淺談山區(qū)河床淺層地下水取水方式選擇

蘇都都

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概況

以淺層地下水作為供水水源，在山區(qū)農(nóng)村供水工程中應(yīng)用極為普遍，以岷縣東部、南部農(nóng)村供水工程為例，項(xiàng)目共有規(guī)模以上(供水量大于100m3/d)水源12處，除1處泉群和1處巖洞水外，其余均為河床淺層地下水，淺層地下水水源數(shù)量占總水源數(shù)量的80%以上。

與深層地下水不同，山區(qū)河床淺層地下水具有埋深淺，含水層薄，受地表水影響明顯等特點(diǎn)，不同的水源取水方式其取水效果往往大不相同，可以說，取水方式選擇的合理與否，直接決定了工程的成敗[1- 3]。

岷縣位于甘肅省定西市南部，地處青藏高原邊緣，是甘南草原向黃土高原、隴南山地的過渡地帶，屬構(gòu)造剝蝕低中山河谷、溝谷地貌區(qū)，其東部、南部具有極為典型的山區(qū)特點(diǎn)。

2 山區(qū)河床淺層地下水的特點(diǎn)

淺層地下水介于地表水與深層地下水之間，地表水及地下潛流是其主要補(bǔ)給來源，其具有3個(gè)典型特點(diǎn)。

2.1 水量、水質(zhì)具有顯著的季節(jié)性

淺層地下水在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，位于第一透水層中，第一隔水層之上，埋深淺，水體與地表水有直接的補(bǔ)排關(guān)系，加之山區(qū)河流多為季節(jié)性河流，洪枯期河道流量差距大，直接影響潛水面，因此其水量大小與地表水具有直接關(guān)系。此外，由于水體未經(jīng)巖土層過濾，其水質(zhì)與地表水差異甚微。

2.2 含水層埋深淺，厚度較薄

山區(qū)河床淺層地下水主要分布于河漫灘及一二級(jí)階地中，含水層多為第四系沖洪積砂卵礫石層，含水層厚度一般自河谷兩側(cè)向河道遞減，經(jīng)多年沖切作用，河谷含水層埋深一般較淺，厚度亦較薄。岷縣農(nóng)村供水工程12處水源中，平均埋深僅0.48m，含水層厚度介于2.2～8.65m之間，平均厚度僅5.48m。

2.3 含水層滲透系數(shù)差別較大

淺層地下水含水層行成年代較晚，受沉積作用及沉積物類型影響，不同河流，同一河流的不同河床滲透系數(shù)差別較大。岷縣農(nóng)村供水工程所選水源地滲透系數(shù)分布范圍廣，水源地均位于迭藏河河谷，但滲透系數(shù)相差約2倍。

3 取水方式選擇原則及典型設(shè)計(jì)

河床淺層地下水常用的取水方式有大口井、滲渠、輻射井、集水廊道等，岷縣農(nóng)村供水工程中采用了大口井、滲渠及集水廊道3種形式。

3.1 取水方式選擇原則

根據(jù)岷縣東部、南部農(nóng)村供水工程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)階段制定的水源取水方式選擇原則為：

(1)南部含水層較厚(大于6.0m)的河谷水源地，選用大口井。

(2)東部含水層較薄的溝谷(小于5m)，選用滲渠。

(3)東部含水層厚度小于3m的溪谷，選用“人造含水層+截墻+集水廊道”。

岷縣東部、南部規(guī)模性以上水源取水方式統(tǒng)計(jì)表詳見表1。

表1 取水方式統(tǒng)計(jì)表[4- 5]

3.2 大口井典型設(shè)計(jì)

大口井是開采河床淺層地下水常用的方式，根據(jù)井底是否進(jìn)水分為完整井和非完整井，岷縣農(nóng)村供水工程共修建大口井4座，其中3處非完整井，1處完整井。

(1)出水量計(jì)算公式選用

根據(jù)《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第二版)第三冊(cè)城鎮(zhèn)給水，岷縣大口井出水量計(jì)算公式選擇集取河床滲透水的計(jì)算方法，計(jì)算公式[6]如下：

(1)

式中，Q—大口井出水量，m3/d；K—含水層滲透系數(shù)，m/d，考慮淤塞等因素，計(jì)算時(shí)取試驗(yàn)值的0.8倍；r0—大口井半徑，m；S—水位下降，m；M—含水層厚度，m；N—井底距含水層底板距離，m。

(2)典型設(shè)計(jì)

大口井布置于河床一級(jí)階地，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，井徑4m，井壁厚度為0.35m，井深6/10m，在地下水位以下井壁開設(shè)直徑為110mm的水平進(jìn)水孔，孔呈梅花形布置，間距0.4m×0.6m，進(jìn)水孔內(nèi)設(shè)置濾料，非完整型井井底設(shè)置3層反濾料，完整井井底采用混凝土封底。井口高程高于設(shè)計(jì)洪水位，井蓋板設(shè)置通氣孔。非完整井典型設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 非完整井典型設(shè)計(jì)圖

3.3 滲渠典型設(shè)計(jì)

滲渠是開采河床淺層地下水的另一種典型常見方式，根據(jù)其與河道的關(guān)系分為垂直于河床與平行于河床2類。岷縣農(nóng)村供水工程共修建滲渠5處，其中垂直于河床布置的4處，平行于河床布置的1處，均為雙側(cè)進(jìn)水的非完整型滲渠。

(1)出水量計(jì)算公式選用

出水量計(jì)算選擇《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第二版)第三冊(cè)城鎮(zhèn)給水中非完整雙面進(jìn)水計(jì)算方法，計(jì)算公式[6]如下：

(2)

(3)

式中，Q—滲渠出水量，m3/d；L—滲渠長度，m；K—滲透系數(shù)，m/d；α—淤塞系數(shù)，采用0.8；Hy—河流水面至滲渠頂深度，m；H0—集水井內(nèi)水位對(duì)滲渠出口所施水壓，m；T—含水層厚度，m；h—河床至滲渠底的深度，m；d—滲渠直徑或?qū)挾?，m。

(2)典型設(shè)計(jì)

滲渠滲管采用為混凝土花管，條孔規(guī)格30mm×50mm，條孔中心距200mm，花管外側(cè)纏8目鍍鋅篩網(wǎng)一層，滲管最小管徑不小于DN400，以便于后期運(yùn)行維護(hù)。滲管外填充3層級(jí)配濾料粒徑分別為4.0～8.0、20～30、60～100mm，厚度均為50cm，頂部采用原河床開挖料回填至原高程，典型設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 滲渠典型設(shè)計(jì)圖

3.4 集水廊道典型設(shè)計(jì)

集水廊道與滲渠類似，一般與截滲墻配合使用，岷縣農(nóng)村供水工程共修建集水廊道1處。

(1)出水量計(jì)算公式選用

集水廊道出水量計(jì)算采用完整滲渠單側(cè)進(jìn)水就算公式，Q計(jì)算公式與滲渠相同(式(2))，A的計(jì)算公式[6]如下：

(4)

(2)典型設(shè)計(jì)

集水廊道垂直河道布置，廊道下游設(shè)置截滲墻1道，廊道長×寬×高為10m×0.8m×1.2m。廊道外側(cè)設(shè)置設(shè)人工濾層4層，級(jí)配分別為0.25～1.0、1.0～4.0、4.0～8.0、8.0～32.0mm；厚度分別為100、30、30、30cm。進(jìn)水孔設(shè)計(jì)為直徑110mm圓形孔，呈梅花形布置于廊道迎水面直墻段，孔眼凈間距為30cm，管內(nèi)設(shè)置級(jí)配濾料。進(jìn)水孔允許流速以不大于0.01m/s控制。設(shè)計(jì)圖如圖3—4所示。

圖3 集水廊道平面布置圖

圖4 集水廊道橫剖面圖

4 效果評(píng)價(jià)

岷縣農(nóng)村供水工程設(shè)計(jì)于2013年，完建于2015年7—12月間，2018年5—7月筆者對(duì)各取水工程運(yùn)行情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查，并對(duì)各工程的實(shí)際運(yùn)行效果、存在的問題進(jìn)行了整理，具體見表2。

4.1 存在問題

總結(jié)分析調(diào)查結(jié)果，主要有以下幾個(gè)問題：①大口井干旱年份的出水量小于設(shè)計(jì)值；②滲渠干旱年份出水量下降幅度明顯，下降幅度大于大口井；③滲渠出水量整體呈下降趨勢(shì)，須清洗；④廊道的尺寸偏小，不利于后期運(yùn)行管理。

4.2 原因分析

(1)大口井干旱年份出水量小于設(shè)計(jì)值

設(shè)計(jì)時(shí)以集取河床滲透水計(jì)算公式進(jìn)行大口井出水量計(jì)算，干旱年份，河床來水量減少，水面變窄，河床水滲透量減小，潛水面下降，從而導(dǎo)致出水量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

(2)滲渠干旱年份出水量下降幅度明顯

通過調(diào)查得出，滲渠雖為地下水取水構(gòu)筑物，但對(duì)于淺埋滲渠，其主要補(bǔ)給來源為河床滲透水，可以說淺埋滲渠取水的本質(zhì)是依靠人工制造透水層來集取河床地表水，因此其對(duì)河床滲透水量的依賴程度更高，當(dāng)河床來水量減小時(shí)，其出水量降幅更明顯。

(3)滲渠出水量整體呈下降趨勢(shì)

隨著使用時(shí)間的延長，滲渠及大口井周圍濾層會(huì)逐漸淤積，使其滲透系數(shù)下降從而導(dǎo)致出水量下降。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，戰(zhàn)馬溝水源清洗頻率高于其他，一方面是由于所在溝道水流含沙量大，另一個(gè)是工程管理粗放，下游產(chǎn)業(yè)園群眾利用其進(jìn)行灌溉等其他用途，導(dǎo)致部分時(shí)段的供水量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)供水量，導(dǎo)致濾料內(nèi)滲透坡降增大，加劇了淤積；草地、狼渡灘水源地未清洗，主要是溝道植被好，水流含沙量小，不易發(fā)生山洪。

5 結(jié)論與建議

通過對(duì)岷縣農(nóng)村供水工程水源取水方式的分析，可以得出以下結(jié)論：

表2 各取水工程實(shí)際運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表

(1)大口井、滲渠及集水廊道在山區(qū)農(nóng)村供水工程中均有較好的適用性，整體來講，大口井優(yōu)于滲渠及集水廊道。

(2)對(duì)于洪枯期水位變幅大，尤其是出現(xiàn)斷流的山區(qū)河道，采用集取河床滲透水計(jì)算公式計(jì)算的出水量往往偏大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用潛水含水層出水量計(jì)算公式復(fù)核其最小出水量。

(3)淺埋滲渠在山區(qū)河道中使用具有一定的局限性，如須采用則應(yīng)修建截水墻等截滲措施，以提高取水保證程度。

(4)滲渠及集水廊道易產(chǎn)生淤積，在水流含沙量較大或山洪多發(fā)河道使用時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)置導(dǎo)排洪設(shè)施，以延長其使用壽命。

(5)集水廊道(包括人造透水層和截滲墻)在含水層厚度較小，具有常流水的溝谷具有較好的適用性，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證廊道的寬度及高度應(yīng)不小于1.0m和1.5m，以利于后期運(yùn)行管理。

(6)提高運(yùn)行管理水平，精細(xì)管理，運(yùn)行過程中應(yīng)嚴(yán)格控制取水構(gòu)筑物出水量，不允許出現(xiàn)出水量大于設(shè)計(jì)出水量的情況，以延緩淤積，延長使用壽命。