天然河床反向渗滤取水水量计算方法研究

周梅竹，李 晓，章 旭，罗 婷，江扬波

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

1 概述

天然河床反向渗滤取水技术是一种诱使江河水下渗通过河床底部的砂卵砾石层，从而降低原水浊度的环保型取水净水工艺技术，具有低成本、占地少、无污染等特点，其取水水质和水量较为稳定。

历经20余载的研究和发展，天然河床反向渗滤取水技术日趋成熟，但取水量的计算方法仍然以傍河取水等效公式、经验公式或估算为主，水量计算并不准确。由于专门针对天然河床反向渗滤取水的计算方法尚未成熟，天然河床反向渗滤取水技术在实际工程应用中的经济效益和可行性大受影响。故天然河床反向渗滤取水水量的计算方法是实际工程应用中亟需解决的重要问题。本文以北票反向渗滤取水工程为例，通过对渗流场进行室内模拟试验研究，并利用模拟结果探讨不同计算方法的适应性，为补充和完善天然河床反向渗滤取水水量计算方法提供理论依据[1-4]。

2 渗流场室内模拟实验

2.1 试验装置与材料

根据模拟相似的原则，模型设计尽量遵循几何相似，运动相似，动力相似的原则，试验装置如图1所示。将经过筛分的标准石英砂(K=59.88 m/d)作为天然河床底部含水介质，分层装入槽中，装样过程中陆续注水浸泡和夯实，尽量保证砂样密实、饱水。

同时在装置的中部布设一个辐射取水孔，并将A1孔设置为水头观测孔。试验进行时，通过测压管观测不同位置不同深度上的水头值，了解渗流场的变化规律[5-6](见图1)。

2.2 试验方法

(1)保持河水位及取水位置一定，调节抽水控制开关，以不同取水强度进行模拟取水，记录不同时间段其余测压管的水头值、取水管取水量。

(2)改变2次取水位置，重复步骤(1)。

(3)将河水位降低，与砂样层持平，注水方式改为左右两侧同时进水，并保持两侧水箱的水位稳定。将取水强度调节至最大，观测、记录不同时间段测压管的水头值、取水管取水量。

图1 室内模拟试验装置三维示意图

2.3 结果分析

试验模拟不同条件下的渗流场变化过程如表1，其中第10次模拟潜水状态下取水。同时选取滤床底部作为测压管水头的变化基准面。

由表1可得，模拟试验中河床水位为61.0 cm时，取水部位在20～30 cm范围时取水量最大，为 24.0～27.5 L/min;取水部位在35～45 cm范围次之，为 13.0～17.5 L/min;而取水部位在 5～15 cm范围时最小，为 10.5～16.0 L/min。河床水位为55.0 cm时，取水量仅为2.9 L/min，远远小于前面9次的取水量。

通过分析10组不同方案的测压管数据及取水口的取水量变化特征分析，得出以下结论:

(1)当模拟河流水位与介质层持平，取水量远远小于水位高时的取水量，其主要原因是含水介质在无上覆水体的情况下，处于傍河取水状态，主要依靠两侧水箱的定水头补给，缺少河床水的垂向入渗补给，出水量锐减，仅为相同条件下水位高时的18.1%。

(2)第1次和第8次试验取水位置与第二行测压管垂向等距，取水量相近，但第二行测压管第1次降深较第8次小。这是由于后者在抽水的同时抽取了部分河水下渗补给量，从而减小降深。因此，取水部位不同对渗流场的影响较明显。

(3)通过分析一系列的 X-Y平面水头情况可得，距取水滤管相同距离的情况下，距进水口较近的观测管水头值较大，主要由距进水口较近的地下水在接受补给后，在重力及横向水头差两者的综合作用下作向下和向侧向的“斜向”运动，相对优先获得补给，其水头值相对偏大。

表1 室内渗流场模拟试验情况一览表

3 模拟试验取水量计算

通过采用大口井法、渗渠类比、垂向入渗系数法及辐射井公式替换法四种数学解析计算法对模拟试验中不同取水部位的取水量进行计算，从而分析不同计算方法在反向渗滤取水工程中的适用性。

3.1 大口井法

大口井傍河取水工艺的取水量计算方法已经成为目前评价傍河取水工程取水量的主要计算方法之一。反向渗滤取水工程中每个取水硐室可以等效为井底井壁同时进水的大口井，采用以下公式计算:

式中:K为渗透系数;S为水位降深;r为大口井等效半径;h为河水深度;l为过滤器的有效进水长度。

计算结果如表2所示，用大口井计算公式对反向渗滤取水量进行计算时由于反向渗滤工程取水量远远小于河水的流量，河水位作为定水头边界，水位降深S取值较小，导致计算值较小，与实际取水量相差较大，计算的准确性较差，实际应用中往往给设计带来困难。

表2 大口井法计算取水量结果对比表

3.2 渗渠类比法

天然河床反向渗滤取水工程的构筑物埋设与渗渠傍河取水工艺类似，计算中可以将每个硐室向外延伸的辐射取水孔等效为渗渠。采用完整式渗渠的类比公式—阿拉维娜·努美诺夫公式对模拟试验场进行计算:

式中:α为淤塞系数;L为取水孔取水段长度;Hy为河流水面至取水孔顶深度;H0为竖井内水位对取水孔处所施水压;d为取水段在河床中的垂直高度;M为河床厚度;A取值可采用以下公式计算[7]:

表3 渗渠类比法计算取水量结果对比表

计算结果如表3所示，使用渗渠类比公式计算法计算所得值普遍较小，与实际出水量出入较大，计算出的三种取水部位的取水量相对大小与实际相反。因此，渗渠类比法在计算天然河床反向渗滤取水水量时具有一定的局限性。

3.3 垂向入渗法

天然河床反向渗滤取水中取水量补给以上覆地表河流的垂向入渗为主，河床底部砂卵砾石层中的地下潜流次之。因此，可采用河床垂向入渗解析式对反向渗滤取水水量进行计算:

式中:K为河床渗透系数;F取水影响面积;λ为垂向入渗系数，取0.20。在模拟试验中，在 X轴上取水孔距取槽边界r为1.05 m，以取水孔为中心，入渗影响面积 F=πr2=3.46 m2。经计算，垂向入渗水量 Q 为 28.78 L/min，与取水部位位于 0.20～0.30 m 时的取水量 27.5 L/min较为接近[8]。

3.4 辐射井公式替换法

辐射井傍河取水工艺中水平伸入河床底部的辐射管为全井段取水，与天然河床反向渗滤取水工程取水方式类似。因此，可用辐射井取水的解析法对模拟试验取水量进行计算。

系数N0由式4-8计算得到:

式中:q为单根辐射取水孔出水量;K为渗透系数;S为水位降深;L为取水孔取水段长度;M为含水层厚度;Z0为河床顶至辐射取水孔距离(m)[9]。

表4 辐射井公式法计算取水量结果

由表4计算结果可得，辐射井公式计算取水量值与试验出水量差距亦较大，但两者均在取水部位为0.20～0.30 m时获得最大取水量。在实际应用辐射井法计算设计时，取水管位置埋深的合理性起着关键作用。取水管埋深过小，其上部水头Z0较小，导致取水量较小;取水管埋深过大，由于河水下渗补给的滞后性，也可能会导致出水量的减少。

4 结语

本文以北票反向渗滤取水工程为原型，通过模拟不同取水位置下反向渗滤取水工程中取水量及渗流场的变化，进一步加深对天然河床反向渗滤取水原理的认识。同时利用试验结果验证大口井法、渗渠类比、垂向入渗系数法及辐射井公式替换法四种数学解析计算法在天然河床反向渗渠取水技术中取水量计算的适用性:

(1)通过对比取水层有无上覆水体的情况的取水量验证反向渗滤取水的出水量主要由河水的激发入渗所补给。抽水过程中取水部位埋深越小，受河水下渗补给影响，渗流场水头降深越小;而越靠近取水口的位置受重力及横向水头差的综合作用，相对优先获得补给，水头值偏大。

(2)采用大口井法对模拟试验进行水量计算时，将河水位看作定水头边界，水位降深S取值较小，导致计算值较小，与实际取水量相差较大。

(3)河流渗渠类比公式计算方法的计算值最小，并且渗渠类比公式的计算值与实测出水量相矛盾，该计算方法的实际运用性不强。

(4)垂向入渗系数法的计算值与实测最大出水量较为接近，这是由于试验中含水介质为均质石英砂样。在使用该公式对实际取水工程取水量进行计算时，需明确含水层滤床的特性。

(5)辐射井公式替换法的计算值与实测出水量相差亦较大，但两者均在相同的取水部位获得最大取水量。实际应用中合理的取水管埋深是控制河床辐射井出水量衰减进程的关键。

[1]李晓.利用天然河床渗滤取水的新技术[J].中国给水排水.2003，(19).

[2]李晓.天然河床渗滤取水技术研究[D].西南交通大学.2003.5.

[3]黄爽兵.辽宁省北票市白石水库渗滤取水工程适宜性研究[D].成都理工大学.2007.11.

[4]王雪.北票市傍河水源地供水安全分析[D].河海大学.2007.4.

[5]高宗军，王世臣，李佳佳，等.均匀渗透流场中地下水运动差异性沙槽试验研究[J].水文.2014，34(1).

[6]刘彦，梁杏，权董杰，等.改变入渗强度的地下水流模式试验[J].地学前缘.2010，17(6):111-116.

[7]邓方霞.渗渠取水的建议与计算[J].甘肃水利水电技术.2002(3):36-38.

[8]江扬波.北票反向渗滤取水工程取水量的计算方法研究[D].成都理工大学.2014.6.

[9]陈鹏，王玮.辐射井取水方式数值模拟方法[J].人民黄河.2013，35(4):48-50.