川西高原地區(qū)山區(qū)河流取水工程形式選擇的思考

四川西部處于高寒高海拔地區(qū)，自來水廠取水水源通常采用山區(qū)河流地表水。夏季降水量大，山區(qū)河流收水土流失水量較大但很渾濁度高；冬季天氣寒冷結(jié)冰期廠，冬季河流水量較小，取水較為困難。山區(qū)河流一般可采用滲渠取水、低壩取水、底欄柵取水等。結(jié)合甘孜州某鎮(zhèn)供水項(xiàng)目實(shí)例，詳細(xì)對上述幾種取水形式作了分析計(jì)算研究，最終確定了低壩取水方式。

滲渠取水； 低壩取水； 底欄柵取水； 推移質(zhì)； 沉砂池； 沖砂閘；滲透系數(shù)

TV671A

［定稿日期］2024-08-30

［作者簡介］唐先權(quán)（1974—），男，本科，高級工程師，注冊公用設(shè)備工程師（給水排水）；注冊咨詢工程師，研究方向?yàn)榻o水排水工程設(shè)計(jì)及咨詢。

0 引言

川西高原地區(qū)地廣人稀，城鎮(zhèn)供水規(guī)模相對較小，取水工程規(guī)模也相對較小。我們參與的甘孜州某鎮(zhèn)的供水工程廠供水規(guī)模6 000 m3/d，取水工程規(guī)模6 600 m3/d（考慮10%的水廠自用水量）。該區(qū)域的海拔高度為3 700～4 000 m，冬季氣溫低、干燥暴冷。年平均氣溫-0.1 ℃，極端最低氣溫-36.3 ℃。川西高原地區(qū)多以山區(qū)為主，地下水資源并不豐富，鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民多以山區(qū)河流作為生活飲用水水源。該項(xiàng)目取水水源來自本區(qū)域山區(qū)河流知青溝，知青溝流域面積250 km2，平均流量2.38 m3/s。水質(zhì)良好，其環(huán)境指標(biāo)均在國家Ⅲ類水域標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。冬季冰下水流深度0.2～0.25 m，枯水流量為0.45 m3/s，能夠滿足供水要求。取水工程的目標(biāo)要取到滿足水量要求的優(yōu)質(zhì)水，減輕自來水廠處理工藝的壓力和減少運(yùn)營成本。鑒于取水工程對整個(gè)供水工程來講尤為重要，本文專門針對高原高海拔地區(qū)的取水形式選擇做些分析、研究和思考，希望能給同行帶來一些新的思路。

1 川西高原山區(qū)河流特點(diǎn)［1］

（1）水量和水位變化幅度大，水位猛漲猛落，但持續(xù)時(shí)間不長；河床常為砂、卵石或巖石組成，在夏季洪水期，水中存在粒徑大推移質(zhì)泥砂，甚至還有大滾石。

（2）水質(zhì)變化：枯水期冰層下面清澈見底，豐水期暴雨后水流渾濁，漂浮物較多，雨過天晴，水質(zhì)恢復(fù)清澈。

（3）冬季平枯水期水深較小，冬季河面結(jié)冰，冬季結(jié)冰時(shí)間長，冰層下的水深較小，給取水帶來困難。同時(shí)還考慮到在輸水工程中的防凍處理。

取水重點(diǎn)考慮的是夏季暴雨防砂及克服冬季結(jié)冰低水位。知青溝屬于典型的山區(qū)淺水河流，通?？刹捎玫讬跂攀?、滲渠式、低壩式等。

因底欄柵取水適用在水淺、大顆粒推移質(zhì)較多的山區(qū)河流，取水量較大時(shí)采用［1］。底欄柵式若設(shè)有沖砂室則可應(yīng)對增強(qiáng)對山洪的應(yīng)對能力，但是實(shí)地考察，水源地附近知青溝坡度、比降較小，可提供的沖洗水頭較小，不便設(shè)置沖砂池，且底欄柵式構(gòu)筑物土建較復(fù)雜，工程投資大，該項(xiàng)目不宜采用。因此本篇重點(diǎn)分析滲渠式取水和低壩取水的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 滲渠取水

（1）滲渠指鋪設(shè)在河底含水層中的集水管（渠道），又名截伏流，原水經(jīng)層層砂料過濾滲入河床底部的集水管中，再流入沉砂池進(jìn)行初沉。滲渠主要用于截取河床滲透水和潛流水，位置選址有三種形式，一是平行河流，二是垂直于河流，三平行與垂直組合布置。由于知青溝河道寬度較窄，本項(xiàng)目滲渠設(shè)置在河床下平行于河床，做法如圖1所示。

（2）采用集取河床滲透水（非完整井式），滲渠計(jì)算［2］見式（1）、圖2。

Q=αLKHy-H0A（m3/d）

A=0.37lg［tanπ8·4h-dTcot（π8·dT）］（1）

式中：L為滲渠長度（m）;K為滲透系數(shù)（m/d）； 根據(jù)勘察報(bào)告，K建議取值55 m/d；α為淤塞系數(shù)，根據(jù)水的渾濁情況確定，當(dāng)河水較清時(shí)，采用0.8；中等渾濁時(shí)采用0.6；渾濁度很高時(shí)采用0.3?？紤]夏季渾濁度高，本項(xiàng)α取值為0.3；Hy為河流水面至滲渠頂深度（m）；H0為集水井或沉砂池水位對滲渠出口所施壓力（m）；T為含水層厚度（m）；根據(jù)勘察報(bào)告，T建議取值3.5～4.0 m；h為河床至滲渠底的深度（m）；d為滲渠直徑或?qū)挾龋╩）；取值1.2 m。

根據(jù)滲渠取水方案圖和計(jì)算簡圖，Hy=0.25（冬季冰下水深）+0.3+0.8+0.2+0.2+0.15=1.9。

H0=0.5；h=2.85（m）；計(jì)算出A=0.344。

當(dāng)取水流量Q=6600 m3/d，滲渠長度L=98.3 m。

實(shí)際工程中，考慮10%左右的安全系數(shù)，設(shè)計(jì)滲渠長度取為110 m。

（3）滲渠開孔計(jì)算：孔速取0.005 m/s（規(guī)范要求流速不超過0.01 m/s），取水流量Q=6600 m3/d，滲渠需要開孔面積為15.27 m2。

滲水管濾孔尺寸為 30 mm，呈梅花布置，間距、孔距均為150 mm。每1 m約54個(gè)孔，每1 m的開孔面積0.153 m2，總的開孔面積為16.83 m2大于15.27 m2，能夠滿足要求。

3 低壩取水

（1）低壩式取水構(gòu)筑物一般適用于推移質(zhì)不多的山區(qū)淺水河流，當(dāng)山溪河流枯水期流量很小，且推移質(zhì)泥砂不多時(shí)，可在河流上修筑低壩抬高水位和攔截足夠的水量，通常壩高為1～2 m。

壩址選擇要考慮幾個(gè)因素：①壩基及兩岸地質(zhì)穩(wěn)定，河谷狹窄，河床平緩；②上游無農(nóng)田、居民點(diǎn)，避開畜牧區(qū)，水質(zhì)不受污染；③取水點(diǎn)高程能夠重力流至自來水廠；④建筑材料豐富，可就地取材。

（2）低壩有固定式和活動式兩種，本項(xiàng)目采用固定式。固定式低壩取水由攔河低壩、沖砂閘、進(jìn)水閘、沉砂池等部分組成。攔河壩用混凝土建造，做成溢流壩形式。上游河床應(yīng)用400 mm埋石混凝土作防滲鋪蓋。為了防止溢流壩在溢流時(shí)遭受沖刷，在壩下游用混凝土鋪筑護(hù)坦。沖沙閘設(shè)在溢流壩一側(cè)，便于將壩上游沉積的泥砂排至下游。根據(jù)上述情況，低壩的具體方案做法見圖3。

（3）河流增加了低壩，抬高了水位，解決了冬季取水水位低的問題，但也帶來了夏季河流泥砂也容易在。泥砂壩前淤積造成取水管淤堵且取水水質(zhì)渾濁度高，為減少清淤的維護(hù)工作，防砂排砂在低壩設(shè)計(jì)中尤為重要，因此特采取一些措施，具體優(yōu)化方案見圖4。

①上游河段增設(shè)兩道大卵石堆體初步攔截稍大的泥砂，卵石堆體就地取材，施工成本也很低；②增設(shè)一道魚嘴堆石，讓泥砂從主流區(qū)通過，較清澈的水進(jìn)入一級沉砂區(qū)；③ 在一級沉砂區(qū)的基礎(chǔ)上再增設(shè)二級沉砂區(qū)，能取到更清澈的水；④一級沉砂區(qū)增設(shè)一手動啟閉閘門，冬季常開，夏季平時(shí)關(guān)閉沖砂時(shí)開啟閘3便于沖砂。低壩上的閘1、閘2、閘3采用高度方便調(diào)節(jié)疊梁閘，夏季打開，冬季關(guān)閉。

4 滲渠取水與低壩取水兩種方案比較

綜上，每種取水構(gòu)筑物類型各有其特點(diǎn)，滲渠取水頭部構(gòu)造簡單，現(xiàn)場施工容易，工程費(fèi)用較低，但是維護(hù)管理復(fù)雜，工程可靠性相對不高。低壩式取水構(gòu)筑物，可在淺水河床的條件下，能保證取到足夠的水量，而且水質(zhì)較好，且在四川山區(qū)淺河床河流中使用較多，具有較成功的工程經(jīng)驗(yàn)。業(yè)主提出，少數(shù)名族地區(qū)運(yùn)維能力相對薄弱，建議選取運(yùn)維管理方便的方式，最終確定為固定低壩式取水構(gòu)筑物方案（表1）。

低壩取水方案又上因地制宜引入底欄柵式取水構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)理念，在引水管道起端設(shè)置鋼格柵或鋼筋石籠，過濾、攔截河水中的雜質(zhì)和推移質(zhì)，再通過引水管道重力流入沉砂池。這樣即可避免取水頭部的堵塞，而且在洪水季節(jié)，還可大量減少進(jìn)入頭部的泥砂量，保證取水安全；且利用清洗、現(xiàn)場施工維護(hù)方便。

5 結(jié)論

本文針對川西高寒高海拔地區(qū)取水工程方式的分析研究，以項(xiàng)目為依托，確定了低壩取水的方案，特別又重點(diǎn)在防止夏季暴雨時(shí)的泥砂防治及快速排砂又做了深入探討研究，低壩取水方案又做了一些優(yōu)化調(diào)整，結(jié)合這幾年的實(shí)際運(yùn)行效果還相當(dāng)不錯(cuò)，可以為川西高原地區(qū)山區(qū)河流取水工程提供一些新的思路參考和方法借鑒。

參考文獻(xiàn)

［1］ 嚴(yán)煦世， 高乃云.給水工程［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2020.

［2］ 上海市政工程設(shè)計(jì)研究院.給水排水設(shè)計(jì)手冊（第三冊）［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2004.