渗管取水工程出水浊度影响因素的试验研究

刘双喜，黄海涛

(1 新疆金沟河流域管理局，新疆 沙湾 832100；2 石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003)

新疆地处干旱半干旱地区,水资源短缺严重制约了当地农业、工业和牧业的发展[1]。为了解决这种供需不平衡问题,新疆大力推广节水工程和取水工程,根据当地山溪性河流的特点,渗管取水工程将原有的不利水文地质条件朝有利方向转化,受到了广泛群众的欢迎[2]。渗管取水工程一般由渗管、人工反滤层和天然河床砂组成,其取水的方法是利用埋设在地下含水层中带孔眼的水平渗水管道,借助水的渗透、重力流截取地表水和河床潜流水进行集水[3]。因其上部铺设有反滤层,通过反滤层的过滤可以达到滤沙净水的目的，这种取水构筑物与常规的辐射井、大口井等取水构筑物相比,具有工艺简单、无药剂、净水成本低,水质好等鲜明特点[4]。基于以上优点,众多学者对渗管取水工程问题进行了大量的理论研究，程琨等[3,5]分析了渗管取水的变化过程及出水量的影响因素,刘持峰等[6-8]分析了渗管结构对渗管出水量的影响，刘焕芳等[2,9]运用高等数学、流体力学公式分析了渗管取水过程中的压力变化及水沙条件对出水量产生的影响，黄海涛等[10]分析不同因素对渗管压力分布的影响;郑晓瑜[11-12]分析了河床砂厚度对渗管取水的影响,但未与渗透系数结合起来,结论具有一定的局限性;徐程成[13]根据实际工程提出了浊度超标的工程处理措施，金永超[14]通过工程实际研究排渗管井的影响半径及出水量与管井布置之间的关系，陆云才[15]通过模型试验验证了渗管设计的合理性并根据公式验证出水量。国外对渗管的研究基本集中在流量和管道尺寸确定方面,AKAN A O[16]使用Green-Ampt模型模拟土壤中水的运动，并采用理论推导的方法得到了无量纲公式可快速根据流量确定管道尺寸；MURPHY P[17]通过室内试验的方法确定了水深和排水量之间的关系，研究结果可以确定地下排水管道的尺寸和布置;AFRIN T[18]利用CFD计算流体力学原理建立了系统流量系数随管道尺寸变化的方程，该方程可用于确定管道尺寸和分析管道的水力特性。

综上所述,渗管取水工程出水浊度的研究对节约水资源和提高水质具有重要的现实意义和工程价值,对渗管取水工程的研究大多集中在出流流量[3,5-9]和压力分布[2,10]方面,对渗管取水工程出水浊度方面的研究很少，因此，本文借鉴文献[17]出流与管径之间的关系，选择适合本文试验的管径，以室内模型试验为基础,研究天然河床砂厚度、综合渗透系数和来流原水的浊度对渗管出水浊度的影响,从而为渗管的设计、整治等提供一定的科学依据。

1 试验材料与方法

本文研究的试验在石河子大学水利建筑工程学院水工水力学大厅进行。试验系统由高位水箱、离心泵、渗管、矩形堰等装置组成,如图1所示。

图1 试验装置纵剖面示意图

试验水渠长12.0 m、宽1.0 m、高3.2 m；水渠的边壁和底部用细石混凝土抹面和沥青材料做不透水处理。在水渠内布置1条末端封堵的完整式渗管,坡降为1/100；渗管材料为钢管，表面开有圆形进水孔，孔眼以梅花形式均匀布置。

渗管长8 m,管直径400 mm,孔(中心)间距50 mm,行间距50 mm,孔径18 mm,开孔率10.2%；渗管之上铺设1 200 mm厚的人工反滤层和900 mm厚的原河床砂石料。人工反滤层共4层,其组成由下及上为：300 mm厚、粒径范围(40,80] mm的卵石,渗透系数为无穷大;300 mm厚,粒径范围(20,40] mm的卵石,渗透系数为13 426.44 m/d；300 mm厚、粒径范围(5,20] mm的砾石,渗透系数为9 809.09 m/d;300 mm厚、粒径范围(1,5] mm的砂,渗透系数为303.70 m/d。人工反滤层上面铺设新疆金沟河原河床砂石料,渗透系数为24.81 m/d。粒径级配曲线如图2所示。

试验组次安排以来流流量、天然河床砂厚度为主要因素，试验共设9组，3个来流流量分别为60、70、80 L/s,3种天然河床砂厚度分别为0、0.5、0.9 m。

图2 粒径级配图

试验水样的浊度采用HACH 2100Q型浊度仪(量程为0～1 000 NTU)测量，每种水样倒入3个测试瓶中,将3次测试结果的平均值作为该水样的浊度。

采用弹线的方法,在渠道内先铺设0.5 m的天然河床砂,待该组试验完成后,加高至0.9 m。

在首部设置矩形堰,根据测桶水深和矩形堰公式[19]计算来流流量Qc,

(1)

式(1)中,Qc为来流流量，L/s；H为堰上水头，m；P1为上游堰高，m；b为堰口宽度，m；g为重力加速度，m/s2。

2 试验结果与分析

2.1 时间对渗管出水浊度的影响

图3是人工反滤层为0.9、1.2 m时渗管出水水质随渗管阀门开启时间变化趋势图。从图3可以看出:随着阀门开启时间的增长,出水浊度逐渐下降，水质逐渐变好。当阀门开启时间为0 min时,出水浊度最大，水质最差，0～20 min间水样浊度迅速下降,30 min以后出样浊度随时间的变化量减小,90 min后基本趋于稳定,随后出水浊度变化值更小。这是由于阀门关闭时反滤料中存在泥沙,而且反滤层颗粒之间相互限制颗粒的位移,因此，其中的泥沙缓慢的流入渗管而不容易被带走；在阀门开启之初,渗管出水基本全部来自渗管储存水和含水层的静储水,在较长的一段时间内渗管出水的浊度相对较高；阀门开启后期，当含水层的径流量与渗管出水量形成新的动态平衡后,含水层水波动相对较小,浊度逐渐趋于稳定。

图3 天然河床砂厚度为0.9 m时浊度随时间的变化

2.2 不同天然河床砂厚度对渗管出水浊度的影响

本文试验中反滤层厚度的变化主要体现在天然河床砂厚度的变化，其试验结果见图4。由图4可知:

(1)当流量相同时,最大出水浊度发生在天然河床砂厚度为0 min时；随着天然河床砂厚度的增加,出水浊度逐渐减小，之后，随着天然河床砂厚度的增加,出水浊度下降。这是因为天然河床砂厚度的增加相当于增加了反滤层的厚度，而反滤层具有一定的滤土排水功能,所以厚度大的天然河床砂过滤效果比厚度小的好。

(2)当天然河床砂厚度超过0.5 m时,出水浊度下降的趋势较0～0.5 m时缓；当天然河床砂厚度相同时,流量越大,出水浊度越大。这主要是因为本文试验选取的人工反滤层渗透系数增大,对出水浊度的影响较小,且试验所用的水体为沉积多年的试验室地下水库水,水质较为浑浊,当流速增大时杂质才能通过人工反滤层进入渗管中。

(3)铺设天然河床砂后,出水浊度受来流流量的影响变小。天然河床砂为0.5 m、流量为60、70 L/s时,浊度几乎相同，流量为80 L/s时，出水浊度较另2个流量的出水浊度有所减小,当天然河床砂铺设至0.9 m时,3种流量渗管出水的浊度几乎相同。这种现象可用渗流力学来解释,当横向流速大于纵向流速时会出现非饱和流现象，渗管出水量的减小将导致渗管出水浊度的上升，而当河床砂厚度增加到0.9 m时,纵向流速增加,横向流速相对减弱,出水量增加,浊度下降。

图4 浊度随天然河床砂厚度的变化

2.3 综合渗透系数对渗管出水浊度的影响

因实际工程中选用的天然河床砂渗透系数与人工反滤层渗透系数不同,根据并联联结规则可知，当天然河床砂厚度增加时,系统综合渗透系数或增或减,为了使结论更具普适性,进行综合渗透系数对渗管出水浊度影响的分析。

从图5可以看出:综合渗透系数越大,滤土效果越差,渗管出水浊度越大。当综合渗透系数小于100 m/d时,水体中小颗粒泥沙可被反滤层滤出,滤出的泥沙被水流冲下,清水渗入渗管中,所以随着综合系数的下降,浊度值的下降趋势越来越明显。

图5 浊度随综合渗透系数的变化

2.4 特征浊度以及占比系数

实际工程中原水浊度有所不同,为了给实际工程提供更好的借鉴,引入浊度的占比系数α反映渗管出水浊度的变化特性,α是通过同一时刻渗管出水浊度的差值与渠道水样浊度的比值,α值越大，表明反滤层对水体净化产生的影响越大。

由表1可知:当天然河床砂厚度相同时,浊度的占比系数α基本随着流量的增大而增大,随着天然河床砂厚度的增加而降低；浊度为9.5 NTU左右的原水经过反滤层的过滤作用,浊度下降至1～2 NTU,可满足工业用水的要求甚至居民饮用水的要求。

表1 特征浊度及下降系数

2.5 不同因素对渗管出水浊度的影响大小

根据试验数据值,对渗管不同流量、不同原水浊度和不同天然河床砂厚度进行回归分析，结果见表2，回归方程为

Tp=10.921Tr+0.035Qc+0.476To-15.380，

(2)

表2 不同来流流量、原水浊度和天然河床砂厚度的回归分析

由表2可知：本文选取的3个变量子集之间差异性显著(P<0.05),说明每个因素对渗管出水浊度都有影响；从三者的标准系数、显著性水平值可知,天然河床砂厚度对渗管出水浊度的影响比其他因素都大。

为了和工程实际更符合,将式(2)与综合渗透计算公式(式(3))联立,转化为以综合渗透系数为参数的公式，即

(3)

(4)

该公式的相关系数R=0.960,表明拟合精确度很高,上述结果可用于实际工程的指导。

3 结论

本文通过模型试验实测的方法分析不同因素对渗管出水浊度的影响,得出以下结论：

(1)随着闸门开启时间的增长,反滤层颗粒之间的相互限制减弱,渗管出水浊度逐渐下降。

(2)渗管出水浊度随着天然河床砂厚度的增加而减小；在渗流过程中受到流速的影响,当横向流速主导时,渗管出流浊度有所增加。因此，通过选择渗透系数较小的天然河床砂、增加天然河床砂的厚度使系统综合系数下降,可以有效降低实际工程中渗管的出水浊度。

(3)在天然河床砂厚度、流量和渠道原水浊度这些因素中,天然河床砂厚度的改变对渗管出水浊度影响最大。