引黃灌區(qū)高含沙水農(nóng)田非全流過濾試驗(yàn)研究

明 特，田軍倉,2,3

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021)

0 引 言

近些年來，黃河水量調(diào)度受到嚴(yán)格的限制，寧夏引黃灌區(qū)引水量不斷減少，推廣高效節(jié)水灌溉方式是勢在必行的解決途徑。引黃灌區(qū)引水含沙量大不能直接用于微灌設(shè)備，故對引黃灌區(qū)高含沙水的過濾顯得尤為重要。

目前市面上主要采用的過濾方式有砂過濾器、濾網(wǎng)過濾器、水力旋流過濾器、疊片式過濾器、復(fù)合型過濾器以及沉砂池過濾，其中一些過濾設(shè)備不僅價(jià)格高昂，而且對以高含沙水為水源的過濾效果不是很理想，易造成過濾設(shè)備和微灌設(shè)備的堵塞，只能用于初級(jí)過濾[1,2];在反沖洗時(shí)不能連續(xù)工作，并需要消耗大量的水[3,4]；疊片過濾器目前尚未形成過濾器“研究、生產(chǎn)、推廣”的體系模式，產(chǎn)業(yè)化尚且需要一段時(shí)間，現(xiàn)有的研究中，沒有進(jìn)一步研究水利性能差異的原因，無法根據(jù)水源水質(zhì)選擇合適的疊片過濾器從而提高過濾效率[5]。

這些過濾設(shè)備均采用的是全流過濾，而對于非全流過濾的研究很少。田軍倉(1999)[6-8]提出一種以土壤、無紡?fù)凉た棽嫉茸鳛闉V料介質(zhì)，以非全流過濾的方法，對黃河水中的泥沙進(jìn)行過濾。非全流過濾裝置又稱排滲過濾器，將過濾裝置放于具有高含沙水流的渠道、河流中，利用自然水壓對一部分高含沙水進(jìn)行過濾，使清水進(jìn)入裝置中，最后順著匯流管道供微灌設(shè)備直接或加壓使用，被裝置濾住的泥沙等顆粒物被截在外面，隨時(shí)順著高含沙水流方向被流水帶走，供下游明渠灌溉使用，實(shí)現(xiàn)了濾排水同步進(jìn)行，減少了裝置的堵塞幾率。這種過濾方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：排濾同步，清渾分離，泥沙入田，改良土壤；無需動(dòng)力，沒有反沖洗過程；造價(jià)低廉，規(guī)?？煽亍?/p>

范文波(2006)等[9]對非全流負(fù)壓底濾分水自動(dòng)反沖洗過濾裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，裝置除沙率為40.38%，濾出水中泥沙顆粒粒徑降低率為62.33%，裝置濾出水再用網(wǎng)式過濾器加以過濾后，水質(zhì)基本能夠達(dá)到微灌用水要求。但是裝置運(yùn)行時(shí)水泵耗能較大，反沖洗時(shí)需要避開所有濾層同時(shí)反沖洗，才能連續(xù)不斷的供清水。

趙佳奇(2018)[10]針對去田軍倉教授的非全流過濾進(jìn)行了滲流槽的模型模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明短水平打孔PVC管出水量能夠達(dá)到6.99 L/(h·m)，通過滲流槽的含沙水最大含沙量為0.43 kg/m3，其中大泥沙顆粒粒徑為0.12～0.14 mm，所占比例0.05%。

本文在此研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了基于農(nóng)田條件下的室外試驗(yàn)，為今后的引黃灌區(qū)含沙水過濾研究的理論及技術(shù)進(jìn)一步完善提供支撐。

1 試驗(yàn)條件與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)銀川市賀蘭縣常信鄉(xiāng)光明村(北緯38°36′48.45″，東經(jīng)106°20′40.83″)。試驗(yàn)基地為黃河西岸近代沖積平原，潛水及承壓水含水層巖性均為粉細(xì)砂，含水層厚度一般約0～150 m。

試驗(yàn)于2018年秋灌期進(jìn)行，供試水源引自寧夏唐徠渠，唐徠渠是寧夏引黃灌區(qū)最大的自流灌溉渠道，干渠全長314 km，渠首最大引水流量127 m3/s。試驗(yàn)田進(jìn)水平均流量為35 m3/h,保持20 cm水頭選取進(jìn)水水樣進(jìn)行含沙率測量，含沙量均值為20.865 kg/m3，平均排水流量為31 m3/h。

1.2 試驗(yàn)布置

根據(jù)試驗(yàn)方案，將試驗(yàn)田分為4個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，即地埋豎直過濾式(V)、地埋水平過濾式(L)、地埋豎直+水平過濾式(R)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)規(guī)格為20 m×10 m ，蓄水面積200 m2，滲水井過濾式(S)規(guī)格為5 m×5 m，見圖1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Tab.1 Test design scheme

圖1 非全流過濾試驗(yàn)區(qū)示意圖(單位:m)Fig.1 Schematic diagram of non-full flow filtration test area

無紡?fù)凉た棽夹吞?hào)/(g·m-2)質(zhì)量偏差(%·m-2)厚度/mm斷裂強(qiáng)力/(kN·m-1)斷裂伸長率/%CBR頂破強(qiáng)力/kN等效孔徑/mm095090在0.4 MPa壓力下垂直滲透系數(shù)/(cm·s-1)水平滲透系數(shù)/(cm·s-1)250-51.90≥12.540～80≥2.20.07～0.201.0-9.9×(10-1-10-3)350-53.64≥17.540～80≥3.00.1040.1010.150.139

(1)地埋豎直過濾式(V)。以5 m×5 m的間距豎直埋設(shè)無砂混凝土管，無砂混凝土濾水管內(nèi)徑為320 mm，外徑為420 mm，單位長度1 m，每組濾水井豎直埋設(shè)兩根，共計(jì)8組。

每4個(gè)小組為一個(gè)濾水小區(qū)，兩個(gè)濾水小區(qū)編號(hào)V1、V2。其中在V1濾水小區(qū)土表層鋪350 g/m2無紡?fù)凉た棽?，V2濾水小區(qū)鋪250 g/m2無紡?fù)凉た棽肌?/p>

采用直徑為40 mm的PVC管作為吸水管和輸水管。每根豎向吸水管在距無砂砼管底部5 cm處側(cè)向打直徑為10 mm的梅花孔。然后將四根吸水管并聯(lián)，外接裝有離心泵、精密壓力表、水表。

(2)地埋水平過濾式(L)。在距離土表層1.5 m深處開挖一條長8.5 m、寬0.7 m的溝，水平鋪設(shè)8根無砂混凝土管，然后將開挖土回填夯實(shí)。在無砂混凝土管頂端采用直徑為0.43 m帶有法蘭的管蓋進(jìn)行密封，法蘭外接φ40PVC吸水管。

每8根無砂砼管為一組，共計(jì)兩組L1、L2，在L1濾水小區(qū)土表層鋪350 g/m2無紡?fù)凉た棽?，L2濾水小區(qū)土表層鋪250 g/m2無紡?fù)凉た棽肌?/p>

(3)地埋水平+豎直過濾式(R)。地埋水平+豎直過濾式利用輻射井原理增大有效濾水面積。

采用的φ110(2 m)、φ400薄壁波紋管(3 m)側(cè)壁打梅花孔，開孔率面積20%。機(jī)械豎向挖0.7 m×0.7 m×2 m的坑，在距離地面1 m的位置圓周間隔60°開6個(gè)直徑為110 mm的孔，將φ110薄壁波紋管水平插入，以φ400波紋管為中心，輻射狀布置φ110波紋管。四周包裹濾料，回填土表層起壟，防止蓄水產(chǎn)生塌陷。

每根豎向波紋管配有6根輻射管為一個(gè)濾水小區(qū)，共計(jì)兩個(gè)濾水小區(qū)R1、R2。其中R1土層表面鋪350 g/m2無紡?fù)凉た棽?00 m2，R2土層表面鋪250 g/m2無紡?fù)凉た棽?00 m2。

(4)滲水井式(S)。開挖5 m×5 m×2.5 m規(guī)格的坑，將兩根無砂混凝土管放置中央按照豎直過濾式布置，四周和底部用土工膜做防滲漏處理，回填土采用唐徠渠支渠淤積泥沙回填，進(jìn)行濾水試驗(yàn)。

圖2 V、S布置示意圖(單位：m)Fig.2 Schematic diagram of V and S layout

1.3 觀測指標(biāo)

試驗(yàn)區(qū)用黃河水漫灌，保持20 cm水頭，主要觀測指標(biāo)包括不同規(guī)格無紡?fù)凉た棽紝S河水中泥沙的過濾效果、濾出水流量、濾出水含沙量、濾出水中泥沙粒徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 唐徠渠引黃河水水樣分析

取唐徠渠引黃試驗(yàn)原水500 mL，經(jīng)OBS3+濁度儀檢測，試驗(yàn)原水含沙率為20.865 kg/m3,經(jīng)BT-2003激光粒度分布儀分析，黃河水泥沙顆粒分析如下：

表3 唐徠渠渠水中小于某一粒徑泥沙顆粒體積含量 %

唐徠渠引黃泥沙主要由黏粒(0.001～0.005 mm)、粉粒(0.005～0.05 mm)和砂粒(0.05～1 mm)組成，其中黏粒21.813%粉粒20.537%粒、粗砂粒57.65%。

2.2 無紡?fù)凉た棽紴V沙效果

試驗(yàn)結(jié)束后，取各試驗(yàn)小區(qū)無紡?fù)凉た棽几街嗌尺M(jìn)行顆粒粒徑級(jí)配分析，結(jié)果如下:

表4 無紡?fù)凉た棽急韺幽嗌持行∮谀沉筋w粒體積含量 %

圖3 R組不同規(guī)格無紡?fù)凉た棽紨r沙效果對比圖Fig.3 Comparison of sand-blocking effects of non-woven geotextiles of different specifications in group R

圖4 V組不同規(guī)格無紡?fù)凉た棽紨r沙效果對比圖Fig.4 Comparison of sand-blocking effects of non-woven geotextiles of different specifications in group V

圖5 L組不同規(guī)格無紡?fù)凉た棽紨r沙效果對比圖Fig.5 Comparison of sand-sanding effects of different specifications of non-woven geotextiles in group L

由表4及圖3-5可知，無紡?fù)凉た棽嫉臄r沙效果顯著，其中350 g/m2規(guī)格的無紡?fù)凉た棽紨r沙效果明顯優(yōu)于250 g/m2規(guī)格的無紡?fù)凉た棽肌?50、350 g/m2規(guī)格的無紡?fù)凉た棽紨r截泥沙粒徑小于0.5和0.25 mm占100%，說明250 g/m2規(guī)格的無紡?fù)凉た棽寄軌驍r截粒徑大于0.5 mm的泥沙顆粒，而350 g/m2能夠有效攔截粒徑大于0.25 mm的泥沙顆粒。250、350 g/m2規(guī)格的無紡?fù)凉た棽妓鶖r截泥沙組成中小于0.05和0.075 mm的泥沙顆粒分別占80.94%、90.18%和88.02%、95.75%，在滿足透水性良好的前提下，350 g/m2規(guī)格的無紡?fù)凉た棽几m合作為土表層過濾介質(zhì)[11]。

2.3 濾水管內(nèi)累積入滲量、入滲率

開始灌水后，間隔10 min測量一次無砂混凝土濾水內(nèi)水位，隨著水位的上升，延長觀測時(shí)間，當(dāng)水位達(dá)到標(biāo)定水位后停止觀測。下圖為R、V組(V組選取其中4組分析)濾水管內(nèi)累計(jì)入滲量和入滲率。

累積入滲量見圖6～圖12。

圖6 R1累積入滲量Fig.6 R1 cumulative infiltration

圖7 R2累積入滲量Fig 7 R2 cumulative infiltration

圖8 V1累積入滲量Fig.8 V1 cumulative infiltration

圖9 V2累積入滲量Fig. 9 V2 cumulative infiltration

圖10 V3累積入滲量Fig.10 V3 cumulative infiltration

圖11 V4累積入滲量Fig. 11 V4 cumulative infiltration

圖12 S累積入滲量Fig.12 S cumulative infiltration

累積入滲率見圖13～圖19。

圖13 R1累積入滲率Fig.13 R1 cumulative infiltration rate

圖14 R2累積入滲率Fig. 14 R2 cumulative infiltration rate

圖15 V1累積入滲率Fig.15 V1 cumulative infiltration rate

圖16 V2累積入滲率Fig. 16 V2 cumulative infiltration rate

圖17 V3累積入滲率Fig.17 V3 cumulative infiltration rate

圖18 V4累積入滲率Fig.18 V4 cumulative infiltration rate

圖19 S累積入滲率Fig.19 S cumulative infiltration rate

水分下滲進(jìn)入土體受土壤基質(zhì)吸力影響，而土壤基質(zhì)吸力與含水量有關(guān)，即土壤入滲能力與土壤初始含水率有關(guān)[12]。

當(dāng)入滲開始時(shí)，表層土壤很快飽和，土壤下面土層初始含水率較低時(shí)會(huì)與飽和土層產(chǎn)生很大吸力梯度，所以水分運(yùn)移很快，入滲速率就會(huì)很大；當(dāng)土壤下面土層含水率較低時(shí)會(huì)與飽 和土層產(chǎn)生很大吸力梯度，所以水分運(yùn)移很快，入滲速率很大；當(dāng)土壤初始含水率升高后，處于下面土層與飽和土層間的吸力梯度比較小，水分傳導(dǎo)比較慢，所以入滲速率反而會(huì)變慢。濾水管內(nèi)的累積入深量和累積入滲率均符合Smith Parlange入滲曲線關(guān)系。當(dāng)t→∞時(shí)，入滲率逐漸趨于穩(wěn)定。

i=i∞+A(t-t0)-α，(t>tp,tp:開始積水時(shí)間)

(1)

由于V、R試驗(yàn)小區(qū)過濾土壤性質(zhì)均為沙壤土，而S試驗(yàn)小區(qū)采用的是引黃灌區(qū)唐徠渠斗渠淤積泥沙，經(jīng)陳年風(fēng)化干燥的沙土作為主要濾料，其導(dǎo)水率和滲透性遠(yuǎn)大于沙壤土，所以相同時(shí)間內(nèi)，S組試驗(yàn)小區(qū)的累積入滲量遠(yuǎn)大于V、R組試驗(yàn)小區(qū)。

累積入滲率反映了某一時(shí)刻，水分入滲量的增長強(qiáng)度變化，入滲過程初始階段，由于土壤初始含水率較低，水分入滲較快，此過程為水分快速下滲過程，所以初始階段的累積入滲率較高；水分下滲進(jìn)入緩慢入滲的中期階段時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)水分的入滲量降低，累積入滲量的增長速率降低，累積入滲率也隨之降低；當(dāng)入滲過程進(jìn)入到穩(wěn)定入滲階段時(shí)，累積入滲量的增長速率基本達(dá)到穩(wěn)定值，所以累積此時(shí)入滲率逐漸趨于穩(wěn)定。

2.4 濾出水量、含沙率及濾出水中泥沙粒徑分布情況

分別對四套方案對濾出水量、濾出水含沙率觀測。V、S、R三組處理以水位達(dá)到控制水位線時(shí)對濾水量進(jìn)行抽水觀測，L組處理每4 h抽水觀測濾水量及含沙率。

2.4.1 各處理平均濾出水流量

由圖20、圖21可知，當(dāng)濾出水流量逐漸穩(wěn)定后，4組處理單位時(shí)間、單位長度濾出水流量由高到低依次為：S>R>L>V，分別為0.137 6、0.031 1、0.022 7、0.015 6 m3/(h·m)。由此可知滲水井過濾式(S)為最優(yōu)方案。

圖20 L、V、R平均濾出水流量Fig.20 L, V, R average filtered water flow

圖21 S濾出水流量Fig.21 S average filtered water flow

2.4.2 各處理濾出水含沙量變化

4組處理方案濾出水中的含沙量隨試驗(yàn)的進(jìn)行逐漸降低，當(dāng)R、V、L三組試驗(yàn)進(jìn)行到50 h，S組進(jìn)行到70 h時(shí)，濾出水中的含沙量均低于0.4 kg/m3，除沙率大于98%，并且隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，含沙量逐漸降低。任改萍(2012)[13]等研究發(fā)現(xiàn)，對于微灌灌水器而言，粒徑0.10～0.15 mm為堵塞敏感范圍，粒徑在0.10～0.075 mm范圍內(nèi)與小于0.058 mm的粒徑泥沙顆粒造成堵塞程度接近。在本試驗(yàn)中濾出水泥沙顆粒最大粒徑為0.112 mm，大于0.1 mm的泥沙顆粒粒徑占0.077%，小于0.1 mm的泥沙顆粒粒徑占99.923%，所以經(jīng)過濾后的水可用于微灌設(shè)備。

圖22 R組濾出水含沙量隨時(shí)間變化趨勢圖Fig.22 R group filtered water effluent content change trend with time

圖23 V組濾出水含沙量隨時(shí)間變化趨勢圖Fig.23 V group filtered water effluent content change trend with time

圖25 S組濾出水含沙量隨時(shí)間變化趨勢圖Fig.25 S group filtered water effluent content change trend with time

圖26 4組處理平均濾出水中泥沙顆粒粒徑分布Fig.26 Four groups of treated average particle size distribution of sediment particles in filtered water

3 結(jié) 論

通過對引黃灌區(qū)唐徠渠黃河水非全流過濾試驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：

(1)無紡?fù)凉た棽季哂辛己玫臄r沙效果，且其規(guī)格越高其攔沙效果越明顯。但是隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，無紡?fù)凉た棽贾饾u被攔截的黃河泥沙堵塞，透水性能降低，濾水效果也隨之降低。

(2)單位時(shí)間、單位長度濾出水流量由高到低依次為：S>R>L>V，分別為0.137 6、0.031 1、0.022 7、0.015 6 m3/(h·m)，由此可知滲水井過濾式(S)為最優(yōu)方案。其中，S組出水量比R、L、V三組處理的出水量多342.44%、506.17%、782.05%。

(3)當(dāng)R、V、L三組試驗(yàn)進(jìn)行到50 h，S組進(jìn)行到70 h時(shí)，濾出水中的含沙量均低于0.4 kg/m3，濾出水中泥沙顆粒粒徑經(jīng)BT-2003激光粒度分布儀觀測，最大泥沙粒徑為0.112 mm，且粒徑大于0.1 mm的僅占0.077%，不會(huì)對微灌系統(tǒng)造成堵塞，水質(zhì)能夠滿足滴灌要求，濾出水含沙量隨試驗(yàn)時(shí)間的延長有逐漸減小的趨勢。

(4)經(jīng)過大田濾水試驗(yàn)，引黃灌區(qū)非全流過濾含沙水研究思路可行，具有一定的科學(xué)指導(dǎo)意義。其中滲水井過濾式采用了防滲漏處理，置換透水性好的沙土為過濾介質(zhì)，出水量達(dá)0.137 6 m3/(h·m)，為最優(yōu)過濾方案。

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