鄭曉瑜，劉煥芳，田 原，于旭永

(1 石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2 新疆巴音郭楞蒙古自治州水利局，新疆 庫爾勒 841000；3 新疆水利廳，新疆 烏魯木齊 830000)

?

滲管取水出水濁度影響因素的模擬研究

鄭曉瑜1,2，劉煥芳1，田 原3，于旭永1

(1 石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2 新疆巴音郭楞蒙古自治州水利局，新疆 庫爾勒 841000；3 新疆水利廳，新疆 烏魯木齊 830000)

【目的】 研究滲管取水工程中出水濁度的影響因素，為滲管取水工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)?！痉椒ā?通過物理模型試驗(yàn)，分析不同河床砂厚度(0.1，0.2，0.3，0.4，0.5和0.6 m)在不同來水含沙量(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，10.0和15.0 g/L)下對(duì)滲管取水出水濁度的影響?！窘Y(jié)果】 當(dāng)來水含沙量一定時(shí)，隨著河床砂厚度的增大，出水濁度逐漸減??；當(dāng)河床砂厚度一定時(shí)，隨著來水含沙量的增大，出水濁度逐漸減小，其中以河床砂厚度0.1 m、來水含沙量為0.5 g/L時(shí)的出水濁度最大，為982.33 NTU，以河床砂厚度0.6 m、來水含沙量15 g/L時(shí)的出水濁度最小，為2.30 NTU。采用綜合滲透系數(shù)代替河床砂厚度進(jìn)行理論分析，建立了濾水料滲透系數(shù)、來水含沙量與滲管出水濁度關(guān)系的擬合公式。實(shí)例分析表明，所得擬合公式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)際工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均符合較好?！窘Y(jié)論】 滲管出水濁度的擬合公式可用于實(shí)際工程的指導(dǎo)。

滲管取水；滲透系數(shù)；含沙量；出水濁度

在水文地質(zhì)條件允許的情況下，建設(shè)滲管取水工程具有不用藥劑、運(yùn)行成本低、水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，故已被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中[1]。滲管取水是一種比較復(fù)雜的地下取水構(gòu)筑物[2]，它利用埋設(shè)在地下含水層中帶孔眼的水平滲水管道，借助水的滲透[3]、重力流截流集取地下水[4]和河床潛流水[5]作為給水水源。在水文地質(zhì)條件合適的情況下，這種取水方式既可最大限度地集取地下水，又可起到凈化水質(zhì)的作用，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可就地取材、需用設(shè)備少、運(yùn)行費(fèi)用低、維修管理方便、不需凈化設(shè)備等特點(diǎn)[5]，因此具有較高的推廣價(jià)值，已越來越多地被運(yùn)用到給水工程中[5-8]。

滲管取水工程一般由滲管、反濾層和河床砂等組成[9-10]。滲管主要起到集水作用，反濾層主要起“濾土排水”和“排水減壓”作用[11]，而河床砂主要起保護(hù)反濾層免受河水沖刷以維持反濾層的穩(wěn)定，同時(shí)還兼具過濾作用，會(huì)對(duì)滲管出水量和出水濁度產(chǎn)生影響。出水濁度是衡量滲管取水工程成功與否的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)[12]，影響滲管取水工程出水濁度的因素有很多，河床砂厚度和來水含沙量是其中最重要的2個(gè)因素。現(xiàn)階段的滲管取水工程大多是經(jīng)驗(yàn)性的，都是根據(jù)已有工程的成功經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和管理，在理論和技術(shù)方面還存在著一些值得深入探討之處，但目前的相關(guān)研究尚鮮有報(bào)道。為此，本研究結(jié)合新疆某滲管取水工程，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)分析了不同河床砂厚度以及來水含沙量情況下滲管出水濁度的變化，以期為滲管取水工程的設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在內(nèi)徑0.14 m、壁厚0.01 m、高2 m的有機(jī)玻璃筒中進(jìn)行，筒壁設(shè)有測(cè)壓管，上部設(shè)有溢流孔，下部設(shè)有排水孔，底板上設(shè)有直徑8 mm的孔眼，開孔率為29%。濾柱中鋪設(shè)有3層共0.8 m厚的人工反濾層，自下而上各反濾層分別為：粒徑12～36 mm的砂石料，厚度0.2 m；粒徑4～12 mm的砂石料，厚度0.3 m；粒徑1～4 mm的砂石料，厚度0.3 m。反濾層上鋪設(shè)的砂石料為河床天然砂礫料，河床砂厚度為0.6 m時(shí)的濾柱如圖1所示。

圖 1 濾柱試驗(yàn)裝置圖(單位：m)

試驗(yàn)中反濾層上部鋪設(shè)的河床砂厚度分別設(shè)為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5和0.6 m，用壤土配制的含沙量分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，10.0 和15.0 g/L的來水進(jìn)行過濾效果研究。

運(yùn)用達(dá)西試驗(yàn)裝置測(cè)定了各層濾水料的滲透系數(shù)，測(cè)得粒徑4～12 mm濾料的滲透系數(shù)為105.31 m/d，粒徑1～4 mm濾料的滲透系數(shù)為5.27 m/d，河床砂石料的滲透系數(shù)為1.41 m/d，粒徑12～36 mm濾料由于粒徑較大，超過了達(dá)西定律的使用范圍，可近似認(rèn)為其滲透系數(shù)為無窮大。在濾水層結(jié)構(gòu)中，粒徑12～36 mm濾料主要起到保護(hù)粒徑1～4 mm和4～12 mm濾料不被擾動(dòng)，并防止小于滲管孔徑的細(xì)濾料被水流帶入滲管中，其對(duì)濾水層滲透系數(shù)的影響很小[13]，可以忽略。

1.2 濾柱過濾后出水濁度的測(cè)定

試驗(yàn)時(shí)在濾柱中按要求鋪入由3層不同粒徑濾料組成的反濾層，在反濾層上方再鋪設(shè)0.1 m的河床砂石料，用壤土配制含沙量為0.5 g/L的渾水?dāng)嚢杈鶆蚝笞⑷霝V柱中，經(jīng)濾柱過濾后從濾柱底部的排水孔接取過濾后的水并測(cè)其濁度，用以驗(yàn)證河床砂厚度為0.1 m、來水含沙量為0.5 g/L時(shí)濾柱的過濾效果。試驗(yàn)完成后用清水充分沖洗濾柱中的砂石料，防止渾水中的壤土顆粒留在濾柱中對(duì)下一組試驗(yàn)產(chǎn)生影響。濾柱沖洗完成后用壤土配制含沙量為1.0 g/L的渾水重復(fù)上述試驗(yàn)，用以驗(yàn)證河床砂厚度為0.1 m、來水含沙量為1.0 g/L時(shí)濾柱的過濾效果。

河床砂厚度為0.1 m，來水含沙量為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，10.0和15.0 g/L的10組試驗(yàn)全部完成后，向?yàn)V柱中再鋪設(shè)0.1 m的河床砂石料重復(fù)上述10組試驗(yàn)，用以驗(yàn)證河床砂厚度為0.2 m時(shí)濾柱的過濾效果。直至濾柱中的河床砂石料厚度鋪設(shè)至0.6 m，驗(yàn)證了河床砂厚度為0.6 m，來水含沙量為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，10.0和15.0 g/L時(shí)濾柱的過濾效果，試驗(yàn)全部結(jié)束。

1.3 綜合滲透系數(shù)和來水含沙量對(duì)出水濁度影響的擬合分析

試驗(yàn)測(cè)出河床砂厚度分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5和0.6 m，來水含沙量分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，10.0和15.0 g/L時(shí)濾柱過濾后的出水濁度，用matlab軟件以綜合滲透系數(shù)為x軸、來水含沙量為y軸、出水濁度為z軸點(diǎn)繪來水含沙量、綜合滲透系數(shù)、出水濁度之間的相關(guān)散點(diǎn)圖。根據(jù)散點(diǎn)圖擬合出來水含沙量、綜合滲透系數(shù)、出水濁度之間的關(guān)系曲面以及關(guān)系式。

2 結(jié)果與分析

2.1 河床砂厚度及來水含沙量對(duì)出水濁度的影響

河床砂厚度分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5和0.6 m，來水含沙量分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，10.0和15.0 g/L時(shí)濾柱過濾后的出水濁度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，當(dāng)來水含沙量一定時(shí)，隨著河床砂厚度的增大，出水濁度逐漸減小，這是因?yàn)樵龃蠛哟采昂穸认喈?dāng)于增大了濾料的厚度，過濾效果會(huì)更好，出水濁度會(huì)降低。當(dāng)河床砂厚度一定時(shí)，隨著來水含沙量的增大，出水濁度逐漸減小，這是因?yàn)閬硭沉枯^大時(shí)，隨著過濾的進(jìn)行水中所含的細(xì)顆粒會(huì)逐漸淤積在濾料表面，這相當(dāng)于在濾料表面又增加了一層滲透系數(shù)很小的濾料，會(huì)對(duì)出水濁度產(chǎn)生較大的影響。來水含沙量越大淤積在濾料表面的細(xì)顆粒越厚，對(duì)過濾效果的影響越大。

表 1 不同含沙量渾水經(jīng)濾柱過濾后的出水濁度

2.2 基于綜合滲透系數(shù)及來水含沙量的滲管出水濁度的擬合分析

對(duì)于不同的滲管取水工程，反濾層的鋪設(shè)層數(shù)、鋪設(shè)厚度以及濾料的粒徑范圍會(huì)有所差異，為了使研究結(jié)果的適用性更加廣泛，用綜合滲透系數(shù)代替河床砂厚度進(jìn)行分析。

對(duì)于層狀含水層，其綜合滲透系數(shù)大小與各層滲透系數(shù)有關(guān)，綜合滲透系數(shù)K可按下式計(jì)算[14]：

(1)

式中：T為含水層總厚度；K為含水層綜合滲透系數(shù)；K1、K2、K3、…、Kn分別為第1，2，3，…，n層濾料滲透系數(shù)；T1、T2、T3、…、Tn分別為第1，2，3，…，n層濾料厚度。

根據(jù)式(1)可計(jì)算出試驗(yàn)條件下反濾層上部鋪設(shè)不同厚度河床砂時(shí)所對(duì)應(yīng)的綜合滲透系數(shù)如表2所示。

表 2 鋪設(shè)不同厚度河床砂所對(duì)應(yīng)的綜合滲透系數(shù)

我國的滲管取水工程主要集中在氣候干旱的西北地區(qū)和嚴(yán)寒的東北地區(qū)，通常埋設(shè)在含粗砂、砂礫石、砂卵石等水文地質(zhì)條件較好的含水層中，而且是地下水的富水帶和補(bǔ)給來源比較豐富地帶，這些地區(qū)河流的含沙量通常在5.0 g/L以下。滲管埋設(shè)深度會(huì)因地質(zhì)條件的不同而不同，但為了有較好的過濾效果埋設(shè)深度不會(huì)太淺。故與實(shí)際工程相結(jié)合，選取試驗(yàn)中來水含沙量小于5.0 g/L、埋設(shè)深度大于0.4 m的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)，用軟件擬合得到的擬合關(guān)系曲面如圖2所示。

圖 2 來水含沙量-綜合滲透系數(shù)-出水濁度的關(guān)系曲面

出水濁度與綜合滲透系數(shù)、來水含沙量的關(guān)系式為：

(2)

式中：x為綜合滲透系數(shù)，y為來水含沙量，z為出水濁度。經(jīng)計(jì)算，擬合公式的確定系數(shù)為0.96，說明公式的擬合度較好。

用(2)式對(duì)試驗(yàn)條件下來水含沙量為10.0和15.0 g/L的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，得出不同河床砂厚度時(shí)的理論出水濁度如表3所示。

表 3 不同來水含沙量和河床砂厚度時(shí)滲管出水濁度的擬合結(jié)果

比較表1和表3可知，運(yùn)用擬合公式得到的計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值在河床砂厚度較小時(shí)誤差較大，而在河床砂厚度較大時(shí)誤差較小。從表1可以看出，當(dāng)河床砂厚度小于0.3 m時(shí)，滲管的出水濁度會(huì)出現(xiàn)突然增大趨勢(shì)。因?yàn)楹哟采笆闲×筋w粒含量較大，具有較好的過濾效果，在滲管“濾土”作用中起主要作用，當(dāng)滲管埋設(shè)過淺時(shí)其“濾土”作用會(huì)大幅減小，導(dǎo)致滲管出水濁度大幅增大。在實(shí)際工程中一般不會(huì)出現(xiàn)滲管埋設(shè)過淺的情況，故此種情況可不予考慮。從表1和表3還可以看出，擬合公式計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值在河床砂厚度和來水含沙量較大時(shí)誤差均較小，說明擬合公式對(duì)來水含沙量較大的情況適用。

3 擬合公式的實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證試驗(yàn)所得擬合公式在實(shí)際工程中的適用性，結(jié)合新疆某滲管取水工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)擬合公式進(jìn)行驗(yàn)證。該實(shí)際工程位于新疆奎屯河團(tuán)結(jié)干渠老龍口上游約200 m河床內(nèi)，通過埋設(shè)滲管的方式引奎屯河水，滲管總長(zhǎng)約400 m。為增加取水量，在1959年進(jìn)行了首次擴(kuò)建，新增了一條長(zhǎng)200 m、直徑為500 mm的滲水鋼管，同時(shí)在新建滲水鋼管下游河床內(nèi)修建了砼斜墻截水潛壩。在1991年又進(jìn)行了第二次擴(kuò)建，新增滲水鋼管1 700 m，輸水管線 1 090 m，設(shè)計(jì)年取水能力達(dá)到2 600萬m3。擴(kuò)建后的滲管取水工程出水情況良好，水質(zhì)均滿足飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[15]。

奎屯河位于奎屯市西南、獨(dú)山子區(qū)西側(cè)?？秃影l(fā)源于天山北坡的依連哈比爾尕山，以冰川、積雪融冰、降水及沿程地下水補(bǔ)給為主[16]，河流對(duì)構(gòu)造活動(dòng)極其敏感[17-20]?？秃有虑?0%保證率年徑流量6.41億m3，年際年內(nèi)變化較大，6-8月徑流量占全年徑流量的56%，12月到次年2月徑流量?jī)H占全年徑流量的9%，洪枯比較大。豐水期河水含沙量5～6 g/L、枯水期河水含沙量1～2 g/L。滲管開孔率29%，反濾層布置與室內(nèi)濾柱試驗(yàn)相同。實(shí)際工程2009-2011年3-11月平均滲管出水濁度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表 4 新疆某實(shí)際滲管取水工程2009-2011年3-11月滲管的實(shí)際出水濁度

從表4可以看出，該實(shí)際工程6-9月滲管出水濁度較好，其他時(shí)間滲管出水濁度稍差，這是因?yàn)?-9月是河流的豐水期，河水含沙量較大。為便于數(shù)據(jù)對(duì)比，根據(jù)含沙量的不同對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并根據(jù)實(shí)際工程2009-2011年3年的數(shù)據(jù)得出不同含沙量所對(duì)應(yīng)的平均出水濁度如表5所示。

表 5 不同來水含沙量時(shí)新疆某實(shí)際滲管取水工程的實(shí)際平均出水濁度

該實(shí)際工程滲管埋設(shè)在基巖上，由于地勢(shì)不同滲管的埋設(shè)深度略有不同，但都為6.0～7.0 m。根據(jù)(1)式可計(jì)算出不同埋設(shè)深度所對(duì)應(yīng)的綜合滲透系數(shù)，根據(jù)(2)式可以計(jì)算出滲管的理論出水濁度，結(jié)果見表6。然后根據(jù)表6，可以計(jì)算出實(shí)際工程理論滲管在6.0～7.0 m時(shí)的平均出水濁度，結(jié)果如表7所示。

表 6 不同埋設(shè)深度時(shí)新疆某實(shí)際滲管取水工程滲管的理論出水濁度

表 7 不同來水含沙量時(shí)新疆某實(shí)際滲管取水工程滲管的理論平均出水濁度

對(duì)比表7和表5可知，理論滲管出水濁度與實(shí)際滲管出水濁度基本符合，計(jì)算出的理論滲管出水濁度比實(shí)際滲管出水濁度略大。這是因?yàn)樵囼?yàn)是在豎管中進(jìn)行的，與實(shí)際工程的臥管條件有一定的差異。在實(shí)際工程運(yùn)行過程中，水流既有向下的滲透力又有水平的推動(dòng)力，其過濾的路徑是斜向下的，比豎管條件下豎直向下的過濾路徑要長(zhǎng)，過濾效果會(huì)稍好一些，在分析中因其差異很小而忽略不計(jì)。理論公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能較好地符合，證明試驗(yàn)所得理論公式可用于對(duì)實(shí)際工程的指導(dǎo)。

4 結(jié) 語

出水濁度是衡量滲管取水工程成功與否的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，影響滲管取水工程出水濁度的因素很多。本研究通過物理模型試驗(yàn)研究了不同河床砂厚度以及不同來水含沙量對(duì)滲管取水出水濁度的影響，結(jié)果表明，當(dāng)來水含沙量一定時(shí)，隨著河床砂厚度的增大，出水濁度逐漸減??；當(dāng)河床砂厚度一定時(shí)，隨著來水含沙量的增大，出水濁度逐漸減小。

為了使試驗(yàn)結(jié)論的適用性更加廣泛，用綜合滲透系數(shù)代替河床砂厚度進(jìn)行理論分析，得出了綜合滲透系數(shù)(x)、來水含沙量(y)與滲管出水濁度(z)之間的擬合公式，擬合公式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性較好，其確定系數(shù)為0.96，擬合度良好。

用實(shí)際工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)擬合公式進(jìn)行驗(yàn)證，擬合公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本符合，說明試驗(yàn)所得擬合公式可用于實(shí)際工程的指導(dǎo)。

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Factors affecting turbidity of treated water from permeation pipe

ZHENG Xiaoyu1，2,LIU Huanfang1,TIAN Yuan3,YU Xuyong1

(1CollegeofHydraulicandConstructionalEngineering,ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang832003,China; 2WaterConservancyBureauofBazhou,Korla,Xinjiang841000,China; 3WaterResourcesDepartmentofXinjiangUygurAutonomousRegion,Urumqi,Xinjiang830000,China)

【Objective】 This study analyzed the factors influencing turbidity of treated water from permeation pipe to provide reference for future permeation pipe water project.【Method】 This paper analyzed influences of riverbed sand thickness (0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 and 0.6 m) and runoff sediment concentration (0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,4.0,5.0,10.0 and 15.0 g/L) on turbidity of treated water from permeation pipe using a physical model.【Result】 With fixed influent sediment concentration,water turbidity decreased with the increase of riverbed sand thickness.With fixed riverbed sand thickness,effluent turbidity decreased with the increase of water sediment concentration.The worst turbidity of 982.33 NTU occurred when of riverbed thickness was 0.1 m and influent sediment concentration was 0.5 g/L.The smallest turbidity of 2.30 NTU was obtained when the riverbed thickness was 0.6 m and the influent sediment concentration was 15 g/L.Integrated permeability was used to analyze theory using the relationship of permeability of water treatment material,runoff sediment concentration and permeation pipe effluent turbidity instead of riverbed sand thickness.The obtained formula was in good agreement with the experimental data and actual measured data.【Conclusion】 The obtained theoretical formula was useful for practical projects.

permeability pipe for water;integrated osmotic coefficient;sediment concentration;turbidity of treated water

時(shí)間:2016-10-09 10:08

10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.11.032

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20161009.1008.064.html

2015-06-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11362019)

鄭曉瑜(1987-)，女，新疆庫爾勒人，碩士，主要從事工程水力學(xué)研究。E-mail:zheng_xiao_yu@yeah.net

劉煥芳(1965-)，男，河南禹縣人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事工程水力學(xué)研究。E-mail:2622251504@qq.com

S276.7+4

A

1671-9387(2016)11-0221-07