王 琴

(新疆水文局，新疆 烏魯木齊 830000)

美國從19世紀(jì)末期便開始進(jìn)行地下水人工補(bǔ)給的實(shí)踐，在調(diào)節(jié)水資源供需平衡方面提出了“水銀行”概念[1]，到2002年7月，美國正在運(yùn)行的ASR系統(tǒng)共有56個(gè)，而建成的系統(tǒng)則在100個(gè)以上[2]。我國在地下水人工補(bǔ)給方面的研究進(jìn)行得較晚，但也取得了不少進(jìn)展。我國大規(guī)模開采利用地下水從二十世紀(jì)60年代中期開始[3-5]。1977-1982年間，河北省南宮縣進(jìn)行了地下水庫試驗(yàn)研究工作，它是我國最早的相對完整的大型無壩地下水庫[6]。北京市地質(zhì)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)公司于1981-1983年間，在北京近郊約1 000 km2范圍內(nèi)開展了大量水文地質(zhì)調(diào)查、回灌試驗(yàn)以及室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了各種水文地質(zhì)參數(shù)的測試，取得了近百萬個(gè)數(shù)據(jù)，通過模型研究，論證了控制地下水位持續(xù)下降和進(jìn)行優(yōu)化調(diào)蓄的方案[7-8]。山東、遼寧等省從90年代開始，在山東龍口、青島、煙臺、大連等地相繼興建了有壩地下水庫工程，起到了防治海水入侵和攔蓄地下入海潛流的作用[9-17]。

臺蘭河河水中懸浮物含量很高，解決懸浮物堵塞問題，是地下水人工補(bǔ)給技術(shù)研究的重點(diǎn)。本文對臺蘭河地下水庫補(bǔ)給水源凈化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，旨在探索出符合臺蘭河地下水庫實(shí)際的蓄洪補(bǔ)清方案。蓄洪補(bǔ)清的地下水人工補(bǔ)給技術(shù)，不僅為地下水庫建設(shè)提供重要技術(shù)支撐，其成果也可應(yīng)用于地下含水層人工補(bǔ)給、地下水污染治理等方面，對地下水超采區(qū)治理以及水資源可持續(xù)利用具有重要意義。

1 概況

臺蘭河流域位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣境內(nèi)，地理位置在東經(jīng)80°21′44″～81°10′44″，北緯40°41′44 ″～42°15′13″之間，臺蘭河發(fā)源于西南天山托木爾峰南麓，上游由大臺蘭河、小臺蘭河在距山口前8 km處匯合后稱臺蘭河(圖1)，出山口后，由西向東匯入支流塔克拉克河，最終流入臺蘭河山前洪積扇地帶，流向自北向南，為一典型內(nèi)陸河，該河為一獨(dú)立水系，全長90 km。臺蘭河含沙量較大，年均懸移質(zhì)含沙量為3.93 kg/m3，年均輸沙率為91.3 kg/s，年均輸沙量為288萬 t。

作為地下水庫補(bǔ)給水源的臺蘭河河水，來自于山區(qū)，受到的人為污染很少，其絕大部分指標(biāo)能夠滿足生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是河水中懸浮物含量很高，不能滿足地下水補(bǔ)給水源水質(zhì)要求，必需采取措施進(jìn)行凈化。對懸浮物的處理不能像自來水廠那樣對水源進(jìn)行繁雜的處理以達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)人工補(bǔ)給地下水所必需的水質(zhì)基本要求進(jìn)行簡易處理，通過簡單、經(jīng)濟(jì)、有效的方法去掉懸浮物。水的簡易凈化一般是通過在水庫、坑塘或沉淀池中進(jìn)行沉淀來實(shí)現(xiàn)的。能夠比較準(zhǔn)確地研究出臺蘭河河水的凈化規(guī)律，將會為臺蘭河地下水庫人工補(bǔ)給方案比選提供重要依據(jù)。

圖1 臺蘭河流域水系示意圖

圖2 實(shí)驗(yàn)布置圖

2 實(shí)驗(yàn)方案

本文對臺蘭河河水進(jìn)行3種沉淀實(shí)驗(yàn)，一是室內(nèi)靜置沉淀實(shí)驗(yàn):取臺蘭河河水，在室內(nèi)搖勻后，靜置沉淀，分別在0.2、0.5、1、2、4、7、12、24、48、72、96小時(shí)時(shí)刻，取表層水體做濁度分析。二是通過沉砂池沉淀實(shí)驗(yàn)：沉砂池布置見圖2，入口長度3 m，為喇叭形。工作段長度22 m，寬度4 m，前端深度2 m，后端深度3 m，池底坡降1/16，出口處為溢流堰，通過橫向集水槽，將處理后的水體排出，沉沙池采用漿砌石襯砌。調(diào)整進(jìn)入沉砂池的入池流量，使其與沉砂池滲水量相同，以保持沉砂池水位不變。在沉砂池溢流堰前端，沉砂池中軸線附近，水面以下0.5 m、1.0 m處分別取水樣進(jìn)行沉淀效果分析。三是沉淀池沉淀實(shí)驗(yàn)：沉淀池布置見圖2，沉淀池入口段為梯形，長6 m，中部為梯形連接沉淀段，長36 m，后部為長方形，底長13.5 m、頂長18.5 m、底寬8 m，頂寬18 m，深度5 m。

3 結(jié)果分析

3.1 室內(nèi)靜置沉淀實(shí)驗(yàn)

12 h內(nèi)，濁度變化明顯，12 h之后變化趨緩，見圖3～圖5。將水樣做懸浮物含量分析，懸浮物含量變化速度分三個(gè)階段，懸浮物含量從500 mg/L降到200 mg/L非?？欤挥? h。從200 mg/L降到35 mg/L比較慢，用時(shí)11 h，再往下就更慢了。降到滿足注水水質(zhì)懸浮物含量要求的20 mg/L，需要40 h。

圖3 不同沉淀時(shí)間下的濁度變化情況圖

圖4 濁度與沉淀時(shí)間關(guān)系圖 圖5 懸浮物含量與沉淀時(shí)間關(guān)系圖

3.2 沉砂池沉淀實(shí)驗(yàn)

沉砂池分析結(jié)果(圖6)，隨著時(shí)間的增加，池中水體懸浮物含量逐漸減少，減少的速度逐漸降低，沉淀7 h之前，沉淀效果十分明顯，水面以下1 m處懸浮物含量由1 486 mg/L，下降到218 mg/L，平均每小時(shí)減少181 mg/L；沉淀7 h以后，懸浮物含量減少的速度很慢，沉淀效果不明顯，沉淀7～8 h之間，懸浮物含量1 h只減少了28 mg/L。水面以下0.5 m與1.0 m處沉淀效果比較，沉淀4 h之前，水面以下0.5 m水樣的懸浮物含量較1.0 m處明顯小，4 h以后二者十分接近，但是0.5 m處水樣的懸浮物含量普遍較1.0 m處稍微偏小一些。此實(shí)驗(yàn)說明，水體懸浮物含量180 mg/L以上時(shí)，懸浮物中粗粒含量比較多，沉淀比較容易。水體懸浮物含量180 mg/L以下時(shí)，懸浮物中主要是細(xì)粒成分，沉淀比較困難。

3.3 沉淀池沉淀實(shí)驗(yàn)

(1)沉淀水體池靜置沉淀實(shí)驗(yàn)。將沉淀池注滿水，控制系列梯級滲水池進(jìn)水的3號閘處沒有過水、沉淀池溢流口沒有流水的條件下，關(guān)閉2號閘，讓沉淀池內(nèi)的水靜置，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，不再向沉淀池內(nèi)注水。分別在水面以下0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m取樣，取樣頻率為2 h1次，對取的水樣做懸浮物含量分析，監(jiān)測其沉淀效果，見圖7。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：①10 h之內(nèi)沉淀效果比較明顯，沉淀池內(nèi)的水靜置10 h后，水面以下0.5 m水的懸浮物含量由130 mg/L降至37 mg/L，水面以下3.0 m水的懸浮物含量由331 mg/L降至36 mg/L，表層與底部的水的懸浮物含量接近。10 h之后懸浮物含量變化不大，在30～50 mg/L之間波動。②10 h之后，隨著水深增加，懸浮物含量降低，變化幅度在10 mg/L之內(nèi)。

(2)沉淀池水體流動沉淀實(shí)驗(yàn)。保持沉淀池水位不變(入水量與下滲水量相同)，測量不同時(shí)刻，0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m深度內(nèi)懸浮物含量，實(shí)測結(jié)果見圖8。

圖6 沉砂池不同深度懸浮物含量變化圖

圖7 沉淀池水體靜置沉淀效果變化 圖8 沉淀池水體流動沉淀效果變化

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：(1)河水進(jìn)入沉砂池時(shí)懸浮物含量1 131 mg/L，流出沉砂池進(jìn)入沉淀池時(shí)懸浮物含量824 mg/L，經(jīng)過沉淀池沉淀后，懸浮物含量只能降到200 mg/L，沉淀效果與沉砂池類似，繼續(xù)沉淀，效果不明顯，如果進(jìn)入沉淀池的流量增加，水體擾動后，懸浮物含量會隨著增加。(2)沉淀初期，懸浮物含量隨水深增加而減少，5 h時(shí)，不同深度懸浮物含量接近，沉淀后期懸浮物含量隨水深增加而增加。8 h時(shí)，增加了入池水量，懸浮物含量增加，深部較淺部增加快，表層0.5 m水深增加很少，24 h時(shí)又增加了入池水量，水體懸浮物含量增加。

4 結(jié)語

通過本次可得出以下結(jié)論：(1)解決泥沙，特別是細(xì)顆粒泥沙對包氣帶和含水層孔隙的堵塞問題，是人工補(bǔ)給技術(shù)的關(guān)鍵。(2)臺蘭河河水懸浮物含量很大，且主要是細(xì)顆粒，在實(shí)驗(yàn)室靜置40 h，才能滿足注水水質(zhì)懸浮物含量要求(20 mg/L)。(3)水體懸浮物含量高于180 mg/L時(shí)，懸浮物中粗粒含量比較多，沉淀比較容易。水體懸浮物含量低于180 mg/L時(shí)，懸浮物中主要是細(xì)粒成分，沉淀比較困難。(4)沉淀池靜置沉淀10 h，懸浮物含量減低到50 mg/L，再延長時(shí)間，沉淀效果不明顯，最多能夠降低到30～50 mg/L。在沉淀池流量180 m3/h時(shí)，懸浮物含量最多能夠降低到200 mg/L。

結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，可以在地下水庫取水區(qū)上游3 km處，對現(xiàn)有砂石料場進(jìn)行改建，使其成為沉砂池。為了提高效率，可以將砂石料場分割成2個(gè)沉砂池，獨(dú)立運(yùn)行，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意解決沉砂池入口堵塞問題。沉砂池的作用是對河水進(jìn)行初步沉淀，使懸浮物含量從大于1 000 mg/L降低到200 mg/L左右，減少或避免補(bǔ)給帶及下游的於堵。本次實(shí)驗(yàn)為臺蘭河地下水庫蓄洪補(bǔ)清探索了可實(shí)施的符合實(shí)際的方案。