臺蘭河地下水庫人工補給方案實驗研究

王 琴

(新疆水文局，新疆 烏魯木齊 830000)

美國從19世紀(jì)末期便開始進行地下水人工補給的實踐，在調(diào)節(jié)水資源供需平衡方面提出了“水銀行”概念[1]，到2002年7月，美國正在運行的ASR系統(tǒng)共有56個，而建成的系統(tǒng)則在100個以上[2]。我國在地下水人工補給方面的研究進行得較晚，但也取得了不少進展。我國大規(guī)模開采利用地下水從二十世紀(jì)60年代中期開始[3-5]。1977-1982年間，河北省南宮縣進行了地下水庫試驗研究工作，它是我國最早的相對完整的大型無壩地下水庫[6]。北京市地質(zhì)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)公司于1981-1983年間，在北京近郊約1 000 km2范圍內(nèi)開展了大量水文地質(zhì)調(diào)查、回灌試驗以及室內(nèi)模擬實驗進行了各種水文地質(zhì)參數(shù)的測試，取得了近百萬個數(shù)據(jù)，通過模型研究，論證了控制地下水位持續(xù)下降和進行優(yōu)化調(diào)蓄的方案[7-8]。山東、遼寧等省從90年代開始，在山東龍口、青島、煙臺、大連等地相繼興建了有壩地下水庫工程，起到了防治海水入侵和攔蓄地下入海潛流的作用[9-17]。

臺蘭河河水中懸浮物含量很高，解決懸浮物堵塞問題，是地下水人工補給技術(shù)研究的重點。本文對臺蘭河地下水庫補給水源凈化進行實驗研究，旨在探索出符合臺蘭河地下水庫實際的蓄洪補清方案。蓄洪補清的地下水人工補給技術(shù)，不僅為地下水庫建設(shè)提供重要技術(shù)支撐，其成果也可應(yīng)用于地下含水層人工補給、地下水污染治理等方面，對地下水超采區(qū)治理以及水資源可持續(xù)利用具有重要意義。

1 概況

臺蘭河流域位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣境內(nèi)，地理位置在東經(jīng)80°21′44″～81°10′44″，北緯40°41′44 ″～42°15′13″之間，臺蘭河發(fā)源于西南天山托木爾峰南麓，上游由大臺蘭河、小臺蘭河在距山口前8 km處匯合后稱臺蘭河(圖1)，出山口后，由西向東匯入支流塔克拉克河，最終流入臺蘭河山前洪積扇地帶，流向自北向南，為一典型內(nèi)陸河，該河為一獨立水系，全長90 km。臺蘭河含沙量較大，年均懸移質(zhì)含沙量為3.93 kg/m3，年均輸沙率為91.3 kg/s，年均輸沙量為288萬 t。

作為地下水庫補給水源的臺蘭河河水，來自于山區(qū)，受到的人為污染很少，其絕大部分指標(biāo)能夠滿足生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是河水中懸浮物含量很高，不能滿足地下水補給水源水質(zhì)要求，必需采取措施進行凈化。對懸浮物的處理不能像自來水廠那樣對水源進行繁雜的處理以達到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)人工補給地下水所必需的水質(zhì)基本要求進行簡易處理，通過簡單、經(jīng)濟、有效的方法去掉懸浮物。水的簡易凈化一般是通過在水庫、坑塘或沉淀池中進行沉淀來實現(xiàn)的。能夠比較準(zhǔn)確地研究出臺蘭河河水的凈化規(guī)律，將會為臺蘭河地下水庫人工補給方案比選提供重要依據(jù)。

圖1 臺蘭河流域水系示意圖

圖2 實驗布置圖

2 實驗方案

本文對臺蘭河河水進行3種沉淀實驗，一是室內(nèi)靜置沉淀實驗:取臺蘭河河水，在室內(nèi)搖勻后，靜置沉淀，分別在0.2、0.5、1、2、4、7、12、24、48、72、96小時時刻，取表層水體做濁度分析。二是通過沉砂池沉淀實驗：沉砂池布置見圖2，入口長度3 m，為喇叭形。工作段長度22 m，寬度4 m，前端深度2 m，后端深度3 m，池底坡降1/16，出口處為溢流堰，通過橫向集水槽，將處理后的水體排出，沉沙池采用漿砌石襯砌。調(diào)整進入沉砂池的入池流量，使其與沉砂池滲水量相同，以保持沉砂池水位不變。在沉砂池溢流堰前端，沉砂池中軸線附近，水面以下0.5 m、1.0 m處分別取水樣進行沉淀效果分析。三是沉淀池沉淀實驗：沉淀池布置見圖2，沉淀池入口段為梯形，長6 m，中部為梯形連接沉淀段，長36 m，后部為長方形，底長13.5 m、頂長18.5 m、底寬8 m，頂寬18 m，深度5 m。

3 結(jié)果分析

3.1 室內(nèi)靜置沉淀實驗

12 h內(nèi)，濁度變化明顯，12 h之后變化趨緩，見圖3～圖5。將水樣做懸浮物含量分析，懸浮物含量變化速度分三個階段，懸浮物含量從500 mg/L降到200 mg/L非常快，只用1 h。從200 mg/L降到35 mg/L比較慢，用時11 h，再往下就更慢了。降到滿足注水水質(zhì)懸浮物含量要求的20 mg/L，需要40 h。

圖3 不同沉淀時間下的濁度變化情況圖

圖4 濁度與沉淀時間關(guān)系圖 圖5 懸浮物含量與沉淀時間關(guān)系圖

3.2 沉砂池沉淀實驗

沉砂池分析結(jié)果(圖6)，隨著時間的增加，池中水體懸浮物含量逐漸減少，減少的速度逐漸降低，沉淀7 h之前，沉淀效果十分明顯，水面以下1 m處懸浮物含量由1 486 mg/L，下降到218 mg/L，平均每小時減少181 mg/L；沉淀7 h以后，懸浮物含量減少的速度很慢，沉淀效果不明顯，沉淀7～8 h之間，懸浮物含量1 h只減少了28 mg/L。水面以下0.5 m與1.0 m處沉淀效果比較，沉淀4 h之前，水面以下0.5 m水樣的懸浮物含量較1.0 m處明顯小，4 h以后二者十分接近，但是0.5 m處水樣的懸浮物含量普遍較1.0 m處稍微偏小一些。此實驗說明，水體懸浮物含量180 mg/L以上時，懸浮物中粗粒含量比較多，沉淀比較容易。水體懸浮物含量180 mg/L以下時，懸浮物中主要是細粒成分，沉淀比較困難。

3.3 沉淀池沉淀實驗

(1)沉淀水體池靜置沉淀實驗。將沉淀池注滿水，控制系列梯級滲水池進水的3號閘處沒有過水、沉淀池溢流口沒有流水的條件下，關(guān)閉2號閘，讓沉淀池內(nèi)的水靜置，整個實驗過程中，不再向沉淀池內(nèi)注水。分別在水面以下0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m取樣，取樣頻率為2 h1次，對取的水樣做懸浮物含量分析，監(jiān)測其沉淀效果，見圖7。

由實驗結(jié)果分析：①10 h之內(nèi)沉淀效果比較明顯，沉淀池內(nèi)的水靜置10 h后，水面以下0.5 m水的懸浮物含量由130 mg/L降至37 mg/L，水面以下3.0 m水的懸浮物含量由331 mg/L降至36 mg/L，表層與底部的水的懸浮物含量接近。10 h之后懸浮物含量變化不大，在30～50 mg/L之間波動。②10 h之后，隨著水深增加，懸浮物含量降低，變化幅度在10 mg/L之內(nèi)。

(2)沉淀池水體流動沉淀實驗。保持沉淀池水位不變(入水量與下滲水量相同)，測量不同時刻，0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m深度內(nèi)懸浮物含量，實測結(jié)果見圖8。

圖6 沉砂池不同深度懸浮物含量變化圖

圖7 沉淀池水體靜置沉淀效果變化 圖8 沉淀池水體流動沉淀效果變化

由實驗結(jié)果分析：(1)河水進入沉砂池時懸浮物含量1 131 mg/L，流出沉砂池進入沉淀池時懸浮物含量824 mg/L，經(jīng)過沉淀池沉淀后，懸浮物含量只能降到200 mg/L，沉淀效果與沉砂池類似，繼續(xù)沉淀，效果不明顯，如果進入沉淀池的流量增加，水體擾動后，懸浮物含量會隨著增加。(2)沉淀初期，懸浮物含量隨水深增加而減少，5 h時，不同深度懸浮物含量接近，沉淀后期懸浮物含量隨水深增加而增加。8 h時，增加了入池水量，懸浮物含量增加，深部較淺部增加快，表層0.5 m水深增加很少，24 h時又增加了入池水量，水體懸浮物含量增加。

4 結(jié)語

通過本次可得出以下結(jié)論：(1)解決泥沙，特別是細顆粒泥沙對包氣帶和含水層孔隙的堵塞問題，是人工補給技術(shù)的關(guān)鍵。(2)臺蘭河河水懸浮物含量很大，且主要是細顆粒，在實驗室靜置40 h，才能滿足注水水質(zhì)懸浮物含量要求(20 mg/L)。(3)水體懸浮物含量高于180 mg/L時，懸浮物中粗粒含量比較多，沉淀比較容易。水體懸浮物含量低于180 mg/L時，懸浮物中主要是細粒成分，沉淀比較困難。(4)沉淀池靜置沉淀10 h，懸浮物含量減低到50 mg/L，再延長時間，沉淀效果不明顯，最多能夠降低到30～50 mg/L。在沉淀池流量180 m3/h時，懸浮物含量最多能夠降低到200 mg/L。

結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，可以在地下水庫取水區(qū)上游3 km處，對現(xiàn)有砂石料場進行改建，使其成為沉砂池。為了提高效率，可以將砂石料場分割成2個沉砂池，獨立運行，在設(shè)計時應(yīng)注意解決沉砂池入口堵塞問題。沉砂池的作用是對河水進行初步沉淀，使懸浮物含量從大于1 000 mg/L降低到200 mg/L左右，減少或避免補給帶及下游的於堵。本次實驗為臺蘭河地下水庫蓄洪補清探索了可實施的符合實際的方案。