金沟河引水工程渗管取水特性试验研究

张红维

（和田鼎晟工程试验检测有限公司，新疆 和田848000）

水作为最重要的生态环境资源，对社会的发展至关重要［1］。在降水稀少的内陆河流域下游，上游流量是环境生态系统和经济发展的主要水资源［2］。通过人工引水来调节河流，可以重新分配用于生态、社会和经济用途的水，可提高水的使用效率，实现可持续发展，尤其是在缺水地区［3］。因此，准确、及时地评价引水工程的积极成果和潜在的消极影响，是有效管理内陆河流域水资源的需要。为保证金沟河渗管的取水量可达设计取水流量，丰水期7～9月为1.5m3/s，其余各月为0.9m3/s，本文在试验室内设计了取水首部渗管取水水力模型试验，对该引水工程取水水质（浊度）及反滤层效果进行了验证，使金沟河引水工程从水量和水质上均能达到设计要求。

1 研究区概况

金沟河流域 （东经86°03′～86°49′， 北纬44°30′～45°33′）位于新疆塔城地区沙湾县境内。河水流至下游洪沟水库和海子湾水库后被拦截，一般年份无水流入玛纳斯河。拟建的独石化金沟河供水工程，其取水首部采用渗管引水布置型式，渗管位于拟建红山水库坝址以上约5.2km，金沟河渠首以上约7.2km，库区回水区以上的0.2km河道内，主要供独山子区工业用水［4］。

2 渗管取水工程模型及试验设计

本文试验在11m×1.0m×3.2mγ的水槽中进行，水槽边壁采用细石混凝土抹面，抹面后在其外表面涂抹沥青材料做防水层。在水槽内布置1条完整式渗管，其坡降为1/100；渗管开孔为 18mm圆孔，孔（中心）距 50mm，行（中心）距 50mm，开孔率 10.2%，渗管直径400mm。渗管上铺设的四层人工反滤层，厚度1100mm。人工反滤层上铺设900mm的原河床砂石料。试验装置平面布置如图1。

图1 试验装置平面布置

根据工程实际情况，本文分别进行了清水试验和浑水试验。清水试验主要研究反滤层及不同来水流量、不同河床天然砂石料厚度与渗管取水水量、水质之间的关系。试验中通过调节闸阀，分别对60，70，80L/s3个流量下不同河床天然砂石料厚度反滤层下，渗管取水水量、水质进行了测定，渗管取水流量用直角三角堰测量。根据前期研究结果，在金沟河取样测定的含沙量及浊度如表1。试验过程中，通过在水槽前面的沉淀池中加沙搅拌模拟浑水，由于水流流速越小水流携沙能力越弱，而实际工程中为了减少泥沙沉积，一般将工程布置在水流流速较大的河段，因此为了防止泥沙沉积，对 70，80 L/s 2个流量进行了试验。

表1 金沟河原河道浑水含沙量及浊度

3 数据采集

采用矩形堰、直接三角堰测量明渠和渗管的来水量Q1和取水量Q2。 其计算公式为［5-7］：

渗管取水流量采用电子秤、秒表和水桶，采用称重法获得。其流量值为称量水的重量除以秒表记录的渗管流水时间。

来水和取水含沙量采用过滤法测定水流中悬移质泥沙的含沙量。滤管中水深的测量采用将测压管与渗管底部通过铜管相连，读取测压管中的水深获得。来水和取水浊度的测量采用DYPS600型浊度仪。为保证试验结果的可靠性，采用水洗和筛分方法对原 1～5mm反滤层料进行处理，分别采用5mm和1mm孔径的筛子进行筛分，并用水冲洗，保证砂中泥可去除。

4 试验观测及结果分析

4.1 反滤层颗粒级配及设计合理性验证分析

4.1.1 颗粒级配试验

为了验证反滤层设计的合理性，分别用标准筛对粒径范围为1～5mm的砂、5～20mm的砾石、20～40mm卵石、40～80mm卵石等反滤料进行了筛分。原料场砂的粒径级配情况如图2。

图2 原料场反滤料粒径级配曲线

由图2可看出：1～5mm的砂中小于1.0mm颗粒占总质量的 59.9%，小于0.075mm颗粒占总质量的3.1%，细颗粒含量和含泥量均偏高，会降低该反滤层渗透系数，有利于提高水质，但相应地出水流量会降低，因此，为保证水质，应清除粒径为1～5mm砂中的泥；同时为了增加出水量也要减少小于1.0mm细砂的含量。5～20mm中大于20mm颗粒占总质量的17.7%，为达到设计要求，应适当降低大于20mm颗粒的含量；40～80mm中虽然大于80mm颗粒占总质量的28.6%，但该层直接与滤管接触主要起到骨架和支撑作用，只要保证小于18mm粒径不进入渗管即可，所以该层无需处理；20～40mm中小于20mm占总质量的2.9%，含量不高，但要防止进入渗管堵塞滤管进水孔，从而减小滤管有效进水面积，降低渗管出水流量。虽然该层无需处理，但在铺设此层反滤料时，尤其是与滤管直接接触的反滤料，严格控制级配，不应有小于18mm粒径的颗粒，同时粒径小于20mm颗粒含量也不应过高，以保证滤管进水孔不被堵塞。为了保证反滤层设计的试验结果，对1～5mm的原料场砂分别用5mm和1mm孔径的筛子进行筛分，同时筛分过程中用水冲洗，去除砂中泥；对5～20mm原料场砂用直径为20mm筛子进行了筛分，去除了部分20mm以上粒径的颗粒，筛分后粒径级配情况如图3。

图3 筛分后反滤料颗粒级配曲线

4.1.2 反滤层设计合理性验证

不均匀系数Cu是表示土体中颗粒粒径的比例关系，Cu接近1时表示土颗粒分布均匀，相互制约能力强；大于1则表示土颗粒分布不均匀［8］。本试验中反滤层各层滤料不均匀系数自上而下分别为：1.74，1.70，1.27，1.44。 说明本文设计的反滤料颗粒级配能够满足“滤土”和“排水”的要求，运行效果良好。

4.2 流量验证

4.2.1 清水试验

通过渗管取水时，渗管内在上次阀门关闭后留有一部分水量，测压管与渗管内的水平高度平齐，当打开阀门后，测压管内的水面开始降低，说明渗管内的静储水量是渗管最初取水的主要水源；试验结果表明一般在 40～70s内测压管可从最高值降至稳定值。

4.2.2 浑水试验

浑水试验通过在水槽首部的搅拌池内人工加沙搅拌来实现，本文将入水口布设为 1号取样点；出水口处布设在2号取样点；滤水管的出水口处布设在3号取样点。经过测定，模拟浑水的含沙量如表2。

表2 模拟浑水含沙量 单位：g/L

模拟浑水的含沙量与测定原河道含沙量范围基本一致。试验测定的渗管取水浊度结果均在3NTU以下。若渗管中泥沙含量过高，含水层表层将形成泥膜，严重影响反滤料的渗透系数。会导致表层渗透系数减小，影响渗管产水量。

相同情况下清水试验和浑水试验的渗管产水量对比如表3。

表3 清水试验和浑水试验的渗管产水量对比

从表3可看出，浑水试验由于河床表层沿程会淤积一定数量的细颗粒泥沙，导致渗管产水量降低。所以实际工程中应保证明渠水流具有一定的挟沙能力。

4.3 水质浊度

首次放水时，在相当长的一段时间内渗管取水的浊度较高，如图4。这是由于反滤料存在泥沙，泥沙运动过程中由于摩擦影响相互限制其位移，导致渗管中的泥沙不易被水流带走，浊度相对较高。但最终在清水的冲洗下，泥沙含量降低，浊度降低，并稳定至 1～3NTU，如图 5。

图4 首次放水时来水水质与渗管出水水质对比

图5 清水冲洗后来水水质与渗管出水水质对比

经过清水条件下不同原河床天然沙厚度时的渗管取水水质如表4，来水流量为 70，80L/s时浑水试验下渗管取水水质情况如表5。

表4 清水条件下不同来水流量、原河床天然沙厚度水质单位：NTU

表5 浑水试验渗管出水水质 单位：NTU

由表4可看出，清水试验在来水水质较差情况下（9.21～41.70 NTU），渗管出水水质受河床料厚度的影响较大。河床料厚度为 0cm时，渗管出水水质与来水水质基本一样；当河床料厚度为50cm时，渗管出水浊度明显降低，为5～6 NTU；当河床料厚度为90cm时，渗管出水浊度为 1～2 NTU；这主要因为河床料为较细的颗粒组成，对水质过滤作用明显。由表5可看出，浑水试验后渗管出水水质均在3NTU以下，符合设计取水要求。由表中结果还可看出，在试验之初（河床料厚度为 0cm和 50cm时），渗渠取水水质较差，随时间增长，水质逐渐变好，这是由于试验之初反滤层中含泥量较高导致的。

5 结语

（1）本文设计的反滤层“滤土”作用明显，出水水质优良，含沙量低，滤料的选择良好。

（2）经过测定1～5mm砂、5～20mm 砾石、20～40mm卵石、40～80mm卵石、原河床天然砂的渗透系数分别为 303.70，9809.09，13426.44，无穷大，24.81m/d。当含水层总厚度6.5m时，其综合渗透系数30.43m/d；当含水层总厚度8m时，其综合渗透系数29.19m/d。

（3）在取水稳定后，取水水质浊度均在 3NTU以下，能够达到工业用水水质要求。