集水井在多泥沙河道中的应用

程良振

（青海省水利水电勘测设计研究院 青海 西宁 810000）

我国人口众多，全国水资源总量的人均占有量仅2400m3，是世界人均水平的1/4，居世界第109位，我国已被列为全世界人均水资源13个贫乏国家之一，而我国的水资源在时间和地域分布上极不均匀、不平衡，北方缺水尤为严重。甘肃省位于中国的西北部，地处黄土高原，干旱少雨，全省多年平均（全国水资源综合规划1956年～2000年系列）降水量为276.9mm，降水总量为1258.306亿m3，水资源极为匮乏。

静宁县位于甘肃省东部，属于全国典型的干旱农业区，年降水量仅479.3mm，由于年降水量稀少，且年内分布极不平衡，人民生产生活用水难已得到保障，加上该地区位于山区，许多村民受地形和水源的限制，主要依靠小土井取水或依靠拉取沟泉水来解决吃水问题。经调查统计，该地区水质普遍较差，多不能满足农村饮用水标准的要求，基于以上现状，静宁县的农村饮水安全问题得到了省市极大的重视，要解决该地的农村饮水安全问题，水源的选择首当其冲，特别是局部地区无可利用的水源，其矛盾尤为突出。自2005年国家实施安全饮水项目以来，该地区建设了多处农村饮水安全工程，解决了大批农村人口的饮水不安全问题，积累了丰富的经验，其中就有从多泥沙河道中取水的成功案例，以下就以静宁县西北部三合中沟农村饮水工程为例，分析集水井在多泥沙河道中的应用。

1 工程概况

静宁县西北部三合中沟农村饮水安全工程位于静宁县城西北部，距县城50km，工程区地处六盘山以西，属陇西黄土丘陵沟壑地区，海拔高程在1750m～2003m之间，境内沟壑纵横，梁峁起伏，项目区人均耕地面积4.94亩，粮食总产量5098t，经济作物总产量2737t，农业总产值3800万元，农民人均纯收入1800元。

本项目的兴建，旨在解决静宁县三合乡13个行政村81个自然村的农村饮水安全问题，工程建设完成后，可以解决项目区内11562人的农村人口饮用水问题，工程区设计最高日居民生活用水定额为40L/人·d，设计最高日用水量为621.31m3/d，日变化系数取1.3，年取水总量为17.97万m3。

2 水源选择

静宁县农村饮水水源多取自地下水及水库水，三合中沟农村饮水安全工程所在流域内可利用水源的河流含泥量普遍较大，浅表层内无砂砾含水层，地层结构以双层为主，第①层为第四系全新统（Q43aL+PL）黄土，厚度2.5m～3.5m；第②层为第四系全新统（Q43aL+PL）粉土，厚度7.0m～9.0m，该层为相对弱含水层，渗透系数k=2.7m/d，采用大口井取地下水的方式无法满足工程供水需求；经对本工程周边进行调查，距离较近的水库为北岔集水库，经对水资源调配分析，该工程无多余的可利用水源以供本工程调配使用。

三合中沟农村饮水安全工程属葫芦河水系，三合乡光华村建有中沟坝一座，中沟坝位于狗娃河的支流中沟河，为葫芦河的2级支流，坝址处控制流域面积21.05km2，总库容约4.5万m3，属于小型塘坝。经对该塘坝内水源进行取样化验分析，水源水质满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）的规定；该地区多年平均径流深为28mm，坝址以上P=95%时径流总量为20.04万m3，水量可满足工程年取水总量17.97万m3的要求。由于该水源水质及水量均满足工程用水需求，故本工程设计采用该水源为推荐水源点。

3 取水方式比较

由于水库点选择为中沟坝库内水，本工程拟定了三种取水方式，即输水建筑物出口取水方案、库内取水方案、集水井取水方案。

3.1 方案一：输水建筑物出口取水

中沟坝下游河谷呈“V”型，两岸边坡较陡，河道落差大，由于库水含泥量较大，若从中沟坝输水建筑物出口取水，需要对库水进行沉淀处理后方可由泵站取水至水厂，故该方案需修建沉淀池、清水池等建筑物，根据下游沟道地质地形条件，由于沟深河窄，无有利的地形条件以布置沉淀池、清水池，故不推荐采用中沟坝输水建筑物出口取水的方式。

3.2 方案二：库内取水

本工程虽水源水质水量均可满足项目用水需求，但由于塘坝死水位为1837.93m，库底高程为1836.5m，死水位距库底不足1.5m，且库区内淤积严重，以淤泥质土为主，汛期常漂有杂草枯枝等物，若直接由塘坝中取水，水源浑浊且杂质较多，增大了水处理的费用，并且水泵及管道容易阻塞损坏，不仅增加了运行维护费用，并且可能因为故障导致供水中断，影响居民的生产生活用水，故本工程不建议采用直接由库内抽水至水厂的取水方式。

3.3 方案三：集水井取水

集水井取水可在河床或岸边修建集水井，通过取水口取水至井内，并分层布置取水口，通过对取水口的合理设计，使进入集水井的水源水质较清，杂质少，再由泵站抽水至水厂。集水井取水较适用于河水泥沙含量较大的河道取水，尤其对于寒冷地区的河道，冬季保温防冻条件好，在严寒结冰季节，通过分层取水，仍可使水厂正常供水，地表水取水保证率高。

综合以上因素，本工程推荐采用集水井取水的方式，再由集水井通过水泵抽水至水厂以解决本工程取水的问题。

4 集水井设计

集水井取水常有岸边式取水及河床式取水两种方式，可以结合地形地质条件等确定。

集水井靠近河道布置，一般适用于岸坡较陡，岸边水流较深的河道，但岸边式取水构筑物水下施工工程量大，必须在枯水期或非冰冻期施工完毕，施工中同时可能会遇到急流、泥砂等问题，施工期受限较大。而河岸式取水设于河岸上，可不受水流冲刷的影响，亦不影响河道泄洪。故本工程推荐采用岸边式取水方案，设计在中沟坝上游约520m处右岸一阶台地上修建集水井一眼，地面高程约1842m，地层结构简单，能够满足集水井的修建要求。集水井采用钢筋混凝土圆柱形结构，设计井深7.5m，井径6m，底板采用C20钢筋混凝土现浇。

5 取水口设计

取水口通常有浮动式取水和固定式取水两种，浮动式取水适应于水位变化较大的河道，本工程由于水位变化小，故采用固定式取水方案，设计由河道中心布置集水管引水至集水井，集水管采用Dg125镀锌钢管，长30m，垂直河道布置，管道中心线高出河床底部70cm，河道内设支墩固定集水管，集水管采用闸阀控制，闸阀井布置于集水井临岸坡侧。

取水头部（集水管的井水口）应设在稳定的主流深槽处，根据水流条件、河流流速、漂浮物情况等选择合理的外形和较小的体积，结合当地施工条件、施工力量和施工方法，考虑便于施工的形式，为防止泥沙的影响，同时应注意取水头部的设计，取水头部一般分为管式取水头部、蘑菇式取水头部、鱼形罩式取水头部、箱式取水头部、桥墩式取水头部、桩架式取水头部、活动式取水头部、斜板式取水头部等几种，本工程本着节省投资的原则，选择管式取水头部的方案，同时将头部设计成过滤器形式，由管壁钻孔取水，将管道末端堵死，管道末端30cm～50cm长度管壁均打孔，孔径10mm，孔中心距35mm，采用梅花型布置，将孔用过滤网覆盖，以过滤杂质。

为使水流更易流进集水井，同时防止个别管道进水口堵塞，影响工程正常运行，本工程设计增加分层取水的工程措施，同时便于检修及清洗。设计于1837.8m及1838.6m高程各增设集水管一排，进水口布置在岸坡处，共布置集水管11根，平面间距为0.8m，采用梅花型布置。

6 固定式取水口过流能力验算

工程日最高用水量为621.31m3/d，水厂自用水量18.64m3/d，日取水时间按20h计算，故设计取水流量Q0＝0.0089m3/s。集水管流量采用《水力计算手册（第二版）》中推荐的管流公式计算：

式中，μc——管道系统流量系数；

A——管道过水断面面积；

g——重力加速度，取9.81m3/s；

z0——含行近流速水头的上下游水面差，由于行近流速水头很小，故忽略不计。

本工程实测河槽底高程为1836.4m，设计管道中心线高程1837.2m，中沟坝泄洪洞底高程为1837.93m，故水面最低水位为1837.93m，假设集水井中允许最低消落水位为1837.2m(即保证集水管出流方式为淹没出流)，故水面最小落差z0=1837.93-1837.2=0.73m。

经计算，水位为死水位时，取水口引用流量为0.0119m3/s，大于设计引水流量0.0089m3/s，从而该设计是合理可行的。

7 结语

本工程自2009年建成以来，已安全运行了5年有余，解决了当地约1.16万人的饮水不安全问题，通过合理的运行管理方式，对取水口进行定期清理，实时监测水质、水位变化情况，及时调整了取水口的运行情况，分层取水，满足了汛期取水的水量、浊度等要求，保证汛期的正常运行，是集水井在多泥沙河道中取水的较成功的案例之一。

集水井在多泥沙河道取水中的应用，离不开完善的运行管理方式，应根据相关规范规程，结合工程实际情况，设立专门的管理机构，应通过建立水源保护区，退耕还林，加大水土保持建设力度等措施，减小水土流失量，从源头上解决水源水质含沙量的问题。陕西水利

[1]程良振.甘肃省静宁县三合中沟农村饮水安全工程初步设计报告[R].甘肃省平凉市水利水电勘测设计院，2009.

[2]李纬，等.水力计算手册第二版[M].中国水利水电出版社，2006.

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