浅谈山区河床浅层地下水取水方式选择

苏都都

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 概况

以浅层地下水作为供水水源，在山区农村供水工程中应用极为普遍，以岷县东部、南部农村供水工程为例，项目共有规模以上(供水量大于100m3/d)水源12处，除1处泉群和1处岩洞水外，其余均为河床浅层地下水，浅层地下水水源数量占总水源数量的80%以上。

与深层地下水不同，山区河床浅层地下水具有埋深浅，含水层薄，受地表水影响明显等特点，不同的水源取水方式其取水效果往往大不相同，可以说，取水方式选择的合理与否，直接决定了工程的成败[1- 3]。

岷县位于甘肃省定西市南部，地处青藏高原边缘，是甘南草原向黄土高原、陇南山地的过渡地带，属构造剥蚀低中山河谷、沟谷地貌区，其东部、南部具有极为典型的山区特点。

2 山区河床浅层地下水的特点

浅层地下水介于地表水与深层地下水之间，地表水及地下潜流是其主要补给来源，其具有3个典型特点。

2.1 水量、水质具有显著的季节性

浅层地下水在地质结构中，位于第一透水层中，第一隔水层之上，埋深浅，水体与地表水有直接的补排关系，加之山区河流多为季节性河流，洪枯期河道流量差距大，直接影响潜水面，因此其水量大小与地表水具有直接关系。此外，由于水体未经岩土层过滤，其水质与地表水差异甚微。

2.2 含水层埋深浅，厚度较薄

山区河床浅层地下水主要分布于河漫滩及一二级阶地中，含水层多为第四系冲洪积砂卵砾石层，含水层厚度一般自河谷两侧向河道递减，经多年冲切作用，河谷含水层埋深一般较浅，厚度亦较薄。岷县农村供水工程12处水源中，平均埋深仅0.48m，含水层厚度介于2.2～8.65m之间，平均厚度仅5.48m。

2.3 含水层渗透系数差别较大

浅层地下水含水层行成年代较晚，受沉积作用及沉积物类型影响，不同河流，同一河流的不同河床渗透系数差别较大。岷县农村供水工程所选水源地渗透系数分布范围广，水源地均位于迭藏河河谷，但渗透系数相差约2倍。

3 取水方式选择原则及典型设计

河床浅层地下水常用的取水方式有大口井、渗渠、辐射井、集水廊道等，岷县农村供水工程中采用了大口井、渗渠及集水廊道3种形式。

3.1 取水方式选择原则

根据岷县东部、南部农村供水工程的特点，设计阶段制定的水源取水方式选择原则为：

(1)南部含水层较厚(大于6.0m)的河谷水源地，选用大口井。

(2)东部含水层较薄的沟谷(小于5m)，选用渗渠。

(3)东部含水层厚度小于3m的溪谷，选用“人造含水层+截墙+集水廊道”。

岷县东部、南部规模性以上水源取水方式统计表详见表1。

表1 取水方式统计表[4- 5]

3.2 大口井典型设计

大口井是开采河床浅层地下水常用的方式，根据井底是否进水分为完整井和非完整井，岷县农村供水工程共修建大口井4座，其中3处非完整井，1处完整井。

(1)出水量计算公式选用

根据《给排水设计手册》(第二版)第三册城镇给水，岷县大口井出水量计算公式选择集取河床渗透水的计算方法，计算公式[6]如下：

(1)

式中，Q—大口井出水量，m3/d；K—含水层渗透系数，m/d，考虑淤塞等因素，计算时取试验值的0.8倍；r0—大口井半径，m；S—水位下降，m；M—含水层厚度，m；N—井底距含水层底板距离，m。

(2)典型设计

大口井布置于河床一级阶地，采用钢筋混凝土结构，井径4m，井壁厚度为0.35m，井深6/10m，在地下水位以下井壁开设直径为110mm的水平进水孔，孔呈梅花形布置，间距0.4m×0.6m，进水孔内设置滤料，非完整型井井底设置3层反滤料，完整井井底采用混凝土封底。井口高程高于设计洪水位，井盖板设置通气孔。非完整井典型设计图如图1所示。

图1 非完整井典型设计图

3.3 渗渠典型设计

渗渠是开采河床浅层地下水的另一种典型常见方式，根据其与河道的关系分为垂直于河床与平行于河床2类。岷县农村供水工程共修建渗渠5处，其中垂直于河床布置的4处，平行于河床布置的1处，均为双侧进水的非完整型渗渠。

(1)出水量计算公式选用

出水量计算选择《给排水设计手册》(第二版)第三册城镇给水中非完整双面进水计算方法，计算公式[6]如下：

(2)

(3)

式中，Q—渗渠出水量，m3/d；L—渗渠长度，m；K—渗透系数，m/d；α—淤塞系数，采用0.8；Hy—河流水面至渗渠顶深度，m；H0—集水井内水位对渗渠出口所施水压，m；T—含水层厚度，m；h—河床至渗渠底的深度，m；d—渗渠直径或宽度，m。

(2)典型设计

渗渠渗管采用为混凝土花管，条孔规格30mm×50mm，条孔中心距200mm，花管外侧缠8目镀锌筛网一层，渗管最小管径不小于DN400，以便于后期运行维护。渗管外填充3层级配滤料粒径分别为4.0～8.0、20～30、60～100mm，厚度均为50cm，顶部采用原河床开挖料回填至原高程，典型设计图如图2所示。

图2 渗渠典型设计图

3.4 集水廊道典型设计

集水廊道与渗渠类似，一般与截渗墙配合使用，岷县农村供水工程共修建集水廊道1处。

(1)出水量计算公式选用

集水廊道出水量计算采用完整渗渠单侧进水就算公式，Q计算公式与渗渠相同(式(2))，A的计算公式[6]如下：

(4)

(2)典型设计

集水廊道垂直河道布置，廊道下游设置截渗墙1道，廊道长×宽×高为10m×0.8m×1.2m。廊道外侧设置设人工滤层4层，级配分别为0.25～1.0、1.0～4.0、4.0～8.0、8.0～32.0mm；厚度分别为100、30、30、30cm。进水孔设计为直径110mm圆形孔，呈梅花形布置于廊道迎水面直墙段，孔眼净间距为30cm，管内设置级配滤料。进水孔允许流速以不大于0.01m/s控制。设计图如图3—4所示。

图3 集水廊道平面布置图

图4 集水廊道横剖面图

4 效果评价

岷县农村供水工程设计于2013年，完建于2015年7—12月间，2018年5—7月笔者对各取水工程运行情况进行了现场实地调查，并对各工程的实际运行效果、存在的问题进行了整理，具体见表2。

4.1 存在问题

总结分析调查结果，主要有以下几个问题：①大口井干旱年份的出水量小于设计值；②渗渠干旱年份出水量下降幅度明显，下降幅度大于大口井；③渗渠出水量整体呈下降趋势，须清洗；④廊道的尺寸偏小，不利于后期运行管理。

4.2 原因分析

(1)大口井干旱年份出水量小于设计值

设计时以集取河床渗透水计算公式进行大口井出水量计算，干旱年份，河床来水量减少，水面变窄，河床水渗透量减小，潜水面下降，从而导致出水量达不到设计要求。

(2)渗渠干旱年份出水量下降幅度明显

通过调查得出，渗渠虽为地下水取水构筑物，但对于浅埋渗渠，其主要补给来源为河床渗透水，可以说浅埋渗渠取水的本质是依靠人工制造透水层来集取河床地表水，因此其对河床渗透水量的依赖程度更高，当河床来水量减小时，其出水量降幅更明显。

(3)渗渠出水量整体呈下降趋势

随着使用时间的延长，渗渠及大口井周围滤层会逐渐淤积，使其渗透系数下降从而导致出水量下降。通过调查发现，战马沟水源清洗频率高于其他，一方面是由于所在沟道水流含沙量大，另一个是工程管理粗放，下游产业园群众利用其进行灌溉等其他用途，导致部分时段的供水量远大于设计供水量，导致滤料内渗透坡降增大，加剧了淤积；草地、狼渡滩水源地未清洗，主要是沟道植被好，水流含沙量小，不易发生山洪。

5 结论与建议

通过对岷县农村供水工程水源取水方式的分析，可以得出以下结论：

表2 各取水工程实际运行情况统计表

(1)大口井、渗渠及集水廊道在山区农村供水工程中均有较好的适用性，整体来讲，大口井优于渗渠及集水廊道。

(2)对于洪枯期水位变幅大，尤其是出现断流的山区河道，采用集取河床渗透水计算公式计算的出水量往往偏大，设计时应采用潜水含水层出水量计算公式复核其最小出水量。

(3)浅埋渗渠在山区河道中使用具有一定的局限性，如须采用则应修建截水墙等截渗措施，以提高取水保证程度。

(4)渗渠及集水廊道易产生淤积，在水流含沙量较大或山洪多发河道使用时，应考虑设置导排洪设施，以延长其使用寿命。

(5)集水廊道(包括人造透水层和截渗墙)在含水层厚度较小，具有常流水的沟谷具有较好的适用性，但设计时应保证廊道的宽度及高度应不小于1.0m和1.5m，以利于后期运行管理。

(6)提高运行管理水平，精细管理，运行过程中应严格控制取水构筑物出水量，不允许出现出水量大于设计出水量的情况，以延缓淤积，延长使用寿命。