金溝河引水工程中滲管取水的應用

贠立明

（新疆金溝河流域管理局，新疆 沙灣 832100）

0 引言

隨著金溝河流域工業(yè)產業(yè)鏈的不斷發(fā)展，城市規(guī)模也將不斷擴大，已建成的金溝河流域獨山子區(qū)第一、二、三、四水源法定取水量為1.01億m3/a，雖然可以暫時滿足現(xiàn)狀用水需要，但供水高峰調節(jié)矛盾突出，現(xiàn)有部分水源受周邊地區(qū)影響取水條件惡化，取水能力下降，自2012年開始實際取水能力只有9400萬m3/a，無法滿足獨山子地區(qū)社會經濟快速發(fā)展對水資源的需求。根據(jù)金溝河流域下游產業(yè)發(fā)展規(guī)劃，預計區(qū)域“十二五”及“十三五”初期需水量將達到1.2212億m3，缺水量達到2812萬m3/a。因此，為保證區(qū)域社會經濟的可持續(xù)發(fā)展，增加新的水資源已迫在眉睫。為解決水資源緊缺問題，在自治區(qū)人民政府的大力支持下，流域管理部門從2005年起開始調研分析周邊河流向區(qū)域調水的可行性，通過前期論證，認為從金溝河調水是可行的。根據(jù)區(qū)域各業(yè)“十二五”及之后發(fā)展規(guī)劃，預計2017年各業(yè)總需水1.2212億m3，雖然現(xiàn)有四個水源地法定取水量為1.01億m3/a，但實際取水量只能達到9400萬m3/a，年缺水量2812萬m3/a，因此，盡快開辟建設新的水源勢在必行。

1 工程概況

金溝河引水工程取水首部位于金溝河渠首上游7.4 km河道處，行政區(qū)劃隸屬于沙灣縣，屬低山丘陵及河谷地貌。工程輸水線路總長60.982 km，跨越沙灣縣及克拉瑪依市獨山子區(qū)，兩岸基巖裸露，岸坡陡峻，風化剝蝕作用強烈，河谷呈“U”形，谷寬約400 m，谷深90 m～120 m，河流縱坡大于10‰，取水首部北距與烏伊公路、烏奎高速公路相連通的安集海鎮(zhèn)25 km，西側有安集海至博爾通古鄉(xiāng)新建成縣道X805相通，區(qū)內有網狀土路相連，交通方便。

金溝河引水工程主要任務是在金溝河P=50%和P=75%來水頻率下，從金溝河流域分別靈活調水至獨山子區(qū)，以緩解獨山子區(qū)人飲和工業(yè)用水緊張的情況。

2 滲管取水工程設計

2.1 位置的選擇

滲管必須設置于靠近河流主流、砂礫石級配良好的非淤積穩(wěn)定河床，較厚含水層且無不透水夾層河段。金溝河渠首上游河道河床穩(wěn)定，第四系統(tǒng)沖積Q4al含漂石砂礫層厚度4 m～5.5 m，為中～強透水層，河床地形平坦開闊，潛水資源充裕，較為適宜滲管取水工程實施[1]。

2.2 結構型式

考慮到工程區(qū)河床砂礫石覆蓋層厚度、含水層滲透系數(shù)等因素，確定金溝河引水工程滲管取水采用管狀暗渠式節(jié)水滲渠管，滲管全長1398 m，水下開挖5.4 m深，河灘砂礫石、巖石基礎滲管臨時開挖邊坡分別為1∶1.5和1∶0.75。滲管內徑2.0 m，管壁厚0.25 m，各段濾水管均勻布設直徑60 mm開孔200個，開孔總面積占滲管表面積14.52%，濾管外設厚度為1.5 m的人工濾層，并通過預埋鋼件進行相鄰濾管焊接處理。管頂設置總厚度0.8 m的三層人工濾層，中間回填原河砂并用尺寸2000 mm×1000 mm×500 mm的合金鋼絲防沖網裝石加固防沖。

2.3 滲管水力計算

2.3.1 計算條件及指標

根據(jù)新水辦政資[2010]14號“關于金溝河引水工程水資源論證報告的批復”，批準獨山子區(qū)從金溝河年引水量為3000萬m3/a。滲管進水孔面積根據(jù)其表面積的15.21%確定，滲管填滿度c按滲管直徑D的0.4～0.6倍計，工程滲管直徑D取1.0 m。滲管取水工程上部河床砂礫石覆蓋層滲透系數(shù)4.6×10-2cm/s，含水層厚H為4.2 m，渠道水深h為0.6 m，水力半徑R取85 m。為預防細小泥沙顆粒進入滲管，滲管取水工程進水孔流速應不大于0.04 m/s，其余部分流速為0.02 m/s。

2.3.2 滲管出水量

1/2滲管長度出水量按照汲取地下水或潛流水計算（式（1）），滲管長度主要由供水量設計值決定[2]。埋設于河床之下長度為869 m的另一部分滲管出水量按集取河床滲透水計算（式（2））。

式中：Q為滲管出水量，m3/d；L為滲管長度，m；K為滲透系數(shù)，cm/s；H為含水層厚，m；h為滲管內水深，也即動水位水深，m，取h=0.18 m～0.32 m；R為水力影響半徑，m；Hy為滲管頂至河面深度，取Hy=2.9 m；H0為凈水頭，取H0=0.8 m；d為滲管直徑，m；A為實際進水孔面積，m2。

由式（1）～（3）可得，在金溝河引水工程河灘及河床布設1398 m長度的滲管便可滿足獨山子區(qū)人飲和工業(yè)用水量3.685×104m3/d（即 0.427 m3/s）的要求。

為了保證金溝河引水工程滲管0.427 m3/s的設計取水能力，還必須按照滲管開孔面積進行設計引水量的復核。滲管開孔孔眼總面積F按下式確定：

式中：F為滲管開孔孔眼總面積，m2；Q為滲管出水量，m3/h，Q=3.685×104m3/d=0.427 m3/s；V為滲管孔眼流速允許值，取V=0.01 m/s。求得 F=42.7 m2。

滲管進水孔面積是其表面積開孔的凈面積，由于滲管直徑1.0 m，所以開孔總面積為1274.07 m2，由于滲管水深均值為管徑的1/2，入滲水量主要受其充水部分的影響，減除1/2孔眼面積后滲管入滲面積為637.04 m2，滲管上下部圓周均按照2/3開孔設計，則實際進水孔面積占總面積2/3，所以實際進水孔面積為424.69 m2。待滲管運行多年后，砂礫石可能將進水孔的1/3堵塞，此種情況下，進水孔實際面積為283.12 m2，遠遠大于42.7 m2，充分表明滲管孔眼開孔面積完全滿足取水流量入滲量設計值。

2.4 人工濾層設計

金溝河引水工程人工濾層按照倒梯形設計，斷面型式見圖1，濾層總厚度0.8m，上中下三層厚度分別為0.25m、0.25m和0.3m。

2.4.1 人工濾層寬度

按照《水工設計手冊》《給水排水設計手冊》及相關規(guī)定，滲管工程人工濾層上口寬B按下式確定：

式中：L為人工濾層長度，m；Q為滲管取水能力，m3/h；Vg為土層滲流流速，m/h。

由計算可得，金溝河引水滲管工程人工濾層上口寬B為14.75 m，若將滲管人工濾層敷設施工過程中河床邊坡穩(wěn)定性考慮在內，則B取15.65 m。

引水工程人工濾層底寬通常按滲管外徑D+1.5 m予以確定，充分考慮滲管安裝施工因素，確定金溝河引水工程濾層底寬4.2m。

2.4.2 濾料粒徑

根據(jù)《水工設計手冊》《給水排水設計手冊》及相關規(guī)定，緊鄰含水層的首層濾料粒徑dⅠ、二層濾料粒徑dⅡ及三層濾料粒徑dⅢ分別按下式計算：

由于工程所在區(qū)域含水層為中粗砂，故取di=d30，d30表示比該粒徑小的顆粒占總重量30%時的粒徑，首層濾料粒徑取2 mm～15 mm，二層濾料粒徑取15 mm～35 mm，根據(jù)取水滲管開孔直徑，與滲管接觸的第三層濾料層厚度0.3 m，濾料粒徑20 mm～40 mm。

圖1 人工濾層設計斷面圖

3 滲管取水工程設置應注意的問題

滲管取水效果主要受河床淤塞的影響較大，為此，滲管位置應當設置在距離主流河段較近的不淤或少淤河段，實踐證明，在河流沖刷強度和淤積速度相等的河床滲管取水工程運行效果最好[3]。滲管取水工程的設置還應考慮河床的穩(wěn)定性以及汛期洪水沖刷河床的問題，盡可能避免人工濾層被破壞后對滲管取水工程運行的不利影響。

此外，滲管取水工程設計還應考慮冬季含水層及河床水面結冰對取水效果的影響，為保證冬季結冰情況下金溝河引水滲管工程滲管取水量，應提高滲管含水層的厚度，并于滲管沿線按400 m的間距布設長度55 m、高度2.5 m的防沖網裝石壅水堤垂直于主河道。

4 結語

金溝河引水工程運行實踐表明，將受輕微污染的天然水經由天然河床滲漏過濾處理而轉化為滲透水能將天然水中的懸浮物質充分去除，使其渾濁度降低，同時達到良好的除菌效果，滲透水水質完全能達到國家所要求的水質標準。滲管取水工程措施施工簡便、造價較低，能充分達到河流天然水轉化利用的目的，能在一定程度上緩解我國當前水資源短缺的局面，經濟效益和社會效益顯著。