（环境工程专业论文）渗滤取水现场试验的渗流场特征及数值模拟研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 墓 摘要 集取河床渗透水的渗滤取水技术是最近几年才发展起来的一项傍河取水新技 术。本论文针对渗滤取水工程中水量计算不准确这一问题，进行了如下的探讨和研 究： ( 1 ) 结合某渗滤取水工程现场模拟试验，并以多孔介质地下水渗流的基本原理为指 导，对试验的渗流场特征进行分析。 ( 2 ) 根据试验的渗流场特征，建立试验的水文地质数学模型，应用m o d f l o w 进行 数值模拟。， ( 3 ) 对渗滤取水的取水量影响因素分析。l 首先探讨了滤床地下水的水动力特征对取 水量的影响。第二，应用试验建立的渗滤取水水文地质数学模型，对渗滤取水的取 水量影响因素进行数值模拟分析。 研究表明： ( 1 ) 渗滤取水的渗流场具有典型的饱和三维稳定流特征：渗滤取水滤床中地下水与 河流的水力联系比较紧密，滤床中的地下水处于承压状态。 ( 2 ) 根据试验所建立的饱和三维稳定流数学模型是适用的。 ( 3 ) 滤床堵塞和泥膜增厚可能产生滤床中水动力特征的改变，会产生非饱和流导致 出水量的衰减。 ( 4 ) 滤床的渗透性能越好，河床水力传导系数越高，河水水位越高，取水面积越大， ， 取水管之间的间距越大，则最大取水量越大：水位降深与取水量成正比关系。) 勺 ， 关键词：渗滤取水；渗流场；数学模型；数值模拟；取水量 亘蜜窑鎏盎耋堡主堡塞尘堂垡迨塞茎! ! 耍 a b s t r a c t t h e t e e h n i q u eo f i n f i l t r a t i o nd i v 哪i o nn e a rt h ef i v e r , c 0 h e e t i n gt h ew a 埘肋m t h e 雨e r b e d , 培a 删o n ed 钟d o p e d 证r 茂, e n ty 翰f s t os o t h e p r o b l e mt h a tt h e 撇 q u a n 姆啪n o t b e c a l a l i a 涮e e t l y , t h ef o h o w i n 培r e s e a r e h 豁w 骶m t l d c ： ( 1 ) d i s c u s s i n gt h ep m p e a i 帮0 f t l l eo n - r i t ee x l m i m 酬s e e p a g ef l o w6 e i do fo i n f i l t r a t i o nd i v e r s i o np r o j e c tg u i d e db yt h eb a s i ct h e o r yo f 盱呦d w 砒订f l o wi i l p o u s m e d i a ( 2 ) e s t a b l i s h i n gt h em a t l 他m a t i e a lm o d e lo fh y d f 蝴b a s e do nt h ea n a l y f i so f s e e p a g e f l o wf i d do f t l l e 婶衲n 咖a n d d 曲1 1 9t h e n u m e r i c 丑ls i m u l a t i o n 谢t l i 删丑0 w ( 3 ) a n a l y 趣t h ef a c t o r st h a ti i l f l l 地n t h ew a t e rq u a r t i l e f i r s t l y ，s t u d yt 1 1 e h y 出o d y m m i ep p 硎鹤j i it h ef i l t w i n gb 咄s e e o n d l y a n a l y z et h ei 衄u e 眦i i l g 缸胁r sb y t h em e t l a o do f m m l e r i c a ls i m u l a t i o nw i m t h ea b o v em a t h e m a d c a im o ( 1 e 1 t h er e s e a r c h e s 证坩i c a e d ： ( 1 ) t h es e e p s e f l o wf i e l do fi l l 矗l t r a t i o nd i 懈i i s c h l l i a c t e l i z e d b v t 1 1 r e o - d i m e m i o n a l , 鞠n 删a n ds t e a d yf l o w 1 1 l e mi st h ed o 靶h y d r a u l i cr d a t i o m t l i p b c t w e d t lt h ef i v e ra n dt h eg r o u n d w a t 盯i i lt h e 丘i t e f i l 玛le d , a n dt h e 掣瑚m 幽呲叮i s c o n 矗i l e d ( 2 ) t h et h r e e - d i m 傩i o m l , s a t u r a t e da n d 啦傀d ym a t h e n m i e a lm o d e le s t a b 蜘o n t h eb a s i so f t h e o 甲钉i m 蛐ti 3 印p f i e a l b l e ( 3 ) t h eb i o c k a g eo f 甸t e 衄b e da n dt h et h i e k e n i n go f 廿搪墨g i 锄c a r lc a u t h e c h l l g eo fh y d r o d y m m i ep r o p e r t i 鹤mt h e 岔咄b e d , w h i c hl e a d st 0t h ed 愀o f w 砒管q 嘲l i t i 够 ( 4 ) t h em 戚l m mw 岍q u m i t yb e 渊孽哪蔫t h e 蛔瞻i 暑t h e 勋：喇赡b e d r , e r m 洲i t y , t h e 蜘t h e r i v e rh y d r a u l i c i l d 随l 碣t h eh 蛐贯t h ef i v e rl 叭lt h e l a r g 贫t h e 、眦a 啪n a m 娉豫a n d t h eb i e r t h ed i s t m b e t w e e n 础鳅i 略p i p e s t h e w 砒盯q u a n t i 锣v a r i 鹳d i f 鳅b w i t hd r a w d o w n k e y r d s ：i n f i l l r a t i d i v e r s i o n ；s e 印a 黔f l o wf i e l d ；m l t h e l m t i c a lm o d e l ；n u m m c a ! s i m u l a t i o n ；w 姗q u a n t i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 里 第1 章绪论 1 1 问题的提出 水是人类赖以生存和从事生产不可缺少的资源。随着人口增长、城市规模的扩 大、工业的迅速发展，水资源的短缺已经成为人类面临的重大问题之一。在傍河水 源地地下水的开采方式上，除了比较常见的管井等之外，适合于不同水文地质条件 的地下水取水技术也逐渐随地下水渗流理论和岩土钻掘技术的发展而发展，相继出 现了大口井、渗渠、辐射井等取水技术“u “。对于傍河取水来讲，因为有河水作为 补给源，所以对于傍河取水的计算一般都是按照稳定流理论进行的。 、 集取河床渗透水的渗滤取水技术是最近几年才发展起来的一项新技术。它既 具有与传统傍河取水方式相类似的方面，又有自己的特点。渗滤取水是在河床底部 的基岩( 相对稳定的隔水层) 向上打辐射管到河床一定深度，激发地表河水垂直入 渗经过河床松散堆积层进入辐射管中，出流于设置在河床底部的集水水平廊道再汇 集到集水竖井中。它的系统组成包括集水竖井、河床底部水平输水巷道、施工洞室 和辐射管，施工场地布置于河岸边如图1 - 1 所示。 l 集求曼井2 承平鲁3 辅舯f4 槛t p 蒜石晨5 生木宣 图1 - 1 渗滤取水工程剖面示意图 渗滤取水渗滤取水这一新的傍河水源地取水技术，其施工工艺日趋成熟，但目 前仍然存在以下两个问题： 1 水量计算不准确 对于渗滤取水的水量计算方面，直是一个比较难以解决的问题。在实际工程 设计中，一般是根据傍河取水等效大口井的公式或是根据半理论半经验公式，或是 根据地下水资源评价的基本原理对出水量进行估算渗滤取水的原理比较复杂，取 水水量一方面来自河流的渗漏补给，另一方面是河床汝散堆积物的潜流水。由于河 床底部的松散堆积体( 滤床) 的储存量相对于工程取水量来说很少，在工程运行过 程中水量主要是来自于河床的渗漏补给水因此，必须要研究河流水文特征和地下 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 两 水的水动力联系，才能求得比较符合实际的水量。传统的傍河取水，都是把河滑潍 为线源，并且作为定水头边界或作为第二类或第三类边界条件来考虑的；渗滤取水 显然河流是作为面源补给其下部的滤床( 即松散堆积体) ，并且河流的水压力直接作 用其下的滤床上这就使渗滤取水，因此具有与水处理中过滤理论相似的特征。因为 目前渗滤取水的取水滤床的厚度一般在3 - 5 m ，河流作为面源补给滤床，与大气降水 或渗坑等补给含水层的水动力特征有明显的差异，其差异在于河流与下伏的滤床有 密切的水力联系，即使有淤泥质泥膜存在，河流与水面以下松散堆积体的水力联系 比较紧密。而大气降水或渗渠补给地下水，一般要经过一个厚度比较大的包气带( 非 饱和带) 。以前对于非饱和带的研究比较少，根据入渗系数或入渗率来求解潜水的剖 面一维渗流运动。随着计算机技术的发展，非饱和带的水流运动和溶质运移越来越 受到关注。现有井流理论，不管是稳定流还是非稳定流模型，在解决渗滤取水工程 的水量计算问题有很大的局限性。 究其原因，主要是受勘探条件的限制，在野外难以观测到河床地下水的水头分 布。对渗滤取水运行过程中，滤床地下水的渗流场特征认识不足，造成水量设计计 算偏差很大。 2 水质滤净机理的认识有待深入。 渗滤取水的工程实践表明：在工程运行过程中滤床表面逐渐形成的泥膜和河床 松散堆积物能对河流渗透水和地下水进行过滤、吸附和降解，使水质得到净化。在 地表河水入渗过程中，由于一定级配的砂卵砾石滤床过滤作用，将使高浊度的河水 大大降低。而传统的江河直接取水，要对地表水进行沉淀、过滤、杀菌消毒，因而 地面设施比较庞大，费用也极为昂贵对于渗滤取水的滤净机理的研究，虽然有很 多的经验可以借鉴，但是由于渗滤取水是一项新技术，针对其开展的水质滤净机理 研究目前尚很薄弱。对于水质滤净机理可以从类似的研究得到启示，例如污水土地 处理系统w ，包括快滤、慢滤、超慢滤系统；污水湿地处理系统：滤池等；利用河 漫滩建造人工净化含水层供水i t 4 ：文献 5 6 则利用现场调查分析的方法，提出了一 种新的污水土地处理方式河流地下水渗流系统去除污水中氮等，但是，结合渗滤 取水工程自身特点进行的水质净化研究目前仍然鲜见，有待今后加强 1 2 传统傍河取水技术与渗滤取水技术的研究现状 1 2 1 传统傍河取水技术研究现状 1 2 1 1 傍河管井取水研究现状 傍河管井工作机理是在开采过程中井内产生一定降深，并形成降位漏斗，当降 西南交通大学硕士研究生学位论文 一勉嚣 位漏斗扩展到河流下的河床时，会诱使河水侧向下渗流向井内。井中水量主要来自 于河水下渗补给，而地下水径流补给量则占的比例不大。井中水量主要取决于松散 堆积层的渗透系数，井与河流的距离，及抽水井的水位降深。在水量评价上，常采 用补偿疏干法或利用长观资料进行评价计算。对傍河井群开采地下水的研究，目前 研究的重点主要是是把河流当作定水头边界来考虑，还是当作定流量边界，或者是 第三类边界条件( 即柯西边界条件) 来考虑。对于非完整河流，即河流未切割到隔 水底板，把河流及其下部的含水层作为给定水头的边晃则是不恰当的。因为在抽水 时，河流两侧的地下水通过河流底部的含水层已经成为一个相互联系的整体，在河 流的一侧抽水时，必定会影响到另一侧的地下水运动状况。对于这个问题，郭东屏 曾采用连续介质点模拟试验进行了研究，在单井、多井的情况下都观测到了越河渗 流现象的存在；钱会等也在建立理想物理模型的基础上，运用数值模拟的方法对越 河渗流的稳定流现象进行了研究，得出的结论是：对于在非完整河流抽水时，河流 两侧的地下水是一个相互联系的整体，含水层中的地下水流动问题是一个典型的三 维流问题，应采用三维流数值模型进行求解w 。在实际的河流中，河流与地下水的 关系是比较复杂的。如果河床底部和两侧岸坡上沉积有一薄层粘土、亚粘土等粘性 土层，即使只有2 - 3 c m 厚都可能阻隔河水和地下水的直接联系。这时河流虽然割切 了含水层，但地下水位却低于河床底部数米甚至十多米，河流呈悬浮式通过，与下 伏潜水没有直接的水力联系，只能通过包气带水分运移间接补给潜水，这时河流就 不应该作为定水头边界条件了。刘国东等用砂槽模型研究了北方的中、小型河流， 由于傍河井群开采量过大而导致的地下水与河水脱节的现象，并用数值方法求解了 此状态下的二维饱和非饱和流数值模型一。 1 2 1 2 傍河取水的辐射井取水研究现状： 傍河取水的辐射井是由集水井和伸入河床下的辐射管组成，其示意图如下图 1 2 。 辐射井出水量大，经济效益显著，尤其当辐射井用于从河流等地表水体底部的 含水层中集取河床渗透水时，其特点更加明显。我国在近二十年来应用辐射井的范 围逐步扩大，比如辐射井技术应用于坝体排水。对辐射井出水量的计算模型研究的 也很多。当前辐射井流量计算公式有建立在一元流和经验系数之上的水力学计算公 式，有简化为二维径向流动，建立在裘布依理论基础上的等效大口井公式；有采用 排水计算理论的渗水管法辐射井出水量公式和由三维流出发，采用稳定源汇叠加理 论，推求的理论、半理论公式等；有通过正交试验，求出单根辐射管的集水计算模 型“”。这些公式来自不同的具体工程问题，都发挥了作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 影响傍河取水辐射井出水的因素综合归纳，主要有：河流流速；河水浊度；河 水渗透水水质；河床含水层的渗透性能；辐射管上的进水孔布置方式；水位降深。 后两者尤其应该受到重视，因为大量各种类型的试验结果表明：在辐射井允许时， 沿辐射管起端至终端的水位降深及相应的河水下渗强度是逐渐增大的，这表明辐射 管为非均匀进水；运行实践证明，选取合理的水位降深是控制河床辐射井出水量衰 减进程的关键。如日本清水辐射井钻井公司就特别强调水位降深不可过大，否则就 会加剧河床含水层中细粉砂粒与粘土质颗粒及从水中析出的化学沉淀物所堵塞。 图l - 2 傍河取水辐射井示意图 1 2 1 3 傍河取水渗渠的研究现状 傍河取水渗渠是水平铺设在含水层中的集水管( 渠) ，它的构造包括水平集水 管、集水井、检查井和泵站等组成。在我国中小企业和城市给水工程中，使用渗渠 取水的历史比较悠久。根据渗水管在含水层中埋设的位置不同，可以分为完整式和 非完整式良种形式。渗渠的平面布置，对取水效果影响较大，依据水文及水文地质 的具体条件，通常分为平行河流型、垂直河流型、平行与垂直组合型。具体布置见 图卜3 。关于渗渠的水力计算，研究的已经比较清楚。 影响渗渠的取水效果( 单位长度出水量) 的原因是多方面的：河床淤塞；河流 改道及河流流量减少等。 1 2 1 4 傍河取水大口井 大口井顾名思义是井的直径比较大的井，是广泛应用于开采浅层地下水的取水 构筑物。大口井直径一般为5 - 8 m ，最大不宜超过l o m ，井深般在1 5 m 以内。大口 井因为受施工深度的限制，较多的采用不完整井。不完接井以其特殊的进水方式， 使流向井的水流状态复杂。管井的互阻干扰是其水力计算的一大特点，而大口井的 井底进水或井底井壁同时进水是出水量计算的主要特色。 亘直至鎏盔主巫主塑塞皇主焦迨塞 茎! 耍 予 ( d ) ( b ) ( d ) 平行柯瀛型( b ) 垂直河滩型 i 渗疆0 检壹井l3 导术f ( c ) ( c ) 平行与垂直打滚结台型 4 集术井i5 曩虏 图l - 3 傍河取水渗渠示意图 1 2 2 渗滤取水技术的研究现状 渗滤取水技术是近几年随着水文地质理论的深入研究和岩土工程技术的发展 而发展起来的。对渗滤取水的施工工艺方面，前人结合工程实践，使设计施工方案 日趋完善。如对于竖井和平巷，借鉴铁路隧道和水工隧洞相应的设计规范开挖和支 护；辐射管也可以根据实际工程条件进行合理的设计施工。另外，对于取水滤床范 围的确定原则，也有了一个比较统一的认识：选择无超常冲蚀与淤积的水文环境； 选择滤床结构合理的地带；选择滤床物质级配优良、分选性好的地带；选择滤床发 育厚度合适的地带。 据不完全统计，已完成并正在运行的渗滤取水工程还不到l o 个。尽管该技术 目前应用的范围还不是很广泛，但是其优越性已经得到了很好的体现。例如广元市 溶剂厂，为解决供水问题，分别采用钻井、大口井、地面取水等方法多次施工，但 仍以失败告终。而采用渗滤取水技术实施的工程，已安全运转多年，经受了洪水等 考验，水质水量稳定。从完成或旅工的几个取水工程与地面取水的设计、预算对比 上看，采用渗滤取水技术节约投资达7 0 0 0 以上。以江油市i 刍y e f , 厂为例，日产5 0 万 方水，占地3 0 0 0 m ，后改用渗滤取水技术，仅占地6 6 7 m 2 。广元市溶剂厂用地面取水 时，管理人员一、二十人，现仅3 人。从处理泥砂的混凝沉淀来看，嘉陵江洪水高峰 含砂量高达1 0 6 k g m 3 ，岷江( 眉山段) 达1 8 b k g m 3 。按现在的日产水量5 1 0 5 m 3 计算， 采用地面取水洪水高峰期日处理泥砂量分别达5 3 0 0 t 和9 3 0 t 。而采用渗滤取水技术， 由于滤床的过滤作用，将使浊度大大刚氐，出水基本不用进行混凝沉淀。仅此一项 可见渗滤取水经济效益极为可观。 但渗滤取水技术的水量计算与水质滤净机理却是目前难以解决的问题，尤其是 水量计算方面，由于对工程运行时滤床地下水的渗流场特征认识不足，导致了无法 从根本上解决水量合理计算的问题。前面已经提到，目前基本是应用等效大口井、 理论半理论经验公式或地下水资源评价的原理进行水量的估算从地下水动力学 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 方面来考虑，渗滤取水与传统的傍河取水方式有明显的差别，具有自己的特点。它 是通过在河床底部向上打辐射管，在水平和垂直面形成水力坡度，诱发河流的垂直 入渗和周围潜流水流向辐射管。同管井或大e l 井的水力状态明显不同，管井或大v i 井因为距河流有一定距离，所以一般考虑为平面二维流。同傍河取水辐射井或渗渠 相比较，其水动力特征比较相似。从垂直剖面的运动来看，具有同过滤理论相类似 的特点。应用过滤理论解决渗滤取水的水量计算，笔者认为有以下几个问题：首先， 目前过滤理论的垂直一维流水头损失的研究还不是很透彻。粒状材料组成的滤床过 滤过程是一个极为复杂的过程，其垂向一维的水头损失还无法进行精确的计算。虽 然对于清洁滤层，可采用比较成熟的利瓦( t e v a ) 公式或费尔一哈奇( f a i r h a t c h ) 公式进行计算，但是当滤层在过滤过程中被浊质堵塞后，因缺乏截留浊质在滤层中 的分布规律，所以其水头损失还无法求得w 。其次由于辐射管控制的河床面积一般 都相当大，远远大于普通意义上的滤池，导致滤床中地下水的流动状态比较复杂。 最后，辐射管的布置方案对渗流场影响也比较大。因此，笔者认为还是应该应用地 下水渗流的基本原理进行渗滤取水渗流场特征及取水量进行分析。 1 3 国内外地下水渗流的数值模拟现状 对于地下水流问题正问题的解法，通常有三种方法：解析法，数值法和模拟法。 应用解析表达式可以给出所求未知量水头在各种参数值的情况下，渗流区中任何一 点上的值( 非稳定渗流还能给出任何时刻的值) 。但是这种方法有很大的局限性，只 适用于含水层几何形状规则、方程式简单，边界条件单一、井群布置很规则的情况。 例如均质各向同性、等厚的含水层，渗流区是圆形、矩形或者无限、井群矩形或圆 形或直线布置的情况，只有定水头边界或隔水边界等。实际问题往往比上述情况复 杂得多，如含水层边界形状不规则，厚度变化，非均质和各向异性，多种边界条件 同时存在，井群不规贝f j 布置等，这样的一些问题一般都找不到它的解析解，不得不 应用别的方法去求它的近似解“，。例如应用数值法和物理模拟法等。 自6 0 年代末期数值模拟应用于地下水计算以来，已取得了长足的进步和突破 性的发展。数值方法不仅可以有效地解决各类地下水流问题，还能用来解决地下水 水质和其他模型，诸如地下水中污染物的传播问题、海水入侵中咸、淡水界面的瞬 时位置及其移动问题、溶质运移行为问题、热量运移和地热系统问题、地面沉降问 题、最优管理模型问题。我国自1 9 7 3 年以来。数值方法逐渐应用于水文地质的各个 领域，并取得了一大批可喜的成果。它缩短了水文地质领域我们与先进国家的差距， 并成为解决各类地下水问题无法取代的工具与手段 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 目前的数值方法主要有有限单元法、有限差分法、积分有限差分法、有限分析 法、边界元法、解析单元法等，其中应用最广泛的是有限差分法和有限单元法。但 是数值方法有其本身的缺陷。以下就是两个数值方法中全局性的问题： ( 1 ) 通过某一断面的流量、速度算不准 国际公认：应用数值模拟时，误差有的高达3 5 。这里的误差不包括构造模型 有错误、选用方法等所造成的错误，而是指模型、方法选用正确的前提下，由现有 的方法本身引起的误差。 ( 2 ) 有限元法局部区域上质量不守恒，违背了物理上的基本定律一质量守恒定律 由于有限元法固有的优越性，特别是对水质问题、热量运移问题而言，它已成 为当今国际上最流行的方法。这种方法在推导时是以整个计算域为基础的，在整个 计算区域上满足质量守恒，对整个计算域内剖分所得的数百个、数千个各种形状的 单元来说，由于推导是以整个计算域为基础的，所以对每一个单元来说就不一定守 恒了m 。在这里要指出一点，虽然近二、三十年来，有限单元法在地下水数值模 拟中应用越来越广泛，并有取代有限差分法的趋势，但是，这种现象不是基于对这 两种数值方法理论上的对比分析，而更多的是出于对有限单元法中广泛使用的比较 灵活的网格剖分的爱好，以及对复杂而抽象的数学推导所产生的数值方法的期望。 实际上，有限单元法和有限差分法没有太大的区别，两者可以统一起来，但是，正 如前所述，有限单元法解决非稳定的地下水流运动问题，在时间步长垃较小的情况 下，某些单元可能出现质量不守恒，因此引起个别点的水头反常。而有限差分法， 其水均衡是建立在每个单元上的，就不存在这个问题由此看来，应用有限差分方 法研究地下水流运动问题就更为可靠。本论文就是应用三维有限差分软件m o d f l o w 进行渗滤取水的渗流场数值模拟计算 1 4 本论文研究内容、意义及技术路线 1 4 1 主要研究内容及意义 基于上述分析并针对渗滤取水技术目前存在的主要问题，本文将结合某渗滤取 水工程现场模拟试验，对渗滤取水的渗流场特征进行分析研究，并建立和求解其数 学模型，为渗滤取水水量计算提供理论指导，使水量计算更趋合理。论文将着重研 究渗滤取水的以下几方面内容： ( i ) 结合某渗滤取水工程现场模拟试验，并以多孔介质地下水渗流的基本原理为指 导，对试验的渗流场特征进行分析。 ( 2 ) 根据试验的渗流场特征，建立试验的水文地质数学模型，应用m o d f l o w 进行 亘童窑鎏盔兰堡主塑窒尘兰焦笙塞 蔓! 基 数值模拟，并讨论m o d f l o w 的适用性问题。将模拟结果与与试验结果进行对比分 析，以验证模型的适用性。 ( 3 ) 对渗滤取水的取水量影响因素分析。首先讨论河流一滤床地下水的水力联系，即 滤床地下水的水动力特征对取水量的影响。因为滤床堵塞和泥膜的发育是造成滤床 地下水水动力特征变化的主要因素，所以将主要讨论这两个方面。第二，应用试验 建立的渗滤取水水动力概念模型，对渗滤取水的取水量影响因素进行数值模拟分析。 取水量影响因素主要研究水位降深，河水水位，滤床上部的泥膜特性( 在y o d f l o w 的河流子程序包中相当于底积层) ，滤床的渗透性，辐射管的取水面积，辐射管间的 干扰等。 本论文的研究成果对完善渗滤取水技术的理论基础，推动渗滤取水工艺的迅速 普及，以及促进给水工程的技术进步都具有积极而重要的意义。 1 4 2 研究技术路线 本论文的研究技术路线见图1 4 。 渗滤取水技术的现状分析 现场模拟试验 渗流场特征研究 建立水文地质数学模型 应用m o d f t o w 对数学模型求解 试验与数值模拟结果的对比分析 渗滤取水水量的影响因素分析 水动力特征的影响分析数值模拟分析 为渗滤取水工程水量计算提供理论依据 图l - 4 论文研究技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章某渗滤取水工程现场模拟试验的 渗流场特征研究 2 1 渗滤取水现场模拟试验概况 2 1 1 试验目的 从已经施工的一些渗滤取水工程和前人的研究成果来看，要轻易从单纯 的推理或小型室内砂槽试验来解决实际的渗渗滤取水工程水量计算的问题， 其局限性十分突出，这是因为：第一，渗滤取水有别于传统的傍河取水方式； 第二，室内砂槽试验规模有限，不能全面的反映实际滤床特性；第三，不同 取水量对渗流场的影响反映不清晰；第四，实际工程条件变化多端而理论推 理及小型室内试验的单一性，人为因素与客观实际相差较多。因此，为了真 实、客观的反映渗滤取水工程滤床的渗流场特征，为确定渗滤取水工程的数 学模型，进而为渗滤取水工程出水量的合理计算提供理论基础，特设计了本 试验。 2 1 2 试验装置 根据试验目的结合工程实际取水影响面特征采用8 mx5 m 4 m 的砂卵砾 石层来模拟河床，三维示意图如图2 - i ，整个装置由以下几个系统组成： 层 图2 - 1 大型现场试验装麓示意图 ( 1 ) 进水系统 如图2 一l 所示，抽取河水进入进水口，通过滤床形成河流水头边界的模 拟。 ( 2 ) 滤床 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 滤床采用原样砂卵砾石填充，所有材料均来自工程现场天然漫滩，在搬 运、填入等过程中尽量避免扰动。最终形成了模拟河床厚3 m ，这个厚度与实 际工程平均砂卵砾石层厚度相等。 ( 3 ) 泥膜观察系统 为清楚观察到泥膜的形成演化及其对滤床表层的影响规律，在滤池一侧 从进水口到出水口顺次开启四个泥膜观察窗，窗玻璃上设有标尺随时可以测 定泥膜的厚度。由于河水具有一定的浊度，河水通过滤床会形成一层厚度不 大的泥膜。通过观察窗可以清楚的观察到表层水流中悬移质运动路径，水流 对泥膜表面的冲刷作用，泥膜形成过程、形成方式及泥膜对滤床深部的影响。 ( 4 ) 测压系统、 为了客观地反映滤床内部水流特征及渗流场形态，从槽底部向上0 5 s m 处每间隔0 5 0 m 安设一层测压管，一共四层，每层安设四组测压管：四层四 组测压管的安设位置分别从进水口端向出水口端方向1 5 0 m 、3 s o m 、5 5 0 m 、 7 m 处：每组测压管为三根，分别从进水口端向出水口端方向右侧的试验槽内 壁伸入槽内0 7 5 m 、2 2 s m 、3 7 5 m 。测压系统的布置如图2 2 所示。 a 测压管平面布置图( 单位：n ) 图2 2 测压管布置图 ( 5 ) 取水系统 在试验槽外部安装了1 个主取水阀门和8 个干扰取水阀门。具体布置如 图2 - 3 。在将主取水阀门打开且以一定流量取水时，即可模拟单孔定流量取 水的情况；只将主取水阀门打开且以变流量取水的时候，即可模拟单孔变流 量取水的状况；而将主取水阀门和干扰阀门同时打开时，就可以模拟干扰取 水的情况。 ( 6 ) 循环水利用系统 根据试验要求，在泥膜形成一定厚度以后进行其他试验要求有稳定的水 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 头边界，长距离输水不利于保持水头稳定，也不经济，因此应用了循环水系 统。 图2 - 3 干扰管平面布置图( 单位：m ) 2 1 3 试验设计 1 渗流场试验 ( 1 ) 渗流场试验的准备：抽取河水进入滤床，使滤床充分饱和，并保持滤 床表面为定水头。整个准备工作需要一天。 ( 2 ) 准备工作完成后，开始渗流场试验。每1 2 小时改变取水量一次，待整 个装置稳定以后，记录测压管读数，主取水管水量，测量表层水头高度。 2 干扰试验 ( 1 ) 干扰试验的准备：抽取河水进入滤床，使滤床充分饱和，并保持滤床 表面为定水头。整个准备工作需要一天。 ( 2 ) 准备完毕后，进行干扰试验。主取水管阀门固定，以保证主取水管的 流量稳定。每8 小时开启个干扰管( 1 8 号干扰管依次开启) ，待每次装 置稳定以后，记录测压管读数，主取水管水量，已开启各干扰管水量并测量 表层水头高度。( 在试验过程中，6 号干扰管由于被堵塞而始终没有测到流 量) 2 1 4 滤床渗流场试验模拟情况统计 滤床渗流场试验模拟情况见表2 - 1 。 2 2 模拟试验渗流场特征分析 2 2 1 现场模拟试验渗流场等水头线图 根据模拟试验的测压管数据，应用s u r f e r 3 2 ( 6 5 版) 软件的k r i g i n g 表2 - 1 渗流场模拟试验情况统计表 主取水孔取干扰管取 次时间表层水位( ) 水量( l i m i n )水量( l m i n ) 干扰管未开启 第一次3 2 0 1 l1 7 6 1 1 _ 1 第二次 3 2 0 1 41 7 71 7 5 5 第三次 3 2 0 1 71 7 76 5 第四次 3 2 0 2 01 7 82 第五次 3 2 0 2 31 7 62 3 1 第六次 3 2 2 1 63 7 3o 干扰管依次开启 第一次 3 2 5 2 11 7 72 3 7l # o 8 1 # 0 8 第二次3 2 6 1 61 7 32 3 5 5 2 # 1 0 l 如8 第三次3 2 7 91 7 32 3 2 82 柏2 3 3 3 l o 4 1 i # 0 8 5 2 # 0 3 第四次 3 2 8 91 6 92 3 1 3 如4 4 # i 1 1 如9 4 5 2 # 0 1 2 6 第五次2 2 9 1 81 62 4 33 # 0 4 2 4 # 1 1 9 5 # 1 2 8 6 l 如8 9 7 2 柏1 83 # 0 4 第六次 3 3 0 91 6 22 4 3 4 # 1 1 4 5 5 # i 3 1 7 7 # 1 3 1 7 l 0 9 0 6 2 如1 7 9 3 # 0 3 7 7 第七次3 3 0 1 81 6 12 4 4 # i 1 7 5 # 1 3 1 3 7 # 1 1 9 7 8 # 1 2 6 8 法，做出试验的渗流场等水头线图。其中包括干扰管没有开启时，六次主取 水孔变流量模拟试验的x y 平面等水头线图、y - z 剖面等水头线图和x z 剖 面等水头线圈；干扰管开启时，主取水孔流量基本保持恒定，而干扰管依次 开启模拟试验的七次x y 平面等水头线图、y - z 剖面等水头线图和x z 剖面 等水头线图。在计算测压管水头，即总水头时，基准面取在所模拟的滤床底 耍童窑望盔堂塑主塑塞圭兰堡笙塞 兰! ! 蚕 部。论文所用到的三维坐标系，除非做特殊说明，都是如图2 4 所示的笛卡 儿坐标系。模拟试验的渗流场等水头线图见图2 - 5 到2 4 3 ，坐标单位：m a y 图2 - 4 坐标系示意图 i 飘i 翮i 熙i 骚 ( a ) z = 2 0 5 m( b ) z = 1 5 5 m( c ) z = 1 0 5 m ( d ) z = o 5 5 m 图2 - 5 干扰管未开启x y 平面等水头线图( 第一次) 隰i 黝i 聪i 臆 ( a ) z = 2 0 5 m( b ) z = 1 5 5 m( c ) z = t 0 5 m ( d ) z = o 5 5 m 图2 - 6 干扰管未开启x - y 平面等水头线圈( 第二次) ；癜；吸i 圈i 照 ( a ) z = 2 0 5 m( b ) z = 1 5 5 m( c ) z = 1 0 5 m( d ) z = o 5 5 m 图2 7 干扰管未开启x y 平面等水头线图( 第三次) ；缀；圜；理；隔 ( a ) z = 2 0 5 m( b ) z = 1 5 5 m( c ) z = 1 0 5 m( d ) z - - o 5 5 m 图2 - 8 干扰管未开启x - y 平面等水头线图( 第四次) mt，。，。乏 卜 西南交通大学硕士研究生学位论文蔓! ! 夏 ( a ) x = 1 o m( b ) x = 3 5 m( c ) x = 5 5 m( d ) x = 7 m 图2 1 4 干扰管未开启y - z 剖面等水头线图( 第四次) 澜陶妒骧驴潲扩瀚扩瀚瀚一圜一慧一飘一飘一溷驷蒜团濂飘赫囊淼飘一图瘸一图阱圈阱婆阱圈m要 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 i 鏊i 添i 瓣i 瓣 ；圈i 黢3i 蘸习；醯 i 隰i 愿i 隰 ；纛i 蒸蒸 ( a ) y = o 7 5 m( b ) y = 2 2 5 m ( c ) y = 3 7 5 m i 翮勰i 隧 图2 - 1 9 干扰管未开启x z 剖面等水头线图( 第三次) ! 溪! 慝i 隧 ( a ) y = o 7 5 m( b ) y = 2 2 5 m( c ) y = 3 7 5 m 图2 - 2 0 干扰管来开启x - z 剖面等水头线图( 第四次) 堕童奎鎏盔兰塑主堡塞竺堂焦笙塞 兰! ! 耍 i 纛i 蒸i 蒸 叫) 擎颦j 蚴jz l i ，一一t “岁q ，i 。，歹斓 ：e ：盔趸赛烈：毒鬈；墨二矗：葚：。毒到 i 獯i 勰羽i 澜 i 滚i 强麓瀚 飘i 獬；阍i 黧 i 缀掰i 翮黧 西南交通大学硕士研究生学位论文篁! ! 夏 ( b ) x = 3 5 m( c ) x = 5 5 m( d ) x = 7 m 图2 - 3 2 干扰管开启y - z 剖面等水头线图( 第三次) 飘一黧一藏一潮一澜一潮黝茹翮茹羽茹飘淼澜蒜灏 亘童銮望盔耋塑主堡塞圭主笪笙塞 蔓! ! 戛 i 瀚渤满i 瓣 | 慧飘潲! 黼 | 黧i 潮渊瓣 i 潮i 鬻i 獬i 满 i 蒸蒸i 纛 i 蒸i 黧i 蒸 ( a ) y = o 7 5 m( b ) y = 2 2 5 m( c ) y = 3 7 5 m 图2 3 8 干扰管开启x - z 剖面等水头线图( 第二次) 亘蜜銮望杰堂巫主盟塞兰主焦鲨塞 蔓! ! 墨 ( a ) y - - o 7 5 m( b ) y = 2 2 5 m( c ) y = 3 7 5 m 图2 - 4 3 干扰管开启x - z 剖面等水头线图( 第七次) 2 2 2 渗流场特征分析 2 2 2 1 只有主取水孔取水，干扰管没有开启时渗流场特征 1 滤床中的地下水从水力学状态来分析，具有承压水的性质。由第一层测 压管所得到的数据可以看出：如果以滤床底部作为基准面，则由公式( 2 - i ) 可得： 飘一一懑一瘸一|蔫|满蔫一一满一一蔫一一黧一一懑蒸勰蒸一勰黧 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 h ：z + 旦( 2 一1 ) 7 式中：日为测压管水头，即总水头：兰为压力水头：z 为位置水头。 y 因为滤床上部的测压管水头普遍大于其所在的位置水头，相当于p o ，所以 接个滤床中的地下水具有承压的性质。由所测得的数据可以看出，含水层表 层水头基本接近表层水的水深加上所模拟含水层的厚度。可以推断出，滤床 靠近河流的部位，水头更是接近表层水的水深加上所模拟含水层的厚度。虽 然河水有一定浊度，形成一层泥膜，但是由于泥膜很薄，并且分布极不均匀， 所模拟的地下水与地表河水的水力联系是仍然相当密切的。因此，滤床水流 状态为饱和承压流，应该用饱和承压流对渗流场进行模拟分析。 2 从等水头线圈图2 - 5 到2 - 2 2 可以得出：渗滤取水渗流场是典型的三维渗 流，不能简单的概化为平丽径向二维渗流或剖面二维、一维渗流。这同传统 的傍河取水符合裘布依假定的渗流场有明显的区别。其主要原因是渗滤取水 相对于取水并没有影响到进水区边界。在等水头线间距相等的条件下，越接 近取水管，等水头线越密，即水力坡度越大；远离取水管，则水力坡度小。 如此复杂的三维流动，主要是因为辐射管线状抽水和组成滤床的砂卵砾石层 的非均质性和各向异性造成的。下面以理想的模型分析渗滤取水的渗流场特 征。 ( i ) 建立单根辐射管取水的理想模型，并做以下假设：地表河水水头保持恒 定，为h ；地下水渗流符合达西定律；地下水渗流符合稳定流特征；辐射管 取水恰好揭露滤床底部，水平取水长度为，；辐射管出露于大气中，如果不 ， 考虑井损因素，那么，= 处h = 0 ；水平方向看作是无限平面。当辐射管开始 z 出流时，在取水没有影响到滤床项部河流边界时，在水力坡度作用下，先是 疏干滤床中的地下水，但是由于滤床中的地下水( 相当于含水层中的储存量) 的水量很少。如果上面没有河流的补给，滤床的储存量将很快被疏干，滤床 中的地下水始终是不稳定流，一直到滤床被疏干；当取水影响到滤床上部时， 河流由于泥膜的阻水，会产生一定的滞后补给，但是当泥膜下部的水头足够 小时，河流在水头差的作用下将突破泥膜的阻隔，下渗补给滤床地下水，到 补给量与取水量相等时，滤床内的地下水达到稳定流阶段。 理想模型如图2 - 4 4 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 河水面 图2 4 4 渗滤取水理想模型 ( 2 ) 建立球面坐标系，推导球面坐标下的水流拉普拉斯方程：原点设置在滤 床底扳被辐射管揭露中心处。取半径为，和r + 西的两个半球面所围成的半球 表面体为均衡单元。稳定出流时，通过半径为，的球面流出均衡单元的水量 为q ，通过半径为，+ 毋球面流入均衡单元的水量为： or+挈(2-2) 因为是稳定出流，二者相等，均衡单元内既不贮存水量也不释放水量。即 挈：0(2-3) 又因为地下水渗流服从达西定律，则q r 可表示为： q r ：2 ，v 2 k 掣( 2 - 4 ) 由( 2 ) 式和( 3 ) 式可得： 掣=2感(2ror警+ ，2 磬o r = 。 ( 2 _ 5 ) 防 。 即： 拿( ，z 驾：0 ( 2 - 6 ) o ro r 通解为： 日：鱼+ c 2 ( 2 - 7 ) 代入边界条件： l ，= 妻卸 ( 2 8 ) 日i ，= m = + ，( 2 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 解得： l c - 一芝， i c ：2 i h + m = 和= 一兰丢十i h + m2 z h + m ”寺 塑：业上 务l - 上2 ，2 2 m q ，：n k l 旦筝 1 一二_ 一 m ( 3 ) 这里所用的球面坐标系当滤床厚度大时会更适用，可借鉴其近似的用来 研究渗滤取水的渗流场特征。在靠近取水区域，水力坡度大；远离取水区域， 水力坡度小。这在公式( 2 - 1 0 ) 中得到很好的体现。即水力坡度与距离有如式 ( 2 - 1 1 ) 的关系： i a h271(2-11)0 r， 3 从第六次渗流场试验可得出：在主取水孔没有抽水时，含水层各层的总 水头基本相等，并且近似等于滤床厚度和滤床上部水头之和。但是局部仍然 存在一定的水头差，这与理论是相违背的。究其原因可能是测压管的精度不 是很高，砂卵砾石中含有少量的空气，渗流场的调整尚未完成。 4 取水量的变化对渗流场影响比较大。随着取水量的增大，在平面和剖面 等水头线图上，则等水头线越密( 在相邻两等水头线水头差相等的条件下) ， 即水力坡度越大；取水量小，则相反。但是不管取水量多少，都会在取水管 附近形成一个低势区。 5 分析2 - 1 l 到2 2 2 剖面等水头线图，水头在在z 方向有明显的变化，随z 的降低而降低，表明渗流速度有z 方向的分量。这是因为取水管设置在滤床 的底部，相当于滤床中的地下水的排泄基准面在底部，因此产生了垂直向下 的入渗。辐射管在取水时，形成了一个正降位漏斗，而定水头河流的入渗补 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 给也会形成一个与取水降位漏斗相反的负降位漏斗，其降深场是由两部分迭 加而形成的。这可以从剖面等水头线图上清晰的反映出来。在滤床上部，由 于河流形成的负降深大于取水管形成的降深，所以河流对渗流场的影响比较 明显：而在滤床的下部，显然取水形成的降位漏斗占据优势，因此，具有辐 射流的特征。而在试验中，边界条件的影响是很复杂的，并且对流场特征影 响也很大，如果建立其解析模型，是不可能的。在剖面等水头线图上，我们 可以清晰的看到由于抽水的影响，对河流的入渗产生激发，并在取水管附近 ( 垂直向上) 形成一个诱渗区。剖面等水头线图也有这样的特征：不管取水 量有多大，越靠近取水管区域，则等水头线越密集，即水力坡度越大。在远 离取水管区域，即剖面等水头线图中的( a ) 所示，取水的影响很小，其水力坡 度很小。由2 - 1 1 到2 - 1 6 剖面等水头线可看出：在靠近取水管区域，形成了 辐射流的特征，与点源取水模式很相似，由于取水管在中部设置，所以漏斗 中心在y = 2 5 m 附近。 6 由渗流场x - y 平面等水头线图，只有在第三和第四层，才形成比较明显 的平面漏斗形状，而在第一层和第二层，由于河水的下渗补给的影响和距离 取水管距离太远，取水对这个区域影响很小，因此，大都显示出毫无规律的 漏斗形态，比较规则降位漏斗的形成也是在距滤床表面一定深度。这与传统 地下水向水井