北票滲濾取水工程井水位、水溫動(dòng)態(tài)特征

李曉，郭宏洋，趙亞茜，陳樺，呂鳴

(1．成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059； 2．重慶滲濾取水工程有限公司,重慶 401147)

傍河開采地下水是我國北方城鎮(zhèn)、工礦企業(yè)集中供水的一種常用取水方式，滲流井是傍河開采地下水的一種工藝技術(shù)，以滲流井方式開采地下水和滲透水，在運(yùn)行過程中水質(zhì)、水量常受到氣候、降水、河流徑流變化等多種環(huán)境因素的影響，可能導(dǎo)致河水與地下水補(bǔ)給關(guān)系、含水層滲透性產(chǎn)生變化。滲流井水位、水溫動(dòng)態(tài)是指抽水井水位和水溫隨時(shí)間的變化過程。研究地下水動(dòng)態(tài)對了解滲流井運(yùn)行過程中各種環(huán)境因索對地下水的影響，揭示河水補(bǔ)給含水層、含水層淤塞等信息，滲濾取水工程運(yùn)行過程中水質(zhì)、水量隨環(huán)境的變化特征，了解和掌握取水過程中水文地質(zhì)環(huán)境的變化，水質(zhì)、水量的變化規(guī)律的關(guān)鍵之一，也是說明滲濾取水水質(zhì)、水量穩(wěn)定性、可靠性的重要技術(shù)參數(shù)。研究滲流井取水過程中水位和水溫變化，對滲流井取水管理和運(yùn)營維護(hù)具有重要的理論和實(shí)際意義。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對傍河取水開展了大量研究，主要集中在傍河水源地地下水開采的水量保證和水質(zhì)凈化效果、堵塞研究等方面。在傍河取水水量開采研究方面朱學(xué)愚和錢孝星(1997)總結(jié)分析了北方丘陵、濱海平原及長江三角洲等地地下水資源量大部分來自于襲奪地表水資源量，河水入滲量是傍河水源地水資源量評價(jià)的關(guān)鍵[1]；劉國東等(1998)對傍河水源地地下水資源量評價(jià)方法進(jìn)行總結(jié)，主要計(jì)算方法有均衡法、水動(dòng)力學(xué)法、地下水管理模型優(yōu)化方法及開采試驗(yàn)法等[2];郭欣偉等(2014)對渭河傍河水源地開采進(jìn)行地下水?dāng)?shù)值模擬，計(jì)算分析傍河水源地地下水開采量對渭河干流水量的影響導(dǎo)致地下水位下降，結(jié)果表明需通過其他手段改善地下水位下降問題，實(shí)現(xiàn)水均衡[3-4]；在傍河取水滲濾過程對水質(zhì)凈化的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)滲濾過程可以很好的改善水質(zhì)。國外學(xué)者Sontheimer.H(1980)在萊茵河研究發(fā)現(xiàn)河流滲濾系統(tǒng)對鉻和砷的去除率達(dá)90%，對鎘、鋅、鉛、銅、鎳的去除率也超過50%[9]；Grischek.T(1998)等對德國易北河硝酸濃度進(jìn)行研究，證明滲濾能降低硝酸濃度[10]；Jurgen Schubert(2002)等對萊茵河水進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明河流滲濾系統(tǒng)對溶解的有機(jī)碳、氨氮去除效果均很好[11]。國內(nèi)學(xué)者吳耀國等(2000)對徐州奎河河水滲濾過程進(jìn)行研究，結(jié)果表明滲濾過程對氨氮的去除率可達(dá)95%[14]；王含婧(2008)等對黃河傍河取水工程對水中污染物去除效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明傍河取水對黃河水中的總磷、氨氮、UV254具有良好的去除效果[8]。關(guān)于傍河取水中對井管等的堵塞研究方面胡斌等(2016)總結(jié)了傍河水源地取水井堵塞為物理堵塞、化學(xué)堵塞及微生物堵塞，緩解堵塞方式為洗井、監(jiān)測河流水質(zhì)、合理設(shè)計(jì)取水井井群分布及控制取水井取水量[12-13]。而通過水位和水溫長期監(jiān)測來研究傍河取水的研究尚少見報(bào)道。本文依據(jù)北票滲流井取水過程主取水井水位、水溫長期的間隔的監(jiān)測資料，分析東北地區(qū)傍河取水過程中的水位、水溫變化特征，探索引起變化的原因和影響因素，為保障滲流井的持續(xù)、穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 場地環(huán)境

北票市位于遼寧省的西部，供水區(qū)域人口約20萬，境內(nèi)地表水系發(fā)育，主要河流為大凌河，流經(jīng)全境，其支流有牤牛河(交通位置圖見圖1)。為滿足城市發(fā)展的供水需求，2012年在白石水庫庫區(qū)采用滲流井取水工藝建水廠。工程場區(qū)位于大凌河的下游地段的白石水庫，是典型的沖洪積形成的河谷地貌，河床寬闊中坦，河床兩岸呈較對稱“V”字型階地及斜坡地貌，北岸最大標(biāo)高131.0 m(饅頭溝)，南岸邊岸標(biāo)高115.6 m。河漫灘發(fā)育，由沖洪積成因的砂礫卵石層構(gòu)成，厚約6～7 m，是較為理想的取水濾床。區(qū)內(nèi)除上游建有公路大橋，無大的建(構(gòu))筑物，污染源少。北票市地處溫帶大陸性氣候區(qū)，年平均氣溫6 ℃～11 ℃，1月-18 ℃～-5 ℃，7月22 ℃～26 ℃，年降水量440～1 130 mm。受季風(fēng)的影響，春季少雨而多風(fēng)，夏季暖熱而多雨，秋季短暫而晴朗，冬季寒冷而干燥。北票取水工程于2014年4月開始運(yùn)行。

圖1 工程區(qū)交通位置圖

2 取水工程概況及監(jiān)測

2.1 工程概況

北票取水工程水源地分兩個(gè)廠區(qū)建設(shè)，水源地占地面積約100×104m2，取水量5×104m3/d。兩廠區(qū)建于白石水庫北岸，其中第一廠區(qū)建于饅頭溝附近，第二廠區(qū)建于其下游約1 km處。兩廠區(qū)地下取水構(gòu)筑均由1座集水豎井、3條庫底輸水中巷、6個(gè)集水硐室和160個(gè)滲濾取水輻射孔組成。各構(gòu)筑物特征如下：

(1) 集水豎井：設(shè)計(jì)井口標(biāo)高H=130 m，保證水庫遠(yuǎn)期正常蓄水位要求。豎井井筒為圓形，內(nèi)徑5 m，初設(shè)井深為60.0 m，井底5.0 m段為導(dǎo)井(積淤與施工排污)，建設(shè)施工井深50 m。

(2) 輸水中巷：中面布局均呈“Y”形，主巷道長度第一廠區(qū)為500 m、第二廠區(qū)為600 m，2條支巷長均為300 m，巷道凈斷面為2.0 m×2.0 m，為圓拱直墻式支護(hù)形式，墻、頂背均作砂漿砼、塊石填實(shí)止水。巷道馬門口底標(biāo)高擬75.0 m，縱坡率0.25%。

(4) 滲濾孔：布設(shè)于硐室內(nèi)，呈放射狀實(shí)施對濾床區(qū)的控制。設(shè)計(jì)滲濾孔輻射實(shí)際控制取水面積約8×104m2。共設(shè)滲濾孔160個(gè)，單孔深度50 m，孔端安置特制過濾器。單孔平均安裝過濾器4套，取水量80～100 t/套·d，總?cè)∷坎恍∮?×104m3/d。

該廠區(qū)設(shè)備安裝及取水建筑建設(shè)完成，已投入使用1 a進(jìn)行滲濾取水。北票取水工程第一廠區(qū)工程中平面布置圖及剖面圖見圖2、圖3。

1.農(nóng)田；2.水源地；3.集水巷道；4.剖面線；5.水庫堤壩；6.河湖漫灘；7.湖泊水庫;8.江河；9.集水范圍；10.流向圖2 北票取水工程中面布置圖

圖3 北票取水工程剖面示意圖

2.2 監(jiān)測

監(jiān)測設(shè)備安裝：

水位及水溫動(dòng)態(tài)監(jiān)測在水廠集水豎井中進(jìn)行，集水豎井的內(nèi)徑為5 m，井深50 m。集水豎井設(shè)置在水庫最高淹沒線之上(井口標(biāo)高130 m)，避免因水庫水位上升而淹沒集水豎井。井壁采用鋼筋混凝土全現(xiàn)澆支護(hù)，井口采用鋼板封蓋，僅有抽水管道留有進(jìn)口，這既保證了設(shè)備的有序運(yùn)行，還保證了四周環(huán)境衛(wèi)生和水體水質(zhì)(具體可見圖4)。

圖4 主井監(jiān)測探頭示意圖

水位水溫動(dòng)態(tài)監(jiān)測設(shè)備采用荷蘭斯倫貝謝水務(wù)公司的Mini-Diver小型地下水自動(dòng)監(jiān)測儀。該監(jiān)測儀主要用于記錄地下水位及水溫，監(jiān)測儀規(guī)格：長90 mm，直徑22 mm。儀器放置后自動(dòng)測量并保存地下水水位和水溫?cái)?shù)據(jù)，可記錄24 000組數(shù)據(jù)。

2014年4月在完成現(xiàn)場的儀器測試監(jiān)測后，于2014年5月1日，進(jìn)行了長期監(jiān)測的探頭安裝，第一次監(jiān)測持續(xù)時(shí)間為2014年5月1日～2015年7月1日。

3 結(jié)果與分析

3.1 水位、水溫年變化特征

北票水廠2014年5月1日至2015年7月1日水位、水溫水動(dòng)態(tài)監(jiān)測年變化特征見圖5。

圖5 北票2014～2015年地下水水位及水溫動(dòng)態(tài)變化曲線圖

3.1.1 井水水位變化特征

如今的新曹，大田平如毯，綠樹蔽白日，道路直無頭，農(nóng)渠波浪清，住房精而美。現(xiàn)在的農(nóng)場，農(nóng)區(qū)變景區(qū)、家園變公園、產(chǎn)區(qū)變銷區(qū)、產(chǎn)品變禮品。

對2014年5月1日～2015年7月1日觀測結(jié)果進(jìn)行分析，2014年井水位的水位曲線表現(xiàn)出兩個(gè)明顯峰值，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在5月初，第二個(gè)峰值在7月下旬，第一個(gè)峰值高，為114.42 m，第二個(gè)峰值為111.9 m。結(jié)合當(dāng)?shù)貧鉁?、降水特征，分析滲流井主取水井水位出現(xiàn)兩個(gè)峰值的原因是受冰雪消融補(bǔ)給和大氣降水補(bǔ)給影響。第一個(gè)峰值出現(xiàn)在5月初，其補(bǔ)給來源是從3月開始積聚的冬季冰雪消融水，地下水的補(bǔ)給量增加引起地下水水位的抬升形成第一個(gè)水位峰值，在4月下旬至5月初，水位到達(dá)最高，然后開始緩慢下降。7月進(jìn)入雨季后，降水補(bǔ)給量增加，水位抬升逐漸形成第二個(gè)水位峰值。第一個(gè)峰值高于第二個(gè)峰值，表明在北票地區(qū)，含水層獲得的融雪補(bǔ)給量大于降雨補(bǔ)給量。

3.1.2 井水溫度變化特征

2014年水位峰值為114.42 m，2015年水位峰值113.81 m，相差0.61 m，水位峰值相差的原因主要可能是由井管內(nèi)淤塞引起的。

3.1.3 水溫年變化特征

井水溫在2014年5月至2015年6月一個(gè)水文年內(nèi)，顯示出單峰特征，2014年11月17日到達(dá)最大值為16.81 ℃， 2015年4月26日下降到最低值，為8.56 ℃。全年井水溫度變化幅度為8.25 ℃。

3.1.4 幾個(gè)問題討論

(1) 井水溫度的最低點(diǎn)出現(xiàn)在水位的最高點(diǎn)，如2015年4月下旬，溫度為8.56℃，水位為113.81 m；水溫低點(diǎn)和水位高點(diǎn)吻合。

(2) 2014年全年氣溫高點(diǎn)在7月，井水溫度出現(xiàn)的高點(diǎn)在11月17日，井水溫度高點(diǎn)相當(dāng)于氣溫高點(diǎn)出現(xiàn)滯后近4個(gè)月，井水溫度高點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，當(dāng)?shù)貧鉁卦?0 ℃～12 ℃之間。井水溫度高點(diǎn)滯后4個(gè)月表明北票滲濾取水工程井水補(bǔ)給來源在含水層中經(jīng)歷了較長的時(shí)間。

(3) 井水水位和水溫的長周期變化不受取水抽水的影響，受氣溫、融雪水補(bǔ)給、大氣降水補(bǔ)給影響。長期水位的長期變化特征可以用來分析含水層的淤塞特征，從北票取水工程2015年最高水位比2014年最高水位低0.61 m看，含水層有一定淤塞。

3.2 水位、水溫日變化特征

地下水監(jiān)測儀器每25 min自動(dòng)記錄一個(gè)水位和水溫?cái)?shù)據(jù)，因此可以利用監(jiān)測資料分析在取水狀態(tài)下1 d的水位和水溫變化特征。通過對2014年5月1日至2015年7月1日425組日動(dòng)態(tài)變化曲線分析，發(fā)現(xiàn)日變化曲線隨著抽水量、每天抽水次數(shù)不同，表現(xiàn)出不同的特征，可通過2014年9月27日的動(dòng)態(tài)曲線，分析井水的水位和溫度的日變化特征。地下水水位及水溫動(dòng)態(tài)曲線如圖6。

圖6 2014年9月27日地下水水位及水溫動(dòng)態(tài)曲線

由圖6可以看出，1 d內(nèi)水位和水溫的動(dòng)態(tài)有明顯變化，但變化幅度不大，水位變化幅度0.55 m，溫度變化0.34 ℃。最高水位出現(xiàn)在凌晨5時(shí)08分，水位標(biāo)高為110.63 m，最低水位為110.08 m于夜間22時(shí)38分測得。當(dāng)日地下水水溫最高值為15.6 ℃，出現(xiàn)在清晨6時(shí)48分，最低15.26 ℃，出現(xiàn)在9時(shí)43分。

由日水位、水溫變化曲線可以直觀看出，抽水會(huì)引起水位和水溫變化，凌晨5時(shí)08分增加2臺(tái)泵抽水，水位開始急劇下降，下午14時(shí)18分停1臺(tái)水泵，水位上升，到22時(shí)38分，停2臺(tái)水泵，地下水水位迅速回升。

水位和水溫變化具有同步變化特征，即水位下降、水溫也下降，但是溫度下降要滯后30～60 min。凌晨5時(shí)08分增加2臺(tái)泵抽水，水位開始急劇下降，水溫在抽水后繼續(xù)升高，滯后1 h(6點(diǎn)48分)后，水溫到達(dá)15.6 ℃后，開始下降，14時(shí)停1臺(tái)水泵，水位上升，水溫滯后1 h同步上升。到22時(shí)38分，停2臺(tái)水泵，地下水水位回升，水溫也逐漸開始回升。

4 結(jié)論

(1) 通過分析北票滲濾取水工程2014年5月1日至2015年7月1日監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出井水位變化具有雙峰特征，第一個(gè)峰值(114.42 m)出現(xiàn)在2014年5月1日，由融雪水補(bǔ)給引起，峰值過后井水位逐步降低，到在2014年6月28日水位低值，其水位變幅為4.98 m。然后水位逐步上升，在2014年7月30日出現(xiàn)第二次水位峰值(111.92 m)，然后水位逐步降低，到2015年2月17日出現(xiàn)第二次水位低值為108.58 m，其水位變幅為3.34 m。北票滲濾取水工程主井水位1 a內(nèi)總體變化幅度為6 m左右，變化的原因主要有補(bǔ)給條件變化引起，一次是3～5月的融雪期，一次是7～8月的降雨期，融雪的補(bǔ)給強(qiáng)度大于降水的補(bǔ)給強(qiáng)度。

(2) 井水溫最高為16.81 ℃，最低為8.56 ℃，最高值出現(xiàn)在2014年11月17日，最低值2015年4月26日。期間最大變化幅度為8.25 ℃。井水溫度變化與氣溫變化相似，表現(xiàn)為單峰特征，但地下水溫高點(diǎn)滯后氣溫高點(diǎn)4個(gè)月，揭示地下水補(bǔ)給具有較大的面積和緩慢的徑流過程。

(3) 井水水位和水溫的長周期變化不受取水抽水的影響，受氣溫、融雪水補(bǔ)給、大氣降水補(bǔ)給影響。長期水位的長期變化特征可以用來分析含水層的淤塞特征，從北票取水工程2015年最高水位比2014年最高水位低0.61 m看，含水層有一定淤塞。

(4) 井水位和水溫日變化主要受抽水影響，水位變化在0.4～0.7 m范圍內(nèi)，水溫變化在0.2 ℃～0.4 ℃范圍內(nèi)，水位和溫度具有相同變化特征，但溫度變化滯后30～60 min。