金沟河引水工程中渗管取水的应用

贠立明

（新疆金沟河流域管理局，新疆 沙湾 832100）

0 引言

随着金沟河流域工业产业链的不断发展，城市规模也将不断扩大，已建成的金沟河流域独山子区第一、二、三、四水源法定取水量为1.01亿m3/a，虽然可以暂时满足现状用水需要，但供水高峰调节矛盾突出，现有部分水源受周边地区影响取水条件恶化，取水能力下降，自2012年开始实际取水能力只有9400万m3/a，无法满足独山子地区社会经济快速发展对水资源的需求。根据金沟河流域下游产业发展规划，预计区域“十二五”及“十三五”初期需水量将达到1.2212亿m3，缺水量达到2812万m3/a。因此，为保证区域社会经济的可持续发展，增加新的水资源已迫在眉睫。为解决水资源紧缺问题，在自治区人民政府的大力支持下，流域管理部门从2005年起开始调研分析周边河流向区域调水的可行性，通过前期论证，认为从金沟河调水是可行的。根据区域各业“十二五”及之后发展规划，预计2017年各业总需水1.2212亿m3，虽然现有四个水源地法定取水量为1.01亿m3/a，但实际取水量只能达到9400万m3/a，年缺水量2812万m3/a，因此，尽快开辟建设新的水源势在必行。

1 工程概况

金沟河引水工程取水首部位于金沟河渠首上游7.4 km河道处，行政区划隶属于沙湾县，属低山丘陵及河谷地貌。工程输水线路总长60.982 km，跨越沙湾县及克拉玛依市独山子区，两岸基岩裸露，岸坡陡峻，风化剥蚀作用强烈，河谷呈“U”形，谷宽约400 m，谷深90 m～120 m，河流纵坡大于10‰，取水首部北距与乌伊公路、乌奎高速公路相连通的安集海镇25 km，西侧有安集海至博尔通古乡新建成县道X805相通，区内有网状土路相连，交通方便。

金沟河引水工程主要任务是在金沟河P=50%和P=75%来水频率下，从金沟河流域分别灵活调水至独山子区，以缓解独山子区人饮和工业用水紧张的情况。

2 渗管取水工程设计

2.1 位置的选择

渗管必须设置于靠近河流主流、砂砾石级配良好的非淤积稳定河床，较厚含水层且无不透水夹层河段。金沟河渠首上游河道河床稳定，第四系统冲积Q4al含漂石砂砾层厚度4 m～5.5 m，为中～强透水层，河床地形平坦开阔，潜水资源充裕，较为适宜渗管取水工程实施[1]。

2.2 结构型式

考虑到工程区河床砂砾石覆盖层厚度、含水层渗透系数等因素，确定金沟河引水工程渗管取水采用管状暗渠式节水渗渠管，渗管全长1398 m，水下开挖5.4 m深，河滩砂砾石、岩石基础渗管临时开挖边坡分别为1∶1.5和1∶0.75。渗管内径2.0 m，管壁厚0.25 m，各段滤水管均匀布设直径60 mm开孔200个，开孔总面积占渗管表面积14.52%，滤管外设厚度为1.5 m的人工滤层，并通过预埋钢件进行相邻滤管焊接处理。管顶设置总厚度0.8 m的三层人工滤层，中间回填原河砂并用尺寸2000 mm×1000 mm×500 mm的合金钢丝防冲网装石加固防冲。

2.3 渗管水力计算

2.3.1 计算条件及指标

根据新水办政资[2010]14号“关于金沟河引水工程水资源论证报告的批复”，批准独山子区从金沟河年引水量为3000万m3/a。渗管进水孔面积根据其表面积的15.21%确定，渗管填满度c按渗管直径D的0.4～0.6倍计，工程渗管直径D取1.0 m。渗管取水工程上部河床砂砾石覆盖层渗透系数4.6×10-2cm/s，含水层厚H为4.2 m，渠道水深h为0.6 m，水力半径R取85 m。为预防细小泥沙颗粒进入渗管，渗管取水工程进水孔流速应不大于0.04 m/s，其余部分流速为0.02 m/s。

2.3.2 渗管出水量

1/2渗管长度出水量按照汲取地下水或潜流水计算（式（1）），渗管长度主要由供水量设计值决定[2]。埋设于河床之下长度为869 m的另一部分渗管出水量按集取河床渗透水计算（式（2））。

式中：Q为渗管出水量，m3/d；L为渗管长度，m；K为渗透系数，cm/s；H为含水层厚，m；h为渗管内水深，也即动水位水深，m，取h=0.18 m～0.32 m；R为水力影响半径，m；Hy为渗管顶至河面深度，取Hy=2.9 m；H0为净水头，取H0=0.8 m；d为渗管直径，m；A为实际进水孔面积，m2。

由式（1）～（3）可得，在金沟河引水工程河滩及河床布设1398 m长度的渗管便可满足独山子区人饮和工业用水量3.685×104m3/d（即 0.427 m3/s）的要求。

为了保证金沟河引水工程渗管0.427 m3/s的设计取水能力，还必须按照渗管开孔面积进行设计引水量的复核。渗管开孔孔眼总面积F按下式确定：

式中：F为渗管开孔孔眼总面积，m2；Q为渗管出水量，m3/h，Q=3.685×104m3/d=0.427 m3/s；V为渗管孔眼流速允许值，取V=0.01 m/s。求得 F=42.7 m2。

渗管进水孔面积是其表面积开孔的净面积，由于渗管直径1.0 m，所以开孔总面积为1274.07 m2，由于渗管水深均值为管径的1/2，入渗水量主要受其充水部分的影响，减除1/2孔眼面积后渗管入渗面积为637.04 m2，渗管上下部圆周均按照2/3开孔设计，则实际进水孔面积占总面积2/3，所以实际进水孔面积为424.69 m2。待渗管运行多年后，砂砾石可能将进水孔的1/3堵塞，此种情况下，进水孔实际面积为283.12 m2，远远大于42.7 m2，充分表明渗管孔眼开孔面积完全满足取水流量入渗量设计值。

2.4 人工滤层设计

金沟河引水工程人工滤层按照倒梯形设计，断面型式见图1，滤层总厚度0.8m，上中下三层厚度分别为0.25m、0.25m和0.3m。

2.4.1 人工滤层宽度

按照《水工设计手册》《给水排水设计手册》及相关规定，渗管工程人工滤层上口宽B按下式确定：

式中：L为人工滤层长度，m；Q为渗管取水能力，m3/h；Vg为土层渗流流速，m/h。

由计算可得，金沟河引水渗管工程人工滤层上口宽B为14.75 m，若将渗管人工滤层敷设施工过程中河床边坡稳定性考虑在内，则B取15.65 m。

引水工程人工滤层底宽通常按渗管外径D+1.5 m予以确定，充分考虑渗管安装施工因素，确定金沟河引水工程滤层底宽4.2m。

2.4.2 滤料粒径

根据《水工设计手册》《给水排水设计手册》及相关规定，紧邻含水层的首层滤料粒径dⅠ、二层滤料粒径dⅡ及三层滤料粒径dⅢ分别按下式计算：

由于工程所在区域含水层为中粗砂，故取di=d30，d30表示比该粒径小的颗粒占总重量30%时的粒径，首层滤料粒径取2 mm～15 mm，二层滤料粒径取15 mm～35 mm，根据取水渗管开孔直径，与渗管接触的第三层滤料层厚度0.3 m，滤料粒径20 mm～40 mm。

图1 人工滤层设计断面图

3 渗管取水工程设置应注意的问题

渗管取水效果主要受河床淤塞的影响较大，为此，渗管位置应当设置在距离主流河段较近的不淤或少淤河段，实践证明，在河流冲刷强度和淤积速度相等的河床渗管取水工程运行效果最好[3]。渗管取水工程的设置还应考虑河床的稳定性以及汛期洪水冲刷河床的问题，尽可能避免人工滤层被破坏后对渗管取水工程运行的不利影响。

此外，渗管取水工程设计还应考虑冬季含水层及河床水面结冰对取水效果的影响，为保证冬季结冰情况下金沟河引水渗管工程渗管取水量，应提高渗管含水层的厚度，并于渗管沿线按400 m的间距布设长度55 m、高度2.5 m的防冲网装石壅水堤垂直于主河道。

4 结语

金沟河引水工程运行实践表明，将受轻微污染的天然水经由天然河床渗漏过滤处理而转化为渗透水能将天然水中的悬浮物质充分去除，使其浑浊度降低，同时达到良好的除菌效果，渗透水水质完全能达到国家所要求的水质标准。渗管取水工程措施施工简便、造价较低，能充分达到河流天然水转化利用的目的，能在一定程度上缓解我国当前水资源短缺的局面，经济效益和社会效益显著。