渗管取水出水浊度影响因素的模拟研究

郑晓瑜，刘焕芳，田 原，于旭永

(1 石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003；2 新疆巴音郭楞蒙古自治州水利局，新疆 库尔勒 841000；3 新疆水利厅，新疆 乌鲁木齐 830000)



渗管取水出水浊度影响因素的模拟研究

郑晓瑜1,2，刘焕芳1，田 原3，于旭永1

(1 石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003；2 新疆巴音郭楞蒙古自治州水利局，新疆 库尔勒 841000；3 新疆水利厅，新疆 乌鲁木齐 830000)

【目的】 研究渗管取水工程中出水浊度的影响因素，为渗管取水工程设计提供依据。【方法】 通过物理模型试验，分析不同河床砂厚度(0.1，0.2，0.3，0.4，0.5和0.6 m)在不同来水含沙量(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，10.0和15.0 g/L)下对渗管取水出水浊度的影响。【结果】 当来水含沙量一定时，随着河床砂厚度的增大，出水浊度逐渐减小；当河床砂厚度一定时，随着来水含沙量的增大，出水浊度逐渐减小，其中以河床砂厚度0.1 m、来水含沙量为0.5 g/L时的出水浊度最大，为982.33 NTU，以河床砂厚度0.6 m、来水含沙量15 g/L时的出水浊度最小，为2.30 NTU。采用综合渗透系数代替河床砂厚度进行理论分析，建立了滤水料渗透系数、来水含沙量与渗管出水浊度关系的拟合公式。实例分析表明，所得拟合公式与试验数据及实际工程实测数据均符合较好。【结论】 渗管出水浊度的拟合公式可用于实际工程的指导。

渗管取水；渗透系数；含沙量；出水浊度

在水文地质条件允许的情况下，建设渗管取水工程具有不用药剂、运行成本低、水质好等优点，故已被广泛应用于工农业生产和日常生活中[1]。渗管取水是一种比较复杂的地下取水构筑物[2]，它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[3]、重力流截流集取地下水[4]和河床潜流水[5]作为给水水源。在水文地质条件合适的情况下，这种取水方式既可最大限度地集取地下水，又可起到净化水质的作用，具有结构简单、可就地取材、需用设备少、运行费用低、维修管理方便、不需净化设备等特点[5]，因此具有较高的推广价值，已越来越多地被运用到给水工程中[5-8]。

渗管取水工程一般由渗管、反滤层和河床砂等组成[9-10]。渗管主要起到集水作用，反滤层主要起“滤土排水”和“排水减压”作用[11]，而河床砂主要起保护反滤层免受河水冲刷以维持反滤层的稳定，同时还兼具过滤作用，会对渗管出水量和出水浊度产生影响。出水浊度是衡量渗管取水工程成功与否的一个重要标准[12]，影响渗管取水工程出水浊度的因素有很多，河床砂厚度和来水含沙量是其中最重要的2个因素。现阶段的渗管取水工程大多是经验性的，都是根据已有工程的成功经验来进行设计、施工和管理，在理论和技术方面还存在着一些值得深入探讨之处，但目前的相关研究尚鲜有报道。为此，本研究结合新疆某渗管取水工程，通过室内模型试验分析了不同河床砂厚度以及来水含沙量情况下渗管出水浊度的变化，以期为渗管取水工程的设计提供参考。

1 试验概况

1.1 试验装置

试验在内径0.14 m、壁厚0.01 m、高2 m的有机玻璃筒中进行，筒壁设有测压管，上部设有溢流孔，下部设有排水孔，底板上设有直径8 mm的孔眼，开孔率为29%。滤柱中铺设有3层共0.8 m厚的人工反滤层，自下而上各反滤层分别为：粒径12～36 mm的砂石料，厚度0.2 m；粒径4～12 mm的砂石料，厚度0.3 m；粒径1～4 mm的砂石料，厚度0.3 m。反滤层上铺设的砂石料为河床天然砂砾料，河床砂厚度为0.6 m时的滤柱如图1所示。

图 1 滤柱试验装置图(单位：m)

试验中反滤层上部铺设的河床砂厚度分别设为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5和0.6 m，用壤土配制的含沙量分别为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，10.0 和15.0 g/L的来水进行过滤效果研究。

运用达西试验装置测定了各层滤水料的渗透系数，测得粒径4～12 mm滤料的渗透系数为105.31 m/d，粒径1～4 mm滤料的渗透系数为5.27 m/d，河床砂石料的渗透系数为1.41 m/d，粒径12～36 mm滤料由于粒径较大，超过了达西定律的使用范围，可近似认为其渗透系数为无穷大。在滤水层结构中，粒径12～36 mm滤料主要起到保护粒径1～4 mm和4～12 mm滤料不被扰动，并防止小于渗管孔径的细滤料被水流带入渗管中，其对滤水层渗透系数的影响很小[13]，可以忽略。

1.2 滤柱过滤后出水浊度的测定

试验时在滤柱中按要求铺入由3层不同粒径滤料组成的反滤层，在反滤层上方再铺设0.1 m的河床砂石料，用壤土配制含沙量为0.5 g/L的浑水搅拌均匀后注入滤柱中，经滤柱过滤后从滤柱底部的排水孔接取过滤后的水并测其浊度，用以验证河床砂厚度为0.1 m、来水含沙量为0.5 g/L时滤柱的过滤效果。试验完成后用清水充分冲洗滤柱中的砂石料，防止浑水中的壤土颗粒留在滤柱中对下一组试验产生影响。滤柱冲洗完成后用壤土配制含沙量为1.0 g/L的浑水重复上述试验，用以验证河床砂厚度为0.1 m、来水含沙量为1.0 g/L时滤柱的过滤效果。

河床砂厚度为0.1 m，来水含沙量为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，10.0和15.0 g/L的10组试验全部完成后，向滤柱中再铺设0.1 m的河床砂石料重复上述10组试验，用以验证河床砂厚度为0.2 m时滤柱的过滤效果。直至滤柱中的河床砂石料厚度铺设至0.6 m，验证了河床砂厚度为0.6 m，来水含沙量为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，10.0和15.0 g/L时滤柱的过滤效果，试验全部结束。

1.3 综合渗透系数和来水含沙量对出水浊度影响的拟合分析

试验测出河床砂厚度分别为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5和0.6 m，来水含沙量分别为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，10.0和15.0 g/L时滤柱过滤后的出水浊度，用matlab软件以综合渗透系数为x轴、来水含沙量为y轴、出水浊度为z轴点绘来水含沙量、综合渗透系数、出水浊度之间的相关散点图。根据散点图拟合出来水含沙量、综合渗透系数、出水浊度之间的关系曲面以及关系式。

2 结果与分析

2.1 河床砂厚度及来水含沙量对出水浊度的影响

河床砂厚度分别为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5和0.6 m，来水含沙量分别为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，10.0和15.0 g/L时滤柱过滤后的出水浊度试验结果如表1所示。从表1可以看出，当来水含沙量一定时，随着河床砂厚度的增大，出水浊度逐渐减小，这是因为增大河床砂厚度相当于增大了滤料的厚度，过滤效果会更好，出水浊度会降低。当河床砂厚度一定时，随着来水含沙量的增大，出水浊度逐渐减小，这是因为来水含沙量较大时，随着过滤的进行水中所含的细颗粒会逐渐淤积在滤料表面，这相当于在滤料表面又增加了一层渗透系数很小的滤料，会对出水浊度产生较大的影响。来水含沙量越大淤积在滤料表面的细颗粒越厚，对过滤效果的影响越大。

表 1 不同含沙量浑水经滤柱过滤后的出水浊度

2.2 基于综合渗透系数及来水含沙量的渗管出水浊度的拟合分析

对于不同的渗管取水工程，反滤层的铺设层数、铺设厚度以及滤料的粒径范围会有所差异，为了使研究结果的适用性更加广泛，用综合渗透系数代替河床砂厚度进行分析。

对于层状含水层，其综合渗透系数大小与各层渗透系数有关，综合渗透系数K可按下式计算[14]：

(1)

式中：T为含水层总厚度；K为含水层综合渗透系数；K1、K2、K3、…、Kn分别为第1，2，3，…，n层滤料渗透系数；T1、T2、T3、…、Tn分别为第1，2，3，…，n层滤料厚度。

根据式(1)可计算出试验条件下反滤层上部铺设不同厚度河床砂时所对应的综合渗透系数如表2所示。

表 2 铺设不同厚度河床砂所对应的综合渗透系数

我国的渗管取水工程主要集中在气候干旱的西北地区和严寒的东北地区，通常埋设在含粗砂、砂砾石、砂卵石等水文地质条件较好的含水层中，而且是地下水的富水带和补给来源比较丰富地带，这些地区河流的含沙量通常在5.0 g/L以下。渗管埋设深度会因地质条件的不同而不同，但为了有较好的过滤效果埋设深度不会太浅。故与实际工程相结合，选取试验中来水含沙量小于5.0 g/L、埋设深度大于0.4 m的试验数据进行分析。

根据表1和表2的数据，用软件拟合得到的拟合关系曲面如图2所示。

图 2 来水含沙量-综合渗透系数-出水浊度的关系曲面

出水浊度与综合渗透系数、来水含沙量的关系式为：

(2)

式中：x为综合渗透系数，y为来水含沙量，z为出水浊度。经计算，拟合公式的确定系数为0.96，说明公式的拟合度较好。

用(2)式对试验条件下来水含沙量为10.0和15.0 g/L的数据进行验证，得出不同河床砂厚度时的理论出水浊度如表3所示。

表 3 不同来水含沙量和河床砂厚度时渗管出水浊度的拟合结果

比较表1和表3可知，运用拟合公式得到的计算值与试验实测值在河床砂厚度较小时误差较大，而在河床砂厚度较大时误差较小。从表1可以看出，当河床砂厚度小于0.3 m时，渗管的出水浊度会出现突然增大趋势。因为河床砂石料小粒径颗粒含量较大，具有较好的过滤效果，在渗管“滤土”作用中起主要作用，当渗管埋设过浅时其“滤土”作用会大幅减小，导致渗管出水浊度大幅增大。在实际工程中一般不会出现渗管埋设过浅的情况，故此种情况可不予考虑。从表1和表3还可以看出，拟合公式计算值与试验实测值在河床砂厚度和来水含沙量较大时误差均较小，说明拟合公式对来水含沙量较大的情况适用。

3 拟合公式的实例验证

为验证试验所得拟合公式在实际工程中的适用性，结合新疆某渗管取水工程实测数据对拟合公式进行验证。该实际工程位于新疆奎屯河团结干渠老龙口上游约200 m河床内，通过埋设渗管的方式引奎屯河水，渗管总长约400 m。为增加取水量，在1959年进行了首次扩建，新增了一条长200 m、直径为500 mm的渗水钢管，同时在新建渗水钢管下游河床内修建了砼斜墙截水潜坝。在1991年又进行了第二次扩建，新增渗水钢管1 700 m，输水管线 1 090 m，设计年取水能力达到2 600万m3。扩建后的渗管取水工程出水情况良好，水质均满足饮用水水质标准[15]。

奎屯河位于奎屯市西南、独山子区西侧。奎屯河发源于天山北坡的依连哈比尔尕山，以冰川、积雪融冰、降水及沿程地下水补给为主[16]，河流对构造活动极其敏感[17-20]。奎屯河新渠首50%保证率年径流量6.41亿m3，年际年内变化较大，6-8月径流量占全年径流量的56%，12月到次年2月径流量仅占全年径流量的9%，洪枯比较大。丰水期河水含沙量5～6 g/L、枯水期河水含沙量1～2 g/L。渗管开孔率29%，反滤层布置与室内滤柱试验相同。实际工程2009-2011年3-11月平均渗管出水浊度的统计结果如表4所示。

表 4 新疆某实际渗管取水工程2009-2011年3-11月渗管的实际出水浊度

从表4可以看出，该实际工程6-9月渗管出水浊度较好，其他时间渗管出水浊度稍差，这是因为6-9月是河流的丰水期，河水含沙量较大。为便于数据对比，根据含沙量的不同对实测数据进行整理，并根据实际工程2009-2011年3年的数据得出不同含沙量所对应的平均出水浊度如表5所示。

表 5 不同来水含沙量时新疆某实际渗管取水工程的实际平均出水浊度

该实际工程渗管埋设在基岩上，由于地势不同渗管的埋设深度略有不同，但都为6.0～7.0 m。根据(1)式可计算出不同埋设深度所对应的综合渗透系数，根据(2)式可以计算出渗管的理论出水浊度，结果见表6。然后根据表6，可以计算出实际工程理论渗管在6.0～7.0 m时的平均出水浊度，结果如表7所示。

表 6 不同埋设深度时新疆某实际渗管取水工程渗管的理论出水浊度

表 7 不同来水含沙量时新疆某实际渗管取水工程渗管的理论平均出水浊度

对比表7和表5可知，理论渗管出水浊度与实际渗管出水浊度基本符合，计算出的理论渗管出水浊度比实际渗管出水浊度略大。这是因为试验是在竖管中进行的，与实际工程的卧管条件有一定的差异。在实际工程运行过程中，水流既有向下的渗透力又有水平的推动力，其过滤的路径是斜向下的，比竖管条件下竖直向下的过滤路径要长，过滤效果会稍好一些，在分析中因其差异很小而忽略不计。理论公式计算结果与实际工程实测数据能较好地符合，证明试验所得理论公式可用于对实际工程的指导。

4 结 语

出水浊度是衡量渗管取水工程成功与否的一个重要标准，影响渗管取水工程出水浊度的因素很多。本研究通过物理模型试验研究了不同河床砂厚度以及不同来水含沙量对渗管取水出水浊度的影响，结果表明，当来水含沙量一定时，随着河床砂厚度的增大，出水浊度逐渐减小；当河床砂厚度一定时，随着来水含沙量的增大，出水浊度逐渐减小。

为了使试验结论的适用性更加广泛，用综合渗透系数代替河床砂厚度进行理论分析，得出了综合渗透系数(x)、来水含沙量(y)与渗管出水浊度(z)之间的拟合公式，拟合公式与试验数据的一致性较好，其确定系数为0.96，拟合度良好。

用实际工程的实测数据对拟合公式进行验证，拟合公式计算结果与实际工程实测数据基本符合，说明试验所得拟合公式可用于实际工程的指导。

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Factors affecting turbidity of treated water from permeation pipe

ZHENG Xiaoyu1，2,LIU Huanfang1,TIAN Yuan3,YU Xuyong1

(1CollegeofHydraulicandConstructionalEngineering,ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang832003,China; 2WaterConservancyBureauofBazhou,Korla,Xinjiang841000,China; 3WaterResourcesDepartmentofXinjiangUygurAutonomousRegion,Urumqi,Xinjiang830000,China)

【Objective】 This study analyzed the factors influencing turbidity of treated water from permeation pipe to provide reference for future permeation pipe water project.【Method】 This paper analyzed influences of riverbed sand thickness (0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 and 0.6 m) and runoff sediment concentration (0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,4.0,5.0,10.0 and 15.0 g/L) on turbidity of treated water from permeation pipe using a physical model.【Result】 With fixed influent sediment concentration,water turbidity decreased with the increase of riverbed sand thickness.With fixed riverbed sand thickness,effluent turbidity decreased with the increase of water sediment concentration.The worst turbidity of 982.33 NTU occurred when of riverbed thickness was 0.1 m and influent sediment concentration was 0.5 g/L.The smallest turbidity of 2.30 NTU was obtained when the riverbed thickness was 0.6 m and the influent sediment concentration was 15 g/L.Integrated permeability was used to analyze theory using the relationship of permeability of water treatment material,runoff sediment concentration and permeation pipe effluent turbidity instead of riverbed sand thickness.The obtained formula was in good agreement with the experimental data and actual measured data.【Conclusion】 The obtained theoretical formula was useful for practical projects.

permeability pipe for water;integrated osmotic coefficient;sediment concentration;turbidity of treated water

时间:2016-10-09 10:08

10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.11.032

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20161009.1008.064.html

2015-06-05

国家自然科学基金项目(11362019)

郑晓瑜(1987-)，女，新疆库尔勒人，硕士，主要从事工程水力学研究。E-mail:zheng_xiao_yu@yeah.net

刘焕芳(1965-)，男，河南禹县人，教授，博士生导师，主要从事工程水力学研究。E-mail:2622251504@qq.com

S276.7+4

A

1671-9387(2016)11-0221-07