滲管取水出水濁度影響因素的模擬研究

鄭曉瑜，劉煥芳，田 原，于旭永

(1 石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003；2 新疆巴音郭楞蒙古自治州水利局，新疆 庫爾勒 841000；3 新疆水利廳，新疆 烏魯木齊 830000)

?

滲管取水出水濁度影響因素的模擬研究

鄭曉瑜1,2，劉煥芳1，田 原3，于旭永1

(1 石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003；2 新疆巴音郭楞蒙古自治州水利局，新疆 庫爾勒 841000；3 新疆水利廳，新疆 烏魯木齊 830000)

【目的】 研究滲管取水工程中出水濁度的影響因素，為滲管取水工程設計提供依據(jù)。【方法】 通過物理模型試驗，分析不同河床砂厚度(0.1，0.2，0.3，0.4，0.5和0.6 m)在不同來水含沙量(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，10.0和15.0 g/L)下對滲管取水出水濁度的影響。【結果】 當來水含沙量一定時，隨著河床砂厚度的增大，出水濁度逐漸減??；當河床砂厚度一定時，隨著來水含沙量的增大，出水濁度逐漸減小，其中以河床砂厚度0.1 m、來水含沙量為0.5 g/L時的出水濁度最大，為982.33 NTU，以河床砂厚度0.6 m、來水含沙量15 g/L時的出水濁度最小，為2.30 NTU。采用綜合滲透系數(shù)代替河床砂厚度進行理論分析，建立了濾水料滲透系數(shù)、來水含沙量與滲管出水濁度關系的擬合公式。實例分析表明，所得擬合公式與試驗數(shù)據(jù)及實際工程實測數(shù)據(jù)均符合較好?！窘Y論】 滲管出水濁度的擬合公式可用于實際工程的指導。

滲管取水；滲透系數(shù)；含沙量；出水濁度

在水文地質條件允許的情況下，建設滲管取水工程具有不用藥劑、運行成本低、水質好等優(yōu)點，故已被廣泛應用于工農業(yè)生產(chǎn)和日常生活中[1]。滲管取水是一種比較復雜的地下取水構筑物[2]，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[3]、重力流截流集取地下水[4]和河床潛流水[5]作為給水水源。在水文地質條件合適的情況下，這種取水方式既可最大限度地集取地下水，又可起到凈化水質的作用，具有結構簡單、可就地取材、需用設備少、運行費用低、維修管理方便、不需凈化設備等特點[5]，因此具有較高的推廣價值，已越來越多地被運用到給水工程中[5-8]。

滲管取水工程一般由滲管、反濾層和河床砂等組成[9-10]。滲管主要起到集水作用，反濾層主要起“濾土排水”和“排水減壓”作用[11]，而河床砂主要起保護反濾層免受河水沖刷以維持反濾層的穩(wěn)定，同時還兼具過濾作用，會對滲管出水量和出水濁度產(chǎn)生影響。出水濁度是衡量滲管取水工程成功與否的一個重要標準[12]，影響滲管取水工程出水濁度的因素有很多，河床砂厚度和來水含沙量是其中最重要的2個因素。現(xiàn)階段的滲管取水工程大多是經(jīng)驗性的，都是根據(jù)已有工程的成功經(jīng)驗來進行設計、施工和管理，在理論和技術方面還存在著一些值得深入探討之處，但目前的相關研究尚鮮有報道。為此，本研究結合新疆某滲管取水工程，通過室內模型試驗分析了不同河床砂厚度以及來水含沙量情況下滲管出水濁度的變化，以期為滲管取水工程的設計提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗裝置

試驗在內徑0.14 m、壁厚0.01 m、高2 m的有機玻璃筒中進行，筒壁設有測壓管，上部設有溢流孔，下部設有排水孔，底板上設有直徑8 mm的孔眼，開孔率為29%。濾柱中鋪設有3層共0.8 m厚的人工反濾層，自下而上各反濾層分別為：粒徑12～36 mm的砂石料，厚度0.2 m；粒徑4～12 mm的砂石料，厚度0.3 m；粒徑1～4 mm的砂石料，厚度0.3 m。反濾層上鋪設的砂石料為河床天然砂礫料，河床砂厚度為0.6 m時的濾柱如圖1所示。

圖 1 濾柱試驗裝置圖(單位：m)

試驗中反濾層上部鋪設的河床砂厚度分別設為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5和0.6 m，用壤土配制的含沙量分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，10.0 和15.0 g/L的來水進行過濾效果研究。

運用達西試驗裝置測定了各層濾水料的滲透系數(shù)，測得粒徑4～12 mm濾料的滲透系數(shù)為105.31 m/d，粒徑1～4 mm濾料的滲透系數(shù)為5.27 m/d，河床砂石料的滲透系數(shù)為1.41 m/d，粒徑12～36 mm濾料由于粒徑較大，超過了達西定律的使用范圍，可近似認為其滲透系數(shù)為無窮大。在濾水層結構中，粒徑12～36 mm濾料主要起到保護粒徑1～4 mm和4～12 mm濾料不被擾動，并防止小于滲管孔徑的細濾料被水流帶入滲管中，其對濾水層滲透系數(shù)的影響很小[13]，可以忽略。

1.2 濾柱過濾后出水濁度的測定

試驗時在濾柱中按要求鋪入由3層不同粒徑濾料組成的反濾層，在反濾層上方再鋪設0.1 m的河床砂石料，用壤土配制含沙量為0.5 g/L的渾水攪拌均勻后注入濾柱中，經(jīng)濾柱過濾后從濾柱底部的排水孔接取過濾后的水并測其濁度，用以驗證河床砂厚度為0.1 m、來水含沙量為0.5 g/L時濾柱的過濾效果。試驗完成后用清水充分沖洗濾柱中的砂石料，防止渾水中的壤土顆粒留在濾柱中對下一組試驗產(chǎn)生影響。濾柱沖洗完成后用壤土配制含沙量為1.0 g/L的渾水重復上述試驗，用以驗證河床砂厚度為0.1 m、來水含沙量為1.0 g/L時濾柱的過濾效果。

河床砂厚度為0.1 m，來水含沙量為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，10.0和15.0 g/L的10組試驗全部完成后，向濾柱中再鋪設0.1 m的河床砂石料重復上述10組試驗，用以驗證河床砂厚度為0.2 m時濾柱的過濾效果。直至濾柱中的河床砂石料厚度鋪設至0.6 m，驗證了河床砂厚度為0.6 m，來水含沙量為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，10.0和15.0 g/L時濾柱的過濾效果，試驗全部結束。

1.3 綜合滲透系數(shù)和來水含沙量對出水濁度影響的擬合分析

試驗測出河床砂厚度分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5和0.6 m，來水含沙量分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，10.0和15.0 g/L時濾柱過濾后的出水濁度，用matlab軟件以綜合滲透系數(shù)為x軸、來水含沙量為y軸、出水濁度為z軸點繪來水含沙量、綜合滲透系數(shù)、出水濁度之間的相關散點圖。根據(jù)散點圖擬合出來水含沙量、綜合滲透系數(shù)、出水濁度之間的關系曲面以及關系式。

2 結果與分析

2.1 河床砂厚度及來水含沙量對出水濁度的影響

河床砂厚度分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5和0.6 m，來水含沙量分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，10.0和15.0 g/L時濾柱過濾后的出水濁度試驗結果如表1所示。從表1可以看出，當來水含沙量一定時，隨著河床砂厚度的增大，出水濁度逐漸減小，這是因為增大河床砂厚度相當于增大了濾料的厚度，過濾效果會更好，出水濁度會降低。當河床砂厚度一定時，隨著來水含沙量的增大，出水濁度逐漸減小，這是因為來水含沙量較大時，隨著過濾的進行水中所含的細顆粒會逐漸淤積在濾料表面，這相當于在濾料表面又增加了一層滲透系數(shù)很小的濾料，會對出水濁度產(chǎn)生較大的影響。來水含沙量越大淤積在濾料表面的細顆粒越厚，對過濾效果的影響越大。

表 1 不同含沙量渾水經(jīng)濾柱過濾后的出水濁度

2.2 基于綜合滲透系數(shù)及來水含沙量的滲管出水濁度的擬合分析

對于不同的滲管取水工程，反濾層的鋪設層數(shù)、鋪設厚度以及濾料的粒徑范圍會有所差異，為了使研究結果的適用性更加廣泛，用綜合滲透系數(shù)代替河床砂厚度進行分析。

對于層狀含水層，其綜合滲透系數(shù)大小與各層滲透系數(shù)有關，綜合滲透系數(shù)K可按下式計算[14]：

(1)

式中：T為含水層總厚度；K為含水層綜合滲透系數(shù)；K1、K2、K3、…、Kn分別為第1，2，3，…，n層濾料滲透系數(shù)；T1、T2、T3、…、Tn分別為第1，2，3，…，n層濾料厚度。

根據(jù)式(1)可計算出試驗條件下反濾層上部鋪設不同厚度河床砂時所對應的綜合滲透系數(shù)如表2所示。

表 2 鋪設不同厚度河床砂所對應的綜合滲透系數(shù)

我國的滲管取水工程主要集中在氣候干旱的西北地區(qū)和嚴寒的東北地區(qū)，通常埋設在含粗砂、砂礫石、砂卵石等水文地質條件較好的含水層中，而且是地下水的富水帶和補給來源比較豐富地帶，這些地區(qū)河流的含沙量通常在5.0 g/L以下。滲管埋設深度會因地質條件的不同而不同，但為了有較好的過濾效果埋設深度不會太淺。故與實際工程相結合，選取試驗中來水含沙量小于5.0 g/L、埋設深度大于0.4 m的試驗數(shù)據(jù)進行分析。

根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)，用軟件擬合得到的擬合關系曲面如圖2所示。

圖 2 來水含沙量-綜合滲透系數(shù)-出水濁度的關系曲面

出水濁度與綜合滲透系數(shù)、來水含沙量的關系式為：

(2)

式中：x為綜合滲透系數(shù)，y為來水含沙量，z為出水濁度。經(jīng)計算，擬合公式的確定系數(shù)為0.96，說明公式的擬合度較好。

用(2)式對試驗條件下來水含沙量為10.0和15.0 g/L的數(shù)據(jù)進行驗證，得出不同河床砂厚度時的理論出水濁度如表3所示。

表 3 不同來水含沙量和河床砂厚度時滲管出水濁度的擬合結果

比較表1和表3可知，運用擬合公式得到的計算值與試驗實測值在河床砂厚度較小時誤差較大，而在河床砂厚度較大時誤差較小。從表1可以看出，當河床砂厚度小于0.3 m時，滲管的出水濁度會出現(xiàn)突然增大趨勢。因為河床砂石料小粒徑顆粒含量較大，具有較好的過濾效果，在滲管“濾土”作用中起主要作用，當滲管埋設過淺時其“濾土”作用會大幅減小，導致滲管出水濁度大幅增大。在實際工程中一般不會出現(xiàn)滲管埋設過淺的情況，故此種情況可不予考慮。從表1和表3還可以看出，擬合公式計算值與試驗實測值在河床砂厚度和來水含沙量較大時誤差均較小，說明擬合公式對來水含沙量較大的情況適用。

3 擬合公式的實例驗證

為驗證試驗所得擬合公式在實際工程中的適用性，結合新疆某滲管取水工程實測數(shù)據(jù)對擬合公式進行驗證。該實際工程位于新疆奎屯河團結干渠老龍口上游約200 m河床內，通過埋設滲管的方式引奎屯河水，滲管總長約400 m。為增加取水量，在1959年進行了首次擴建，新增了一條長200 m、直徑為500 mm的滲水鋼管，同時在新建滲水鋼管下游河床內修建了砼斜墻截水潛壩。在1991年又進行了第二次擴建，新增滲水鋼管1 700 m，輸水管線 1 090 m，設計年取水能力達到2 600萬m3。擴建后的滲管取水工程出水情況良好，水質均滿足飲用水水質標準[15]。

奎屯河位于奎屯市西南、獨山子區(qū)西側。奎屯河發(fā)源于天山北坡的依連哈比爾尕山，以冰川、積雪融冰、降水及沿程地下水補給為主[16]，河流對構造活動極其敏感[17-20]?？秃有虑?0%保證率年徑流量6.41億m3，年際年內變化較大，6-8月徑流量占全年徑流量的56%，12月到次年2月徑流量僅占全年徑流量的9%，洪枯比較大。豐水期河水含沙量5～6 g/L、枯水期河水含沙量1～2 g/L。滲管開孔率29%，反濾層布置與室內濾柱試驗相同。實際工程2009-2011年3-11月平均滲管出水濁度的統(tǒng)計結果如表4所示。

表 4 新疆某實際滲管取水工程2009-2011年3-11月滲管的實際出水濁度

從表4可以看出，該實際工程6-9月滲管出水濁度較好，其他時間滲管出水濁度稍差，這是因為6-9月是河流的豐水期，河水含沙量較大。為便于數(shù)據(jù)對比，根據(jù)含沙量的不同對實測數(shù)據(jù)進行整理，并根據(jù)實際工程2009-2011年3年的數(shù)據(jù)得出不同含沙量所對應的平均出水濁度如表5所示。

表 5 不同來水含沙量時新疆某實際滲管取水工程的實際平均出水濁度

該實際工程滲管埋設在基巖上，由于地勢不同滲管的埋設深度略有不同，但都為6.0～7.0 m。根據(jù)(1)式可計算出不同埋設深度所對應的綜合滲透系數(shù)，根據(jù)(2)式可以計算出滲管的理論出水濁度，結果見表6。然后根據(jù)表6，可以計算出實際工程理論滲管在6.0～7.0 m時的平均出水濁度，結果如表7所示。

表 6 不同埋設深度時新疆某實際滲管取水工程滲管的理論出水濁度

表 7 不同來水含沙量時新疆某實際滲管取水工程滲管的理論平均出水濁度

對比表7和表5可知，理論滲管出水濁度與實際滲管出水濁度基本符合，計算出的理論滲管出水濁度比實際滲管出水濁度略大。這是因為試驗是在豎管中進行的，與實際工程的臥管條件有一定的差異。在實際工程運行過程中，水流既有向下的滲透力又有水平的推動力，其過濾的路徑是斜向下的，比豎管條件下豎直向下的過濾路徑要長，過濾效果會稍好一些，在分析中因其差異很小而忽略不計。理論公式計算結果與實際工程實測數(shù)據(jù)能較好地符合，證明試驗所得理論公式可用于對實際工程的指導。

4 結 語

出水濁度是衡量滲管取水工程成功與否的一個重要標準，影響滲管取水工程出水濁度的因素很多。本研究通過物理模型試驗研究了不同河床砂厚度以及不同來水含沙量對滲管取水出水濁度的影響，結果表明，當來水含沙量一定時，隨著河床砂厚度的增大，出水濁度逐漸減小；當河床砂厚度一定時，隨著來水含沙量的增大，出水濁度逐漸減小。

為了使試驗結論的適用性更加廣泛，用綜合滲透系數(shù)代替河床砂厚度進行理論分析，得出了綜合滲透系數(shù)(x)、來水含沙量(y)與滲管出水濁度(z)之間的擬合公式，擬合公式與試驗數(shù)據(jù)的一致性較好，其確定系數(shù)為0.96，擬合度良好。

用實際工程的實測數(shù)據(jù)對擬合公式進行驗證，擬合公式計算結果與實際工程實測數(shù)據(jù)基本符合，說明試驗所得擬合公式可用于實際工程的指導。

[1] 李 曉,楊立中.利用天然河床滲濾取水的新技術 [J].中國給水排水,2003,19(6):74-76.

Li X,Yang L Z.New technology for infiltration diversion from natural river bed [J].China Water and Wastewater,2003,19(6):74-76.

[2] Wang W,Zhang G.Numerical simulation of groundwater flowing to horizontal seepage wells under a river [J].Hydrogeology Journal,2007,15(6):1211-1220.

[3] Wena X H,Deutsch C V,Cullick A S.Inversion of dynamic pro-duction data for permeability:fast streamline-based computation of sensitivity coefficients of fractional flow rate [J].Journal of Hydrology,2003,281(4):296-312.

[4] Dai C L,Li X X,Sun S M.Analysis and design for physical model of infiltration gallery under frozen layer [C].2010 conference on modern hydraulic engineering.London:London Science Publishing,2010:309-312.

[5] 吳正淮.滲渠取水 [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1981.

Wu Z H.Infiltration gallery water intake [M].Beijing:China Architecture and Building Press,1981.

[6] 劉持峰,劉煥芳,程 琨,等.河床床面沖淤變化對滲渠產(chǎn)水量的影響 [J].水資源與水工程學報,2007,18(3):10-13.

Liu C F,Liu H F,Cheng K,et al.Influence on infiltration ditch water intake from the change of river bed condition [J].Journal of Water Resources and Water Engineering,2007,18(3):10-13.

[7] 劉持峰,劉煥芳,程 琨,等.濾管長度對滲渠產(chǎn)水量的影響 [J].人民長江,2008,39(2):30-32.

Liu C F,Liu H F,Cheng K,et al.Influence of seepage pipe length on water yield volume of seepage canal [J].Yangtze River,2008,39(2):30-32.

[8] 程 琨,劉煥芳,呂宏興,等.滲渠取水量變化過程初步分析 [J].中國農村水利水電,2007,8(3):39-44.

Cheng K,Liu H F,Lü H X,et al.The elementary analyses of the water intake variation process of seepage channel [J].China Rural Water and Hydropower,2007,8(3):39-44.

[9] 劉持峰.滲渠取水工程水力特性試驗研究 [D].新疆石河子:石河子大學,2008.

Liu C F.Experimental investigation on the water power character of the infiltration ditch [D].Xinjiang,Shihezi:Shihezi University,2008.

[10] Ray C,Grischek T,Schubert J,et al.A perspective of riverbank filtration [J].Journal of AW-WA,2002,94(4):149-162.

[11] 劉煥芳,程 琨,呂宏興.滲渠取水壓力變化過程分析 [J].西北農林科技大學學報(自然科學版),2007,35(8):211-216.

Liu H F,Cheng K,Lü H X.Analysis of pressure variety process during seepage channel intaking water [J].Journal of Northwest A&F University(Natural Science Edition),2007,35(8):211-216.

[12] 程 琨.滲渠取水量影響因素試驗研究 [D].新疆石河子:石河子大學,2007.

Cheng K.Experimental investigation on the influencing factor of the discharge of the seepage channel [D].Xinjiang,Shihezi:Shihezi University,2007.

[13] 鄭曉瑜,劉煥芳,于旭永.河床砂厚度對滲管取水出水量及濁度的影響 [J].排灌機械工程學報,2015(2):128-132.

Zheng X Y,Liu H F,Yu X Y.The thickness of the original river sand condition on the water yield and the turbidity of treated water [J].Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2015(2):128-132.

[14] 毛昶熙.滲流計算分析與控制 [M].北京:中國水利水電出版社,2003.

Mao C X.Seepage computation analysis and control [M].Beijing:China WaterPower Press,2003.

[15] 中華人民共和國衛(wèi)生部.GB 5749-2006 生活飲用水衛(wèi)生標準 [S].北京:中國標準出版社,2006.

National Health and Family Planning Commission of the People’s Republic of China.GB 5749-2006 Standards for drinking water quality [S].Beijing:Standards Press of China,2006.

[16] 王龍江.奎屯市地下水開發(fā)利用淺析 [J].地下水,2012(7):67-70.

Wang L J.Analysis of the ground water in Kuitun city [J].Ground Water,2012(7):67-70.

[17] John H,Schumm S A.Geomorphic and sedimentary response of river to technic deformation:a brief review and critique of a tool for recognizing subtle epeirogenic deformation in modern and ancient setting [J].Tectonophysics,1999,305(3):287-306.

[18] Bernard D.Geomorphic response to growing fault-related folds:example from the foothills of central Taiwan [J].Geodinamica Acta,2001,14(2):256-287.

[19] Li Y L,Yang J C,Xia Z K,et al.Tectonic geomorphology in the Shanxi graben system,northern China [J].Geomorphology,1998,23(5):77-89.

[20] Goerge P,Madho P S.Geomorphic signatrres of active tectonics in the Trans-Yamuna segment of the western doon valley,northwest Himalaya [J].India International Journal of Applied Earth Observation and Geonifotmation,1999,1:54-63.

Factors affecting turbidity of treated water from permeation pipe

ZHENG Xiaoyu1，2,LIU Huanfang1,TIAN Yuan3,YU Xuyong1

(1CollegeofHydraulicandConstructionalEngineering,ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang832003,China; 2WaterConservancyBureauofBazhou,Korla,Xinjiang841000,China; 3WaterResourcesDepartmentofXinjiangUygurAutonomousRegion,Urumqi,Xinjiang830000,China)

【Objective】 This study analyzed the factors influencing turbidity of treated water from permeation pipe to provide reference for future permeation pipe water project.【Method】 This paper analyzed influences of riverbed sand thickness (0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 and 0.6 m) and runoff sediment concentration (0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,4.0,5.0,10.0 and 15.0 g/L) on turbidity of treated water from permeation pipe using a physical model.【Result】 With fixed influent sediment concentration,water turbidity decreased with the increase of riverbed sand thickness.With fixed riverbed sand thickness,effluent turbidity decreased with the increase of water sediment concentration.The worst turbidity of 982.33 NTU occurred when of riverbed thickness was 0.1 m and influent sediment concentration was 0.5 g/L.The smallest turbidity of 2.30 NTU was obtained when the riverbed thickness was 0.6 m and the influent sediment concentration was 15 g/L.Integrated permeability was used to analyze theory using the relationship of permeability of water treatment material,runoff sediment concentration and permeation pipe effluent turbidity instead of riverbed sand thickness.The obtained formula was in good agreement with the experimental data and actual measured data.【Conclusion】 The obtained theoretical formula was useful for practical projects.

permeability pipe for water;integrated osmotic coefficient;sediment concentration;turbidity of treated water

時間:2016-10-09 10:08

10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.11.032

網(wǎng)絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20161009.1008.064.html

2015-06-05

國家自然科學基金項目(11362019)

鄭曉瑜(1987-)，女，新疆庫爾勒人，碩士，主要從事工程水力學研究。E-mail:zheng_xiao_yu@yeah.net

劉煥芳(1965-)，男，河南禹縣人，教授，博士生導師，主要從事工程水力學研究。E-mail:2622251504@qq.com

S276.7+4

A

1671-9387(2016)11-0221-07