北票渗滤取水工程井水位、水温动态特征

李晓，郭宏洋，赵亚茜，陈桦，吕鸣

(1．成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059； 2．重庆渗滤取水工程有限公司,重庆 401147)

傍河开采地下水是我国北方城镇、工矿企业集中供水的一种常用取水方式，渗流井是傍河开采地下水的一种工艺技术，以渗流井方式开采地下水和渗透水，在运行过程中水质、水量常受到气候、降水、河流径流变化等多种环境因素的影响，可能导致河水与地下水补给关系、含水层渗透性产生变化。渗流井水位、水温动态是指抽水井水位和水温随时间的变化过程。研究地下水动态对了解渗流井运行过程中各种环境因索对地下水的影响，揭示河水补给含水层、含水层淤塞等信息，渗滤取水工程运行过程中水质、水量随环境的变化特征，了解和掌握取水过程中水文地质环境的变化，水质、水量的变化规律的关键之一，也是说明渗滤取水水质、水量稳定性、可靠性的重要技术参数。研究渗流井取水过程中水位和水温变化，对渗流井取水管理和运营维护具有重要的理论和实际意义。

近年来国内外学者对傍河取水开展了大量研究，主要集中在傍河水源地地下水开采的水量保证和水质净化效果、堵塞研究等方面。在傍河取水水量开采研究方面朱学愚和钱孝星(1997)总结分析了北方丘陵、滨海平原及长江三角洲等地地下水资源量大部分来自于袭夺地表水资源量，河水入渗量是傍河水源地水资源量评价的关键[1]；刘国东等(1998)对傍河水源地地下水资源量评价方法进行总结，主要计算方法有均衡法、水动力学法、地下水管理模型优化方法及开采试验法等[2];郭欣伟等(2014)对渭河傍河水源地开采进行地下水数值模拟，计算分析傍河水源地地下水开采量对渭河干流水量的影响导致地下水位下降，结果表明需通过其他手段改善地下水位下降问题，实现水均衡[3-4]；在傍河取水渗滤过程对水质净化的研究方面，国内外学者发现渗滤过程可以很好的改善水质。国外学者Sontheimer.H(1980)在莱茵河研究发现河流渗滤系统对铬和砷的去除率达90%，对镉、锌、铅、铜、镍的去除率也超过50%[9]；Grischek.T(1998)等对德国易北河硝酸浓度进行研究，证明渗滤能降低硝酸浓度[10]；Jurgen Schubert(2002)等对莱茵河水进行试验，结果表明河流渗滤系统对溶解的有机碳、氨氮去除效果均很好[11]。国内学者吴耀国等(2000)对徐州奎河河水渗滤过程进行研究，结果表明渗滤过程对氨氮的去除率可达95%[14]；王含婧(2008)等对黄河傍河取水工程对水中污染物去除效果进行研究，结果表明傍河取水对黄河水中的总磷、氨氮、UV254具有良好的去除效果[8]。关于傍河取水中对井管等的堵塞研究方面胡斌等(2016)总结了傍河水源地取水井堵塞为物理堵塞、化学堵塞及微生物堵塞，缓解堵塞方式为洗井、监测河流水质、合理设计取水井井群分布及控制取水井取水量[12-13]。而通过水位和水温长期监测来研究傍河取水的研究尚少见报道。本文依据北票渗流井取水过程主取水井水位、水温长期的间隔的监测资料，分析东北地区傍河取水过程中的水位、水温变化特征，探索引起变化的原因和影响因素，为保障渗流井的持续、稳定、安全运行提供参考依据。

1 场地环境

北票市位于辽宁省的西部，供水区域人口约20万，境内地表水系发育，主要河流为大凌河，流经全境，其支流有牤牛河(交通位置图见图1)。为满足城市发展的供水需求，2012年在白石水库库区采用渗流井取水工艺建水厂。工程场区位于大凌河的下游地段的白石水库，是典型的冲洪积形成的河谷地貌，河床宽阔中坦，河床两岸呈较对称“V”字型阶地及斜坡地貌，北岸最大标高131.0 m(馒头沟)，南岸边岸标高115.6 m。河漫滩发育，由冲洪积成因的砂砾卵石层构成，厚约6～7 m，是较为理想的取水滤床。区内除上游建有公路大桥，无大的建(构)筑物，污染源少。北票市地处温带大陆性气候区，年平均气温6 ℃～11 ℃，1月-18 ℃～-5 ℃，7月22 ℃～26 ℃，年降水量440～1 130 mm。受季风的影响，春季少雨而多风，夏季暖热而多雨，秋季短暂而晴朗，冬季寒冷而干燥。北票取水工程于2014年4月开始运行。

图1 工程区交通位置图

2 取水工程概况及监测

2.1 工程概况

北票取水工程水源地分两个厂区建设，水源地占地面积约100×104m2，取水量5×104m3/d。两厂区建于白石水库北岸，其中第一厂区建于馒头沟附近，第二厂区建于其下游约1 km处。两厂区地下取水构筑均由1座集水竖井、3条库底输水中巷、6个集水硐室和160个渗滤取水辐射孔组成。各构筑物特征如下：

(1) 集水竖井：设计井口标高H=130 m，保证水库远期正常蓄水位要求。竖井井筒为圆形，内径5 m，初设井深为60.0 m，井底5.0 m段为导井(积淤与施工排污)，建设施工井深50 m。

(2) 输水中巷：中面布局均呈“Y”形，主巷道长度第一厂区为500 m、第二厂区为600 m，2条支巷长均为300 m，巷道净断面为2.0 m×2.0 m，为圆拱直墙式支护形式，墙、顶背均作砂浆砼、块石填实止水。巷道马门口底标高拟75.0 m，纵坡率0.25%。

(4) 渗滤孔：布设于硐室内，呈放射状实施对滤床区的控制。设计渗滤孔辐射实际控制取水面积约8×104m2。共设渗滤孔160个，单孔深度50 m，孔端安置特制过滤器。单孔平均安装过滤器4套，取水量80～100 t/套·d，总取水量不小于5×104m3/d。

该厂区设备安装及取水建筑建设完成，已投入使用1 a进行渗滤取水。北票取水工程第一厂区工程中平面布置图及剖面图见图2、图3。

1.农田；2.水源地；3.集水巷道；4.剖面线；5.水库堤坝；6.河湖漫滩；7.湖泊水库;8.江河；9.集水范围；10.流向图2 北票取水工程中面布置图

图3 北票取水工程剖面示意图

2.2 监测

监测设备安装：

水位及水温动态监测在水厂集水竖井中进行，集水竖井的内径为5 m，井深50 m。集水竖井设置在水库最高淹没线之上(井口标高130 m)，避免因水库水位上升而淹没集水竖井。井壁采用钢筋混凝土全现浇支护，井口采用钢板封盖，仅有抽水管道留有进口，这既保证了设备的有序运行，还保证了四周环境卫生和水体水质(具体可见图4)。

图4 主井监测探头示意图

水位水温动态监测设备采用荷兰斯伦贝谢水务公司的Mini-Diver小型地下水自动监测仪。该监测仪主要用于记录地下水位及水温，监测仪规格：长90 mm，直径22 mm。仪器放置后自动测量并保存地下水水位和水温数据，可记录24 000组数据。

2014年4月在完成现场的仪器测试监测后，于2014年5月1日，进行了长期监测的探头安装，第一次监测持续时间为2014年5月1日～2015年7月1日。

3 结果与分析

3.1 水位、水温年变化特征

北票水厂2014年5月1日至2015年7月1日水位、水温水动态监测年变化特征见图5。

图5 北票2014～2015年地下水水位及水温动态变化曲线图

3.1.1 井水水位变化特征

如今的新曹，大田平如毯，绿树蔽白日，道路直无头，农渠波浪清，住房精而美。现在的农场，农区变景区、家园变公园、产区变销区、产品变礼品。

对2014年5月1日～2015年7月1日观测结果进行分析，2014年井水位的水位曲线表现出两个明显峰值，第一个峰值出现在5月初，第二个峰值在7月下旬，第一个峰值高，为114.42 m，第二个峰值为111.9 m。结合当地气温、降水特征，分析渗流井主取水井水位出现两个峰值的原因是受冰雪消融补给和大气降水补给影响。第一个峰值出现在5月初，其补给来源是从3月开始积聚的冬季冰雪消融水，地下水的补给量增加引起地下水水位的抬升形成第一个水位峰值，在4月下旬至5月初，水位到达最高，然后开始缓慢下降。7月进入雨季后，降水补给量增加，水位抬升逐渐形成第二个水位峰值。第一个峰值高于第二个峰值，表明在北票地区，含水层获得的融雪补给量大于降雨补给量。

3.1.2 井水温度变化特征

2014年水位峰值为114.42 m，2015年水位峰值113.81 m，相差0.61 m，水位峰值相差的原因主要可能是由井管内淤塞引起的。

3.1.3 水温年变化特征

井水温在2014年5月至2015年6月一个水文年内，显示出单峰特征，2014年11月17日到达最大值为16.81 ℃， 2015年4月26日下降到最低值，为8.56 ℃。全年井水温度变化幅度为8.25 ℃。

3.1.4 几个问题讨论

(1) 井水温度的最低点出现在水位的最高点，如2015年4月下旬，温度为8.56℃，水位为113.81 m；水温低点和水位高点吻合。

(2) 2014年全年气温高点在7月，井水温度出现的高点在11月17日，井水温度高点相当于气温高点出现滞后近4个月，井水温度高点出现时，当地气温在10 ℃～12 ℃之间。井水温度高点滞后4个月表明北票渗滤取水工程井水补给来源在含水层中经历了较长的时间。

(3) 井水水位和水温的长周期变化不受取水抽水的影响，受气温、融雪水补给、大气降水补给影响。长期水位的长期变化特征可以用来分析含水层的淤塞特征，从北票取水工程2015年最高水位比2014年最高水位低0.61 m看，含水层有一定淤塞。

3.2 水位、水温日变化特征

地下水监测仪器每25 min自动记录一个水位和水温数据，因此可以利用监测资料分析在取水状态下1 d的水位和水温变化特征。通过对2014年5月1日至2015年7月1日425组日动态变化曲线分析，发现日变化曲线随着抽水量、每天抽水次数不同，表现出不同的特征，可通过2014年9月27日的动态曲线，分析井水的水位和温度的日变化特征。地下水水位及水温动态曲线如图6。

图6 2014年9月27日地下水水位及水温动态曲线

由图6可以看出，1 d内水位和水温的动态有明显变化，但变化幅度不大，水位变化幅度0.55 m，温度变化0.34 ℃。最高水位出现在凌晨5时08分，水位标高为110.63 m，最低水位为110.08 m于夜间22时38分测得。当日地下水水温最高值为15.6 ℃，出现在清晨6时48分，最低15.26 ℃，出现在9时43分。

由日水位、水温变化曲线可以直观看出，抽水会引起水位和水温变化，凌晨5时08分增加2台泵抽水，水位开始急剧下降，下午14时18分停1台水泵，水位上升，到22时38分，停2台水泵，地下水水位迅速回升。

水位和水温变化具有同步变化特征，即水位下降、水温也下降，但是温度下降要滞后30～60 min。凌晨5时08分增加2台泵抽水，水位开始急剧下降，水温在抽水后继续升高，滞后1 h(6点48分)后，水温到达15.6 ℃后，开始下降，14时停1台水泵，水位上升，水温滞后1 h同步上升。到22时38分，停2台水泵，地下水水位回升，水温也逐渐开始回升。

4 结论

(1) 通过分析北票渗滤取水工程2014年5月1日至2015年7月1日监测数据，得出井水位变化具有双峰特征，第一个峰值(114.42 m)出现在2014年5月1日，由融雪水补给引起，峰值过后井水位逐步降低，到在2014年6月28日水位低值，其水位变幅为4.98 m。然后水位逐步上升，在2014年7月30日出现第二次水位峰值(111.92 m)，然后水位逐步降低，到2015年2月17日出现第二次水位低值为108.58 m，其水位变幅为3.34 m。北票渗滤取水工程主井水位1 a内总体变化幅度为6 m左右，变化的原因主要有补给条件变化引起，一次是3～5月的融雪期，一次是7～8月的降雨期，融雪的补给强度大于降水的补给强度。

(2) 井水温最高为16.81 ℃，最低为8.56 ℃，最高值出现在2014年11月17日，最低值2015年4月26日。期间最大变化幅度为8.25 ℃。井水温度变化与气温变化相似，表现为单峰特征，但地下水温高点滞后气温高点4个月，揭示地下水补给具有较大的面积和缓慢的径流过程。

(3) 井水水位和水温的长周期变化不受取水抽水的影响，受气温、融雪水补给、大气降水补给影响。长期水位的长期变化特征可以用来分析含水层的淤塞特征，从北票取水工程2015年最高水位比2014年最高水位低0.61 m看，含水层有一定淤塞。

(4) 井水位和水温日变化主要受抽水影响，水位变化在0.4～0.7 m范围内，水温变化在0.2 ℃～0.4 ℃范围内，水位和温度具有相同变化特征，但温度变化滞后30～60 min。