配情況如圖3。

圖3 篩分后反濾料顆粒級配曲線

4.1.2 反濾層設計合理性驗證

不均勻系數(shù)Cu是表示土體中顆粒粒徑的比例關系，Cu接近1時表示土顆粒分布均勻，相互制約能力強；大于1則表示土顆粒分布不均勻［8］。本試驗中反濾層各層濾料不均勻系數(shù)自上而下分別為：1.74，1.70，1.27，1.44。 說明本文設計的反濾料顆粒級配能夠滿足“濾土”和“排水”的要求，運行效果良好。

4.2 流量驗證

4.2.1 清水試驗

通過滲管取水時，滲管內(nèi)在上次閥門關閉后留有一部分水量，測壓管與滲管內(nèi)的水平高度平齊，當打開閥門后，測壓管內(nèi)的水面開始降低，說明滲管內(nèi)的靜儲水量是滲管最初取水的主要水源；試驗結(jié)果表明一般在 40～70s內(nèi)測壓管可從最高值降至穩(wěn)定值。

4.2.2 渾水試驗

渾水試驗通過在水槽首部的攪拌池內(nèi)人工加沙攪拌來實現(xiàn)，本文將入水口布設為 1號取樣點；出水口處布設在2號取樣點；濾水管的出水口處布設在3號取樣點。經(jīng)過測定，模擬渾水的含沙量如表2。

表2 模擬渾水含沙量 單位：g/L

模擬渾水的含沙量與測定原河道含沙量范圍基本一致。試驗測定的滲管取水濁度結(jié)果均在3NTU以下。若滲管中泥沙含量過高，含水層表層將形成泥膜，嚴重影響反濾料的滲透系數(shù)。會導致表層滲透系數(shù)減小，影響滲管產(chǎn)水量。

相同情況下清水試驗和渾水試驗的滲管產(chǎn)水量對比如表3。

表3 清水試驗和渾水試驗的滲管產(chǎn)水量對比

從表3可看出，渾水試驗由于河床表層沿程會淤積一定數(shù)量的細顆粒泥沙，導致滲管產(chǎn)水量降低。所以實際工程中應保證明渠水流具有一定的挾沙能力。

4.3 水質(zhì)濁度

首次放水時，在相當長的一段時間內(nèi)滲管取水的濁度較高，如圖4。這是由于反濾料存在泥沙，泥沙運動過程中由于摩擦影響相互限制其位移，導致滲管中的泥沙不易被水流帶走，濁度相對較高。但最終在清水的沖洗下，泥沙含量降低，濁度降低，并穩(wěn)定至 1～3NTU，如圖 5。

圖4 首次放水時來水水質(zhì)與滲管出水水質(zhì)對比

圖5 清水沖洗后來水水質(zhì)與滲管出水水質(zhì)對比

經(jīng)過清水條件下不同原河床天然沙厚度時的滲管取水水質(zhì)如表4，來水流量為 70，80L/s時渾水試驗下滲管取水水質(zhì)情況如表5。

表4 清水條件下不同來水流量、原河床天然沙厚度水質(zhì)單位：NTU

表5 渾水試驗滲管出水水質(zhì) 單位：NTU

由表4可看出，清水試驗在來水水質(zhì)較差情況下（9.21～41.70 NTU），滲管出水水質(zhì)受河床料厚度的影響較大。河床料厚度為 0cm時，滲管出水水質(zhì)與來水水質(zhì)基本一樣；當河床料厚度為50cm時，滲管出水濁度明顯降低，為5～6 NTU；當河床料厚度為90cm時，滲管出水濁度為 1～2 NTU；這主要因為河床料為較細的顆粒組成，對水質(zhì)過濾作用明顯。由表5可看出，渾水試驗后滲管出水水質(zhì)均在3NTU以下，符合設計取水要求。由表中結(jié)果還可看出，在試驗之初（河床料厚度為 0cm和 50cm時），滲渠取水水質(zhì)較差，隨時間增長，水質(zhì)逐漸變好，這是由于試驗之初反濾層中含泥量較高導致的。

5 結(jié)語

（1）本文設計的反濾層“濾土”作用明顯，出水水質(zhì)優(yōu)良，含沙量低，濾料的選擇良好。

（2）經(jīng)過測定1～5mm砂、5～20mm 礫石、20～40mm卵石、40～80mm卵石、原河床天然砂的滲透系數(shù)分別為 303.70，9809.09，13426.44，無窮大，24.81m/d。當含水層總厚度6.5m時，其綜合滲透系數(shù)30.43m/d；當含水層總厚度8m時，其綜合滲透系數(shù)29.19m/d。

（3）在取水穩(wěn)定后，取水水質(zhì)濁度均在 3NTU以下，能夠達到工業(yè)用水水質(zhì)要求。