引黄灌区高含沙水农田非全流过滤试验研究

明 特，田军仓,2,3

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021)

0 引 言

近些年来，黄河水量调度受到严格的限制，宁夏引黄灌区引水量不断减少，推广高效节水灌溉方式是势在必行的解决途径。引黄灌区引水含沙量大不能直接用于微灌设备，故对引黄灌区高含沙水的过滤显得尤为重要。

目前市面上主要采用的过滤方式有砂过滤器、滤网过滤器、水力旋流过滤器、叠片式过滤器、复合型过滤器以及沉砂池过滤，其中一些过滤设备不仅价格高昂，而且对以高含沙水为水源的过滤效果不是很理想，易造成过滤设备和微灌设备的堵塞，只能用于初级过滤[1,2];在反冲洗时不能连续工作，并需要消耗大量的水[3,4]；叠片过滤器目前尚未形成过滤器“研究、生产、推广”的体系模式，产业化尚且需要一段时间，现有的研究中，没有进一步研究水利性能差异的原因，无法根据水源水质选择合适的叠片过滤器从而提高过滤效率[5]。

这些过滤设备均采用的是全流过滤，而对于非全流过滤的研究很少。田军仓(1999)[6-8]提出一种以土壤、无纺土工织布等作为滤料介质，以非全流过滤的方法，对黄河水中的泥沙进行过滤。非全流过滤装置又称排渗过滤器，将过滤装置放于具有高含沙水流的渠道、河流中，利用自然水压对一部分高含沙水进行过滤，使清水进入装置中，最后顺着汇流管道供微灌设备直接或加压使用，被装置滤住的泥沙等颗粒物被截在外面，随时顺着高含沙水流方向被流水带走，供下游明渠灌溉使用，实现了滤排水同步进行，减少了装置的堵塞几率。这种过滤方式具有以下优点：排滤同步，清浑分离，泥沙入田，改良土壤；无需动力，没有反冲洗过程；造价低廉，规模可控。

范文波(2006)等[9]对非全流负压底滤分水自动反冲洗过滤装置进行了设计研究，装置除沙率为40.38%，滤出水中泥沙颗粒粒径降低率为62.33%，装置滤出水再用网式过滤器加以过滤后，水质基本能够达到微灌用水要求。但是装置运行时水泵耗能较大，反冲洗时需要避开所有滤层同时反冲洗，才能连续不断的供清水。

赵佳奇(2018)[10]针对去田军仓教授的非全流过滤进行了渗流槽的模型模拟实验，结果表明短水平打孔PVC管出水量能够达到6.99 L/(h·m)，通过渗流槽的含沙水最大含沙量为0.43 kg/m3，其中大泥沙颗粒粒径为0.12～0.14 mm，所占比例0.05%。

本文在此研究的基础上进行了基于农田条件下的室外试验，为今后的引黄灌区含沙水过滤研究的理论及技术进一步完善提供支撑。

1 试验条件与方法

1.1 试验区概况

试验区位于宁夏回族自治区银川市贺兰县常信乡光明村(北纬38°36′48.45″，东经106°20′40.83″)。试验基地为黄河西岸近代冲积平原，潜水及承压水含水层岩性均为粉细砂，含水层厚度一般约0～150 m。

试验于2018年秋灌期进行，供试水源引自宁夏唐徕渠，唐徕渠是宁夏引黄灌区最大的自流灌溉渠道，干渠全长314 km，渠首最大引水流量127 m3/s。试验田进水平均流量为35 m3/h,保持20 cm水头选取进水水样进行含沙率测量，含沙量均值为20.865 kg/m3，平均排水流量为31 m3/h。

1.2 试验布置

根据试验方案，将试验田分为4个试验小区，即地埋竖直过滤式(V)、地埋水平过滤式(L)、地埋竖直+水平过滤式(R)，每个试验小区规格为20 m×10 m ，蓄水面积200 m2，渗水井过滤式(S)规格为5 m×5 m，见图1。

表1 试验设计方案Tab.1 Test design scheme

图1 非全流过滤试验区示意图(单位:m)Fig.1 Schematic diagram of non-full flow filtration test area

无纺土工织布型号/(g·m-2)质量偏差(%·m-2)厚度/mm断裂强力/(kN·m-1)断裂伸长率/%CBR顶破强力/kN等效孔径/mm095090在0.4 MPa压力下垂直渗透系数/(cm·s-1)水平渗透系数/(cm·s-1)250-51.90≥12.540～80≥2.20.07～0.201.0-9.9×(10-1-10-3)350-53.64≥17.540～80≥3.00.1040.1010.150.139

(1)地埋竖直过滤式(V)。以5 m×5 m的间距竖直埋设无砂混凝土管，无砂混凝土滤水管内径为320 mm，外径为420 mm，单位长度1 m，每组滤水井竖直埋设两根，共计8组。

每4个小组为一个滤水小区，两个滤水小区编号V1、V2。其中在V1滤水小区土表层铺350 g/m2无纺土工织布，V2滤水小区铺250 g/m2无纺土工织布。

采用直径为40 mm的PVC管作为吸水管和输水管。每根竖向吸水管在距无砂砼管底部5 cm处侧向打直径为10 mm的梅花孔。然后将四根吸水管并联，外接装有离心泵、精密压力表、水表。

(2)地埋水平过滤式(L)。在距离土表层1.5 m深处开挖一条长8.5 m、宽0.7 m的沟，水平铺设8根无砂混凝土管，然后将开挖土回填夯实。在无砂混凝土管顶端采用直径为0.43 m带有法兰的管盖进行密封，法兰外接φ40PVC吸水管。

每8根无砂砼管为一组，共计两组L1、L2，在L1滤水小区土表层铺350 g/m2无纺土工织布，L2滤水小区土表层铺250 g/m2无纺土工织布。

(3)地埋水平+竖直过滤式(R)。地埋水平+竖直过滤式利用辐射井原理增大有效滤水面积。

采用的φ110(2 m)、φ400薄壁波纹管(3 m)侧壁打梅花孔，开孔率面积20%。机械竖向挖0.7 m×0.7 m×2 m的坑，在距离地面1 m的位置圆周间隔60°开6个直径为110 mm的孔，将φ110薄壁波纹管水平插入，以φ400波纹管为中心，辐射状布置φ110波纹管。四周包裹滤料，回填土表层起垄，防止蓄水产生塌陷。

每根竖向波纹管配有6根辐射管为一个滤水小区，共计两个滤水小区R1、R2。其中R1土层表面铺350 g/m2无纺土工织布100 m2，R2土层表面铺250 g/m2无纺土工织布100 m2。

(4)渗水井式(S)。开挖5 m×5 m×2.5 m规格的坑，将两根无砂混凝土管放置中央按照竖直过滤式布置，四周和底部用土工膜做防渗漏处理，回填土采用唐徕渠支渠淤积泥沙回填，进行滤水试验。

图2 V、S布置示意图(单位：m)Fig.2 Schematic diagram of V and S layout

1.3 观测指标

试验区用黄河水漫灌，保持20 cm水头，主要观测指标包括不同规格无纺土工织布对黄河水中泥沙的过滤效果、滤出水流量、滤出水含沙量、滤出水中泥沙粒径。

2 结果与分析

2.1 唐徕渠引黄河水水样分析

取唐徕渠引黄试验原水500 mL，经OBS3+浊度仪检测，试验原水含沙率为20.865 kg/m3,经BT-2003激光粒度分布仪分析，黄河水泥沙颗粒分析如下：

表3 唐徕渠渠水中小于某一粒径泥沙颗粒体积含量 %

唐徕渠引黄泥沙主要由黏粒(0.001～0.005 mm)、粉粒(0.005～0.05 mm)和砂粒(0.05～1 mm)组成，其中黏粒21.813%粉粒20.537%粒、粗砂粒57.65%。

2.2 无纺土工织布滤沙效果

试验结束后，取各试验小区无纺土工织布附着泥沙进行颗粒粒径级配分析，结果如下:

表4 无纺土工织布表层泥沙中小于某粒径颗粒体积含量 %

图3 R组不同规格无纺土工织布拦沙效果对比图Fig.3 Comparison of sand-blocking effects of non-woven geotextiles of different specifications in group R

图4 V组不同规格无纺土工织布拦沙效果对比图Fig.4 Comparison of sand-blocking effects of non-woven geotextiles of different specifications in group V

图5 L组不同规格无纺土工织布拦沙效果对比图Fig.5 Comparison of sand-sanding effects of different specifications of non-woven geotextiles in group L

由表4及图3-5可知，无纺土工织布的拦沙效果显著，其中350 g/m2规格的无纺土工织布拦沙效果明显优于250 g/m2规格的无纺土工织布。250、350 g/m2规格的无纺土工织布拦截泥沙粒径小于0.5和0.25 mm占100%，说明250 g/m2规格的无纺土工织布能够拦截粒径大于0.5 mm的泥沙颗粒，而350 g/m2能够有效拦截粒径大于0.25 mm的泥沙颗粒。250、350 g/m2规格的无纺土工织布所拦截泥沙组成中小于0.05和0.075 mm的泥沙颗粒分别占80.94%、90.18%和88.02%、95.75%，在满足透水性良好的前提下，350 g/m2规格的无纺土工织布更适合作为土表层过滤介质[11]。

2.3 滤水管内累积入渗量、入渗率

开始灌水后，间隔10 min测量一次无砂混凝土滤水内水位，随着水位的上升，延长观测时间，当水位达到标定水位后停止观测。下图为R、V组(V组选取其中4组分析)滤水管内累计入渗量和入渗率。

累积入渗量见图6～图12。

图6 R1累积入渗量Fig.6 R1 cumulative infiltration

图7 R2累积入渗量Fig 7 R2 cumulative infiltration

图8 V1累积入渗量Fig.8 V1 cumulative infiltration

图9 V2累积入渗量Fig. 9 V2 cumulative infiltration

图10 V3累积入渗量Fig.10 V3 cumulative infiltration

图11 V4累积入渗量Fig. 11 V4 cumulative infiltration

图12 S累积入渗量Fig.12 S cumulative infiltration

累积入渗率见图13～图19。

图13 R1累积入渗率Fig.13 R1 cumulative infiltration rate

图14 R2累积入渗率Fig. 14 R2 cumulative infiltration rate

图15 V1累积入渗率Fig.15 V1 cumulative infiltration rate

图16 V2累积入渗率Fig. 16 V2 cumulative infiltration rate

图17 V3累积入渗率Fig.17 V3 cumulative infiltration rate

图18 V4累积入渗率Fig.18 V4 cumulative infiltration rate

图19 S累积入渗率Fig.19 S cumulative infiltration rate

水分下渗进入土体受土壤基质吸力影响，而土壤基质吸力与含水量有关，即土壤入渗能力与土壤初始含水率有关[12]。

当入渗开始时，表层土壤很快饱和，土壤下面土层初始含水率较低时会与饱和土层产生很大吸力梯度，所以水分运移很快，入渗速率就会很大；当土壤下面土层含水率较低时会与饱 和土层产生很大吸力梯度，所以水分运移很快，入渗速率很大；当土壤初始含水率升高后，处于下面土层与饱和土层间的吸力梯度比较小，水分传导比较慢，所以入渗速率反而会变慢。滤水管内的累积入深量和累积入渗率均符合Smith Parlange入渗曲线关系。当t→∞时，入渗率逐渐趋于稳定。

i=i∞+A(t-t0)-α，(t>tp,tp:开始积水时间)

(1)

由于V、R试验小区过滤土壤性质均为沙壤土，而S试验小区采用的是引黄灌区唐徕渠斗渠淤积泥沙，经陈年风化干燥的沙土作为主要滤料，其导水率和渗透性远大于沙壤土，所以相同时间内，S组试验小区的累积入渗量远大于V、R组试验小区。

累积入渗率反映了某一时刻，水分入渗量的增长强度变化，入渗过程初始阶段，由于土壤初始含水率较低，水分入渗较快，此过程为水分快速下渗过程，所以初始阶段的累积入渗率较高；水分下渗进入缓慢入渗的中期阶段时，相同时间内水分的入渗量降低，累积入渗量的增长速率降低，累积入渗率也随之降低；当入渗过程进入到稳定入渗阶段时，累积入渗量的增长速率基本达到稳定值，所以累积此时入渗率逐渐趋于稳定。

2.4 滤出水量、含沙率及滤出水中泥沙粒径分布情况

分别对四套方案对滤出水量、滤出水含沙率观测。V、S、R三组处理以水位达到控制水位线时对滤水量进行抽水观测，L组处理每4 h抽水观测滤水量及含沙率。

2.4.1 各处理平均滤出水流量

由图20、图21可知，当滤出水流量逐渐稳定后，4组处理单位时间、单位长度滤出水流量由高到低依次为：S>R>L>V，分别为0.137 6、0.031 1、0.022 7、0.015 6 m3/(h·m)。由此可知渗水井过滤式(S)为最优方案。

图20 L、V、R平均滤出水流量Fig.20 L, V, R average filtered water flow

图21 S滤出水流量Fig.21 S average filtered water flow

2.4.2 各处理滤出水含沙量变化

4组处理方案滤出水中的含沙量随试验的进行逐渐降低，当R、V、L三组试验进行到50 h，S组进行到70 h时，滤出水中的含沙量均低于0.4 kg/m3，除沙率大于98%，并且随着试验的进行，含沙量逐渐降低。任改萍(2012)[13]等研究发现，对于微灌灌水器而言，粒径0.10～0.15 mm为堵塞敏感范围，粒径在0.10～0.075 mm范围内与小于0.058 mm的粒径泥沙颗粒造成堵塞程度接近。在本试验中滤出水泥沙颗粒最大粒径为0.112 mm，大于0.1 mm的泥沙颗粒粒径占0.077%，小于0.1 mm的泥沙颗粒粒径占99.923%，所以经过滤后的水可用于微灌设备。

图22 R组滤出水含沙量随时间变化趋势图Fig.22 R group filtered water effluent content change trend with time

图23 V组滤出水含沙量随时间变化趋势图Fig.23 V group filtered water effluent content change trend with time

图25 S组滤出水含沙量随时间变化趋势图Fig.25 S group filtered water effluent content change trend with time

图26 4组处理平均滤出水中泥沙颗粒粒径分布Fig.26 Four groups of treated average particle size distribution of sediment particles in filtered water

3 结 论

通过对引黄灌区唐徕渠黄河水非全流过滤试验，可以得到以下结论：

(1)无纺土工织布具有良好的拦沙效果，且其规格越高其拦沙效果越明显。但是随着试验的进行，无纺土工织布逐渐被拦截的黄河泥沙堵塞，透水性能降低，滤水效果也随之降低。

(2)单位时间、单位长度滤出水流量由高到低依次为：S>R>L>V，分别为0.137 6、0.031 1、0.022 7、0.015 6 m3/(h·m)，由此可知渗水井过滤式(S)为最优方案。其中，S组出水量比R、L、V三组处理的出水量多342.44%、506.17%、782.05%。

(3)当R、V、L三组试验进行到50 h，S组进行到70 h时，滤出水中的含沙量均低于0.4 kg/m3，滤出水中泥沙颗粒粒径经BT-2003激光粒度分布仪观测，最大泥沙粒径为0.112 mm，且粒径大于0.1 mm的仅占0.077%，不会对微灌系统造成堵塞，水质能够满足滴灌要求，滤出水含沙量随试验时间的延长有逐渐减小的趋势。

(4)经过大田滤水试验，引黄灌区非全流过滤含沙水研究思路可行，具有一定的科学指导意义。其中渗水井过滤式采用了防渗漏处理，置换透水性好的沙土为过滤介质，出水量达0.137 6 m3/(h·m)，为最优过滤方案。

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