台兰河地下水库人工补给方案实验研究

王 琴

(新疆水文局，新疆 乌鲁木齐 830000)

美国从19世纪末期便开始进行地下水人工补给的实践，在调节水资源供需平衡方面提出了“水银行”概念[1]，到2002年7月，美国正在运行的ASR系统共有56个，而建成的系统则在100个以上[2]。我国在地下水人工补给方面的研究进行得较晚，但也取得了不少进展。我国大规模开采利用地下水从二十世纪60年代中期开始[3-5]。1977-1982年间，河北省南宫县进行了地下水库试验研究工作，它是我国最早的相对完整的大型无坝地下水库[6]。北京市地质局水文地质工程地质公司于1981-1983年间，在北京近郊约1 000 km2范围内开展了大量水文地质调查、回灌试验以及室内模拟实验进行了各种水文地质参数的测试，取得了近百万个数据，通过模型研究，论证了控制地下水位持续下降和进行优化调蓄的方案[7-8]。山东、辽宁等省从90年代开始，在山东龙口、青岛、烟台、大连等地相继兴建了有坝地下水库工程，起到了防治海水入侵和拦蓄地下入海潜流的作用[9-17]。

台兰河河水中悬浮物含量很高，解决悬浮物堵塞问题，是地下水人工补给技术研究的重点。本文对台兰河地下水库补给水源净化进行实验研究，旨在探索出符合台兰河地下水库实际的蓄洪补清方案。蓄洪补清的地下水人工补给技术，不仅为地下水库建设提供重要技术支撑，其成果也可应用于地下含水层人工补给、地下水污染治理等方面，对地下水超采区治理以及水资源可持续利用具有重要意义。

1 概况

台兰河流域位于新疆阿克苏地区温宿县境内，地理位置在东经80°21′44″～81°10′44″，北纬40°41′44 ″～42°15′13″之间，台兰河发源于西南天山托木尔峰南麓，上游由大台兰河、小台兰河在距山口前8 km处汇合后称台兰河(图1)，出山口后，由西向东汇入支流塔克拉克河，最终流入台兰河山前洪积扇地带，流向自北向南，为一典型内陆河，该河为一独立水系，全长90 km。台兰河含沙量较大，年均悬移质含沙量为3.93 kg/m3，年均输沙率为91.3 kg/s，年均输沙量为288万 t。

作为地下水库补给水源的台兰河河水，来自于山区，受到的人为污染很少，其绝大部分指标能够满足生活饮用水卫生标准的要求，但是河水中悬浮物含量很高，不能满足地下水补给水源水质要求，必需采取措施进行净化。对悬浮物的处理不能像自来水厂那样对水源进行繁杂的处理以达到饮用水标准，应根据人工补给地下水所必需的水质基本要求进行简易处理，通过简单、经济、有效的方法去掉悬浮物。水的简易净化一般是通过在水库、坑塘或沉淀池中进行沉淀来实现的。能够比较准确地研究出台兰河河水的净化规律，将会为台兰河地下水库人工补给方案比选提供重要依据。

图1 台兰河流域水系示意图

图2 实验布置图

2 实验方案

本文对台兰河河水进行3种沉淀实验，一是室内静置沉淀实验:取台兰河河水，在室内摇匀后，静置沉淀，分别在0.2、0.5、1、2、4、7、12、24、48、72、96小时时刻，取表层水体做浊度分析。二是通过沉砂池沉淀实验：沉砂池布置见图2，入口长度3 m，为喇叭形。工作段长度22 m，宽度4 m，前端深度2 m，后端深度3 m，池底坡降1/16，出口处为溢流堰，通过横向集水槽，将处理后的水体排出，沉沙池采用浆砌石衬砌。调整进入沉砂池的入池流量，使其与沉砂池渗水量相同，以保持沉砂池水位不变。在沉砂池溢流堰前端，沉砂池中轴线附近，水面以下0.5 m、1.0 m处分别取水样进行沉淀效果分析。三是沉淀池沉淀实验：沉淀池布置见图2，沉淀池入口段为梯形，长6 m，中部为梯形连接沉淀段，长36 m，后部为长方形，底长13.5 m、顶长18.5 m、底宽8 m，顶宽18 m，深度5 m。

3 结果分析

3.1 室内静置沉淀实验

12 h内，浊度变化明显，12 h之后变化趋缓，见图3～图5。将水样做悬浮物含量分析，悬浮物含量变化速度分三个阶段，悬浮物含量从500 mg/L降到200 mg/L非常快，只用1 h。从200 mg/L降到35 mg/L比较慢，用时11 h，再往下就更慢了。降到满足注水水质悬浮物含量要求的20 mg/L，需要40 h。

图3 不同沉淀时间下的浊度变化情况图

图4 浊度与沉淀时间关系图 图5 悬浮物含量与沉淀时间关系图

3.2 沉砂池沉淀实验

沉砂池分析结果(图6)，随着时间的增加，池中水体悬浮物含量逐渐减少，减少的速度逐渐降低，沉淀7 h之前，沉淀效果十分明显，水面以下1 m处悬浮物含量由1 486 mg/L，下降到218 mg/L，平均每小时减少181 mg/L；沉淀7 h以后，悬浮物含量减少的速度很慢，沉淀效果不明显，沉淀7～8 h之间，悬浮物含量1 h只减少了28 mg/L。水面以下0.5 m与1.0 m处沉淀效果比较，沉淀4 h之前，水面以下0.5 m水样的悬浮物含量较1.0 m处明显小，4 h以后二者十分接近，但是0.5 m处水样的悬浮物含量普遍较1.0 m处稍微偏小一些。此实验说明，水体悬浮物含量180 mg/L以上时，悬浮物中粗粒含量比较多，沉淀比较容易。水体悬浮物含量180 mg/L以下时，悬浮物中主要是细粒成分，沉淀比较困难。

3.3 沉淀池沉淀实验

(1)沉淀水体池静置沉淀实验。将沉淀池注满水，控制系列梯级渗水池进水的3号闸处没有过水、沉淀池溢流口没有流水的条件下，关闭2号闸，让沉淀池内的水静置，整个实验过程中，不再向沉淀池内注水。分别在水面以下0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m取样，取样频率为2 h1次，对取的水样做悬浮物含量分析，监测其沉淀效果，见图7。

由实验结果分析：①10 h之内沉淀效果比较明显，沉淀池内的水静置10 h后，水面以下0.5 m水的悬浮物含量由130 mg/L降至37 mg/L，水面以下3.0 m水的悬浮物含量由331 mg/L降至36 mg/L，表层与底部的水的悬浮物含量接近。10 h之后悬浮物含量变化不大，在30～50 mg/L之间波动。②10 h之后，随着水深增加，悬浮物含量降低，变化幅度在10 mg/L之内。

(2)沉淀池水体流动沉淀实验。保持沉淀池水位不变(入水量与下渗水量相同)，测量不同时刻，0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m深度内悬浮物含量，实测结果见图8。

图6 沉砂池不同深度悬浮物含量变化图

图7 沉淀池水体静置沉淀效果变化 图8 沉淀池水体流动沉淀效果变化

由实验结果分析：(1)河水进入沉砂池时悬浮物含量1 131 mg/L，流出沉砂池进入沉淀池时悬浮物含量824 mg/L，经过沉淀池沉淀后，悬浮物含量只能降到200 mg/L，沉淀效果与沉砂池类似，继续沉淀，效果不明显，如果进入沉淀池的流量增加，水体扰动后，悬浮物含量会随着增加。(2)沉淀初期，悬浮物含量随水深增加而减少，5 h时，不同深度悬浮物含量接近，沉淀后期悬浮物含量随水深增加而增加。8 h时，增加了入池水量，悬浮物含量增加，深部较浅部增加快，表层0.5 m水深增加很少，24 h时又增加了入池水量，水体悬浮物含量增加。

4 结语

通过本次可得出以下结论：(1)解决泥沙，特别是细颗粒泥沙对包气带和含水层孔隙的堵塞问题，是人工补给技术的关键。(2)台兰河河水悬浮物含量很大，且主要是细颗粒，在实验室静置40 h，才能满足注水水质悬浮物含量要求(20 mg/L)。(3)水体悬浮物含量高于180 mg/L时，悬浮物中粗粒含量比较多，沉淀比较容易。水体悬浮物含量低于180 mg/L时，悬浮物中主要是细粒成分，沉淀比较困难。(4)沉淀池静置沉淀10 h，悬浮物含量减低到50 mg/L，再延长时间，沉淀效果不明显，最多能够降低到30～50 mg/L。在沉淀池流量180 m3/h时，悬浮物含量最多能够降低到200 mg/L。

结合当地实际情况，可以在地下水库取水区上游3 km处，对现有砂石料场进行改建，使其成为沉砂池。为了提高效率，可以将砂石料场分割成2个沉砂池，独立运行，在设计时应注意解决沉砂池入口堵塞问题。沉砂池的作用是对河水进行初步沉淀，使悬浮物含量从大于1 000 mg/L降低到200 mg/L左右，减少或避免补给带及下游的於堵。本次实验为台兰河地下水库蓄洪补清探索了可实施的符合实际的方案。