滲管取水工程出水濁度影響因素的試驗(yàn)研究

劉雙喜，黃海濤

(1 新疆金溝河流域管理局，新疆 沙灣 832100；2 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

新疆地處干旱半干旱地區(qū),水資源短缺嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、工業(yè)和牧業(yè)的發(fā)展[1]。為了解決這種供需不平衡問題,新疆大力推廣節(jié)水工程和取水工程,根據(jù)當(dāng)?shù)厣较院恿鞯奶攸c(diǎn),滲管取水工程將原有的不利水文地質(zhì)條件朝有利方向轉(zhuǎn)化,受到了廣泛群眾的歡迎[2]。滲管取水工程一般由滲管、人工反濾層和天然河床砂組成,其取水的方法是利用埋設(shè)在地下含水層中帶孔眼的水平滲水管道,借助水的滲透、重力流截取地表水和河床潛流水進(jìn)行集水[3]。因其上部鋪設(shè)有反濾層,通過反濾層的過濾可以達(dá)到濾沙凈水的目的，這種取水構(gòu)筑物與常規(guī)的輻射井、大口井等取水構(gòu)筑物相比,具有工藝簡單、無藥劑、凈水成本低,水質(zhì)好等鮮明特點(diǎn)[4]?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn),眾多學(xué)者對滲管取水工程問題進(jìn)行了大量的理論研究，程琨等[3,5]分析了滲管取水的變化過程及出水量的影響因素,劉持峰等[6-8]分析了滲管結(jié)構(gòu)對滲管出水量的影響，劉煥芳等[2,9]運(yùn)用高等數(shù)學(xué)、流體力學(xué)公式分析了滲管取水過程中的壓力變化及水沙條件對出水量產(chǎn)生的影響，黃海濤等[10]分析不同因素對滲管壓力分布的影響;鄭曉瑜[11-12]分析了河床砂厚度對滲管取水的影響,但未與滲透系數(shù)結(jié)合起來,結(jié)論具有一定的局限性;徐程成[13]根據(jù)實(shí)際工程提出了濁度超標(biāo)的工程處理措施，金永超[14]通過工程實(shí)際研究排滲管井的影響半徑及出水量與管井布置之間的關(guān)系，陸云才[15]通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證了滲管設(shè)計(jì)的合理性并根據(jù)公式驗(yàn)證出水量。國外對滲管的研究基本集中在流量和管道尺寸確定方面,AKAN A O[16]使用Green-Ampt模型模擬土壤中水的運(yùn)動(dòng)，并采用理論推導(dǎo)的方法得到了無量綱公式可快速根據(jù)流量確定管道尺寸；MURPHY P[17]通過室內(nèi)試驗(yàn)的方法確定了水深和排水量之間的關(guān)系，研究結(jié)果可以確定地下排水管道的尺寸和布置;AFRIN T[18]利用CFD計(jì)算流體力學(xué)原理建立了系統(tǒng)流量系數(shù)隨管道尺寸變化的方程，該方程可用于確定管道尺寸和分析管道的水力特性。

綜上所述,滲管取水工程出水濁度的研究對節(jié)約水資源和提高水質(zhì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值,對滲管取水工程的研究大多集中在出流流量[3,5-9]和壓力分布[2,10]方面,對滲管取水工程出水濁度方面的研究很少，因此，本文借鑒文獻(xiàn)[17]出流與管徑之間的關(guān)系，選擇適合本文試驗(yàn)的管徑，以室內(nèi)模型試驗(yàn)為基礎(chǔ),研究天然河床砂厚度、綜合滲透系數(shù)和來流原水的濁度對滲管出水濁度的影響,從而為滲管的設(shè)計(jì)、整治等提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

本文研究的試驗(yàn)在石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院水工水力學(xué)大廳進(jìn)行。試驗(yàn)系統(tǒng)由高位水箱、離心泵、滲管、矩形堰等裝置組成,如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置縱剖面示意圖

試驗(yàn)水渠長12.0 m、寬1.0 m、高3.2 m；水渠的邊壁和底部用細(xì)石混凝土抹面和瀝青材料做不透水處理。在水渠內(nèi)布置1條末端封堵的完整式滲管,坡降為1/100；滲管材料為鋼管，表面開有圓形進(jìn)水孔，孔眼以梅花形式均勻布置。

滲管長8 m,管直徑400 mm,孔(中心)間距50 mm,行間距50 mm,孔徑18 mm,開孔率10.2%；滲管之上鋪設(shè)1 200 mm厚的人工反濾層和900 mm厚的原河床砂石料。人工反濾層共4層,其組成由下及上為：300 mm厚、粒徑范圍(40,80] mm的卵石,滲透系數(shù)為無窮大;300 mm厚,粒徑范圍(20,40] mm的卵石,滲透系數(shù)為13 426.44 m/d；300 mm厚、粒徑范圍(5,20] mm的礫石,滲透系數(shù)為9 809.09 m/d;300 mm厚、粒徑范圍(1,5] mm的砂,滲透系數(shù)為303.70 m/d。人工反濾層上面鋪設(shè)新疆金溝河原河床砂石料,滲透系數(shù)為24.81 m/d。粒徑級配曲線如圖2所示。

試驗(yàn)組次安排以來流流量、天然河床砂厚度為主要因素，試驗(yàn)共設(shè)9組，3個(gè)來流流量分別為60、70、80 L/s,3種天然河床砂厚度分別為0、0.5、0.9 m。

圖2 粒徑級配圖

試驗(yàn)水樣的濁度采用HACH 2100Q型濁度儀(量程為0～1 000 NTU)測量，每種水樣倒入3個(gè)測試瓶中,將3次測試結(jié)果的平均值作為該水樣的濁度。

采用彈線的方法,在渠道內(nèi)先鋪設(shè)0.5 m的天然河床砂,待該組試驗(yàn)完成后,加高至0.9 m。

在首部設(shè)置矩形堰,根據(jù)測桶水深和矩形堰公式[19]計(jì)算來流流量Qc,

(1)

式(1)中,Qc為來流流量，L/s；H為堰上水頭，m；P1為上游堰高，m；b為堰口寬度，m；g為重力加速度，m/s2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 時(shí)間對滲管出水濁度的影響

圖3是人工反濾層為0.9、1.2 m時(shí)滲管出水水質(zhì)隨滲管閥門開啟時(shí)間變化趨勢圖。從圖3可以看出:隨著閥門開啟時(shí)間的增長,出水濁度逐漸下降，水質(zhì)逐漸變好。當(dāng)閥門開啟時(shí)間為0 min時(shí),出水濁度最大，水質(zhì)最差，0～20 min間水樣濁度迅速下降,30 min以后出樣濁度隨時(shí)間的變化量減小,90 min后基本趨于穩(wěn)定,隨后出水濁度變化值更小。這是由于閥門關(guān)閉時(shí)反濾料中存在泥沙,而且反濾層顆粒之間相互限制顆粒的位移,因此，其中的泥沙緩慢的流入滲管而不容易被帶走；在閥門開啟之初,滲管出水基本全部來自滲管儲存水和含水層的靜儲水,在較長的一段時(shí)間內(nèi)滲管出水的濁度相對較高；閥門開啟后期，當(dāng)含水層的徑流量與滲管出水量形成新的動(dòng)態(tài)平衡后,含水層水波動(dòng)相對較小,濁度逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 天然河床砂厚度為0.9 m時(shí)濁度隨時(shí)間的變化

2.2 不同天然河床砂厚度對滲管出水濁度的影響

本文試驗(yàn)中反濾層厚度的變化主要體現(xiàn)在天然河床砂厚度的變化，其試驗(yàn)結(jié)果見圖4。由圖4可知:

(1)當(dāng)流量相同時(shí),最大出水濁度發(fā)生在天然河床砂厚度為0 min時(shí)；隨著天然河床砂厚度的增加,出水濁度逐漸減小，之后，隨著天然河床砂厚度的增加,出水濁度下降。這是因?yàn)樘烊缓哟采昂穸鹊脑黾酉喈?dāng)于增加了反濾層的厚度，而反濾層具有一定的濾土排水功能,所以厚度大的天然河床砂過濾效果比厚度小的好。

(2)當(dāng)天然河床砂厚度超過0.5 m時(shí),出水濁度下降的趨勢較0～0.5 m時(shí)緩；當(dāng)天然河床砂厚度相同時(shí),流量越大,出水濁度越大。這主要是因?yàn)楸疚脑囼?yàn)選取的人工反濾層滲透系數(shù)增大,對出水濁度的影響較小,且試驗(yàn)所用的水體為沉積多年的試驗(yàn)室地下水庫水,水質(zhì)較為渾濁,當(dāng)流速增大時(shí)雜質(zhì)才能通過人工反濾層進(jìn)入滲管中。

(3)鋪設(shè)天然河床砂后,出水濁度受來流流量的影響變小。天然河床砂為0.5 m、流量為60、70 L/s時(shí),濁度幾乎相同，流量為80 L/s時(shí)，出水濁度較另2個(gè)流量的出水濁度有所減小,當(dāng)天然河床砂鋪設(shè)至0.9 m時(shí),3種流量滲管出水的濁度幾乎相同。這種現(xiàn)象可用滲流力學(xué)來解釋,當(dāng)橫向流速大于縱向流速時(shí)會出現(xiàn)非飽和流現(xiàn)象，滲管出水量的減小將導(dǎo)致滲管出水濁度的上升，而當(dāng)河床砂厚度增加到0.9 m時(shí),縱向流速增加,橫向流速相對減弱,出水量增加,濁度下降。

圖4 濁度隨天然河床砂厚度的變化

2.3 綜合滲透系數(shù)對滲管出水濁度的影響

因?qū)嶋H工程中選用的天然河床砂滲透系數(shù)與人工反濾層滲透系數(shù)不同,根據(jù)并聯(lián)聯(lián)結(jié)規(guī)則可知，當(dāng)天然河床砂厚度增加時(shí),系統(tǒng)綜合滲透系數(shù)或增或減,為了使結(jié)論更具普適性,進(jìn)行綜合滲透系數(shù)對滲管出水濁度影響的分析。

從圖5可以看出:綜合滲透系數(shù)越大,濾土效果越差,滲管出水濁度越大。當(dāng)綜合滲透系數(shù)小于100 m/d時(shí),水體中小顆粒泥沙可被反濾層濾出,濾出的泥沙被水流沖下,清水滲入滲管中,所以隨著綜合系數(shù)的下降,濁度值的下降趨勢越來越明顯。

圖5 濁度隨綜合滲透系數(shù)的變化

2.4 特征濁度以及占比系數(shù)

實(shí)際工程中原水濁度有所不同,為了給實(shí)際工程提供更好的借鑒,引入濁度的占比系數(shù)α反映滲管出水濁度的變化特性,α是通過同一時(shí)刻滲管出水濁度的差值與渠道水樣濁度的比值,α值越大，表明反濾層對水體凈化產(chǎn)生的影響越大。

由表1可知:當(dāng)天然河床砂厚度相同時(shí),濁度的占比系數(shù)α基本隨著流量的增大而增大,隨著天然河床砂厚度的增加而降低；濁度為9.5 NTU左右的原水經(jīng)過反濾層的過濾作用,濁度下降至1～2 NTU,可滿足工業(yè)用水的要求甚至居民飲用水的要求。

表1 特征濁度及下降系數(shù)

2.5 不同因素對滲管出水濁度的影響大小

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)值,對滲管不同流量、不同原水濁度和不同天然河床砂厚度進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見表2，回歸方程為

Tp=10.921Tr+0.035Qc+0.476To-15.380，

(2)

表2 不同來流流量、原水濁度和天然河床砂厚度的回歸分析

由表2可知：本文選取的3個(gè)變量子集之間差異性顯著(P<0.05),說明每個(gè)因素對滲管出水濁度都有影響；從三者的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)、顯著性水平值可知,天然河床砂厚度對滲管出水濁度的影響比其他因素都大。

為了和工程實(shí)際更符合,將式(2)與綜合滲透計(jì)算公式(式(3))聯(lián)立,轉(zhuǎn)化為以綜合滲透系數(shù)為參數(shù)的公式，即

(3)

(4)

該公式的相關(guān)系數(shù)R=0.960,表明擬合精確度很高,上述結(jié)果可用于實(shí)際工程的指導(dǎo)。

3 結(jié)論

本文通過模型試驗(yàn)實(shí)測的方法分析不同因素對滲管出水濁度的影響,得出以下結(jié)論：

(1)隨著閘門開啟時(shí)間的增長,反濾層顆粒之間的相互限制減弱,滲管出水濁度逐漸下降。

(2)滲管出水濁度隨著天然河床砂厚度的增加而減?。辉跐B流過程中受到流速的影響,當(dāng)橫向流速主導(dǎo)時(shí),滲管出流濁度有所增加。因此，通過選擇滲透系數(shù)較小的天然河床砂、增加天然河床砂的厚度使系統(tǒng)綜合系數(shù)下降,可以有效降低實(shí)際工程中滲管的出水濁度。

(3)在天然河床砂厚度、流量和渠道原水濁度這些因素中,天然河床砂厚度的改變對滲管出水濁度影響最大。