（环境科学专业论文）渗滤取水过程中水质变化特征及原因研究.pdf

t h es t u d yo fw a t e r q u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c sa n d r e a s o n so fp e r c o l a t i n gw a t e ra b s t r a c t i o np r o j e c t i n t r o d u c t i o no fa u t h o r ：r e n t a o j u n , b o mi nn o v e m b e r2 8 血，1 9 8 0 u n d e rt h e g u i d a n c eo fp r o f l i ，g r a d u a t ef r o mc o l l e g eo fe n v i r o n m e n ta n dc i v i l e n g u e e r i n g ，c h e n g d uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y o n j u n e ，2 0 0 6 m a j o ri n e n v i r o n m e n ts c i e n c e e n g i n e e r i n gg e o l o g ya n dh y d r o g e o l o g y ，w a t e rr e s o n r c e sa n d w a t e re n v i r o n m e n t a l ， a b s t r a c t b a s e do nt h ef i l t e rp r o j e c t s 砒b a i s b a j i a n 商i n ga n dn a n x i k o ui nc h o n g q i n g t h e p r e s e n tt h e s i sh a ss t u d i e dt h el o n g - t e r mm o n i t o r e dd a t ao ff i l t e rb e dc b a r a c t e r i s f i ca n d w a t e rq u a l i t y , a n dt h e na n a l y z e dt h ec 部哦；e sa n df a c t o r sf o rt h ec h a n g eo f w a t e rq u a l i t y 砒n a t u r a lf i l t e rb e i t , a sw e l la st h er e l i a b i l i t yo ff i l t e rw a t e rq u a l i t y h y d r o g e o c h e m i e a l m e t h o d , p r o b a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o d , n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d , a n di n d o o rm o d e l t e s th a v eb e e ne m p l o y e dt om a k es y s t e m i ca n a l y s i so ft h ec h a n g eo ft u r b i d i t y , t o t a l n u m b e ro fb a c t e r i a , t o t a la m o u n to fo x y g e nc o n s u m e d , t o t a lh a r d n e s s ，a n dt h e f e a s i b i l i t yo f d i r e c ti r o nr e m o v a la ls t r a t u mi nw a t e rf i l t e r i n g f r o ms y n t h e t i ca n a l y s i s b yv a r i o u sm e t h o d s ，t h ef o l l o w i n gm a i nf i n d i n g sh a v eb e e ng a i n e d ： ( 1 ) t h et o t a ln u m b e ro f b a c t e r i ai ss h o w i n gad e c r e a s i n gt e n d e n c y , w h i c hi sq u i t e o b v i o u sa tt h eb e g i n n i n g i nj d ya n da u g u s tw h i c hi st h ea n n u a lf l o o dp e r i o d t h e r ei s as h a r pi n c r e a s e t u r b i d i t yo ff i l t e rw a t e r 砒b a i s h a y u hr i s e s r e g u l a r l yw i t h c o r r e s p o n d e n ta b u n d a n tw a t e rp e r i o d , b u tg e n e r a l l ys t a n d sa t5o rs o t u r b i d i t yo f f i l t e rw a t e ra tn a n x i k o ui s0 ，w h i c ha l s oc h a n g e ss t e a d i l y ( 2 ) t h e r ei sa l lo b v i o u si n c r e a s ei nt h ec o r i t e mo ff ea n dm n a tb a i s h ai nb o t h s p r i n ga n ds u m m e rr e g r e s s i o na n a l y s i sh a sf o u n dap o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e n t h e c h a n g eo f f ec o n t e n ta n dm nc o n t e n t , w i t l lac o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to f 0 6 5 5 5 0 7 ( 3 ) t h e r ei sap o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h et o t a lh a r d n e s sa n dc h l o r i d ei n d e x o f f i l t e rw a t e rb o t ha tb a i s h aa n dn a n k o u , w i t hac o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to f 0 7 8 9 8 1 8 a n do 9 4 9 5 9 7r e s p e c t i v e l y t h ea m o u n to fo x y g e nc o n s u m e d , f ，p b ，hz n , t d s ， n i t r a t e ，s u l p h a t ea n ds oo nc h a n g ei r r e g u l a r l y ( 4 ) r e l i a b i l i t yt h e o r yi sa p p l i e dt oa n a l y z et h er e l i a b i l i t yo fw a t e rq u a l i t y 砒 n a t u r a lf i l t e rb e d s 1 1 h em i n i m a lr e l l a b i l i t yv a l u ef o u n di np r e s e n tr e s e a r c hi s0 6 4 9 1 a n dt h em a 矗m 岫lt 1 l eh i 曲r e l i a b i l i t yo fw a t e rq u a l i t yi n d i c a t e st h a tt h e n a t u r a l b e d - f i l t e r - w a t e rt e c h n o l o g yw h i c hi sc r e a t i v ea n dn e wi sf e a s i b l ea n di tc a n d i r e c t l yf i l t e rw a t e ro f h i g ht u r b i d i t ya n dm i n o rp o l l u t i o n ( 5 ) nh a sb e e nf o u n dt h a t ：t h ea p p r o p r i a t ea e r a t i o ni n t e n s i t yi s11 0 l m i nw h e n o x y g e ni si n f l a t e di n t ot h es t r a t u mt or e a l i z ea e r a t i o ni t o nr e m o v a l ；i n t e r v a la e r a t i o ni s a d o p t e db yo p e n i n gt h e a e r a t i o nd e v i c ef o r3h o u r sw i t h2 0m i n u t e s b r e a k ； e c o n o m i c a l l yt h ea e r a t i o nd e n s i t yi sc o n t r o l l e da b o v e1 5 砰w i t h4a e r a t i o nh o l e s k e y w o r d s ：t e c h n i q u eo fp e r c o l a t i n gw a t e ra b s t r a c t i o n ；i r o nr e m o v a la ts t r a t u m ； c h a r a c t c 也t i o so f w a t e rq u a l i t y ；c o r r e l a t i o n ；r e l i a b i l i t y i s i g n a t u r e ： 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑堡王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导师签名：姗 丁、崞砂劝妒 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛整理互太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权虞嫠垄兰盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 嗡| 加年 厂月 日 第一章引言 第一章引言 1 1 选题意义及课题来源 在我国，由于水资源分布的不均匀性以及经济发展水平的差异，供水不足的 闯题已严重制约着一些城市和企业的发展i l o l 。 地下水作为一种水质优良而且取用方便的水资源，自1 9 8 0 年以来，大多数 开采地下水的城市都趋于过度开采，并且由于地下水的过量开采而相继出现了许 多环境问题，如区域水位下降、水质恶化、地面沉降与塌陷等i l ”。 在人类活动频繁的今天，我国江河水系日益受到各种污染，人类赖以生存的 水资源越来越少，赋存于江河河床底部的高品质地下潜流水必将成为我们聚焦的 方向，渗滤取水这种超慢滤开采技术完全可以作为传统取水手段的有利补充。 常规工艺已经使用了1 0 0 多年，技术上已经相当成熟，但当时的水源水质与 现在的水源水质相比相差太远。过去只需要控制感官性指标浊度与微生物指标余 氯就可供饮用，而现在，人工合成有机物的增多，对人类的危害还不十分清楚， 原有的净化工艺已不适应发展了的现状，我们经过对比，渗滤取水技术利用天然 河床砂砾石层的净化作用和河水对淤积层的自动更新，不用药剂，减少净水剂对 水、环境的污染，简化取水工艺，是一种生态取水技术。与传统地表净水工艺相 比较，具有工艺简单、占地少、建设及净水成本低为特点。因而具有较大的环境 效益和社会效益。 渗滤取水技术自1 9 9 2 年问世以来，发展势头较快。最早建成的水厂已运行 1 5 年之久，根据回访调查，采用该技术修建的水厂，运行正常，水质水量均较 稳定，运行成本低，已经取褥了显著的经济和社会双重效益。 渗滤取水是在江河天然迳流的冲刷和沉积作用下，利用河床底部天然滤床的 垂向渗流和滤净功能，通过营造在河床下的渗滤系统，获取地表江河水的一种取 水技术，是在天然滤床渗流井取水技术基础发展起来的一种适用条件更为广泛的 新型反向取水技术。渗滤取水技术无论是在理论上、取水方式和工艺流程方面都 与传统的管井、大口井( 辐射井) 、渗渠等取水方式均有着本质区别f 1 2 1 1 ”l 。 渗滤取水工程在运行过程中，对这项技术某些方面认识不足，比如：天 然河床长期渗滤取水水质的变化特征；天然河床渗滤水水质可靠度、稳定性 分析( 浊度、细菌等指标) ；这两项问题缺乏研究，对整个渗滤取水工程的场地 选择、原水水质的要求以及渗滤水的水质预测和评价缺乏指导性的理论依据1 4 1 。 同时天然河床渗滤取水的出水水质和工程生命是我们关注的重点，这将直接影响 到此项技术的经济效益和可行性问题。 成都理工大学硕士学位论文 据此，本文依托重庆市科委渗滤取水及示范工程项目，取得详细的渗滤水水 质的长期观测资料，对出水水质的可靠度进行分析，进一步探讨河床渗滤取水长 期运行过程中，可能产生的水质变化的原因及影响因素，提出相应的措施及建议， 从而可能更好的利用和改进此项技术，也为天然河床渗滤取水技术的研究提供有 用的参考资料。另外，本文的研究将运用多种方法结合，弥补此项技术在这方面 的资料短缺现状。为渗滤取水工程的调试提供依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 l 国内渗滤取水水质研究现状 国内有关天然河床渗滤取水技术的研究是近年来才开始的，1 9 9 2 年地矿部 成都水文中心高级工程师陈台智率先提出了在砂砾石层发育的河床底部基岩中 钻掘集水廊道，利用渗流孔集取河床渗透水方法1 2 ，该方法提出以后，在四川、 重庆地区很快得到应用和推广，九二年至今在四川先后建成和旌工了二十余个渗 流井取水工程。 综合国内渗渠、河床大口井、辐射井及地下水人t * b 给的研究文献分析，其 特点主要是研究偏重于工艺研究和水量计算，水量计算以地下水渗流理论为基 础，多集中在水量计算法，对含水层净化水的机理、含水层净化水过程中污染物 的主要类型、方式研究较少、对影响因素和出水水质的变化规律研究较少1 3 l 。 渗滤取水技术进一步的研究是随着工程中各种问题出现而展开的。1 9 9 5 年 起，重庆渗滤取水工程公司与成都理工学院、西南交通大学开始以重庆铜官驿渗 滤取水工程、重庆江津白沙渗滤取水工程为实例，并结合室内模拟试验开展研究， 取得了宝贵的一手资料【5 】。地矿部成都水文中心高级工程师陈台智的开拓供水 新领域施工天然滤床渗流井取水工程【2 l 一文，对渗流井取水工程的概况、施工 作了一些论述。我的导师成都理工大学李晓教授的渗流井滤膜的初步实验研究 n l 对模拟河水动态条件下的泥膜的形成和对水量的影响做了初步探索【”、重庆白 沙渗流井渗透水水质特征研究一文，对重庆白沙工程渗流孔水和基岩裂隙水水 质进行了研究【4 l 。这些重要的研究成果为天然河床渗滤取水技术的发展和普及迈 出了关键的一步，也为后人积累了宝贵的研究资料。 1 2 2 傍河管井取水水质研究现状 当前，开采地下水常用的取水构筑物主要有两类：一类是垂直取水构筑物， 如管井、大口井等；另一类是水平取水构筑物，如渗渠、集水廊道等。各类取水 构筑物，有各自的优点，适用于不同的水文地质条件f 14 1 。 傍河管井的出水水质有保证，一般采用封闭式供水，与引江河水或集雨供水 2 第一章引言 相比，不易被污染，水质可靠能够达到国家标准，适用于浅层地下水水质符合我 国生活饮用水标准的地段、地下水补给丰富含水层渗透性良好的地段【3 1 。 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 薄层粘士、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1 6 】。 1 2 3 傍河取水的辐射井取水水质研究现状 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，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，其特点更加明显田】。因此，不少集取浅层地下水的取水工程均采 用了大口辐射井。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。 据司建宁、杜历的相关研究，辐射井在宁夏的应用来看，辐射井中每层水平 管可取一个水样，最后取一个混合水样分别进行水质化验，得出辐射井地下水矿 化度为0 9 1 7g ，l ，p h = = 7 5 - 7 9 ，水质较好，适宜灌溉俐。 在地下水资源丰富，特别是沿河岸地区取地下水作为供水用，不仅水量大、 水源稳定，而且水经过天然的沙层过滤后水质较好，影响水质变化因素单一，出 水水质可靠度较稳定且管理运行费用较低。国内许多城市供水不直接引河水，而 在河岸用辐射井傍河取地下水口8 】【2 9 】。 胡兴义对位于金沙江下游北岸的辐射井水质进行评价，认为该处的水化学类 型属重碳酸钙一镁型，p h 值略偏碱性，毒性指标均未检出、水质良好，产水能 力、水质指标均能满足要求。 1 2 4 渗渠取水水质的研究现状 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 完整式两种形式【”】。 影响渗渠的取水效果( 出水水质和单位长度出水量) 的原因是多方面的：河 床淤塞、温度、原水水质等。渗渠取水是集取河床渗透水和潜流水的一种有效形 式，它适合于砂层较浅、透水性好、中间无隔水层、补给充沛的水文地质条件。 3 成都理工大学硕士学位论文 目前我国各地采用集取河床潜流或地下水为主的渗渠较多，经验也较成熟， 效果较好；而采用集取地表水为主的渗渠较少，使用年限也较短，虽然有的效果 也较好，单位出水量也较大，但水量水质变化较大，有的易于淤塞，必须定期检修， 管理费用较大【2 “。童慈昌i m 、王允麒 1 3 1 1 1 4 1 等的渗渠出水浊度与河水浊度， 通过实验研究了渗渠出水浊度与河水浊度、渗渠埋深间的关系。 1 2 5 国外研究现状 由于地下水比地表水受人为干扰的可能性要少一些，因此水质较好，地表水 和地下水的联合利用可以提供较好的水质。在俄罗斯，可以利用的地下水储量为 3 1 5 k i n 3 年( 预测量为3 2 3 4 k m 3 f ) ，现在每年的用水量是l l 1 3 k m 3 。在1 9 8 5 年和2 0 0 2 年，地表水的用量分别是1 1 7 3 k i n 3 年和8 5 k m 3 年。根据这些数据可以 看出，地下水的用量发生了极大的变化，特别是在地表水资源有限的库班河 ( k u b a n ) 等流域，以及莫斯科地区。 在干旱和半干旱地区，通常的做法是将雨季的地表水转化为地下水储存起来 利用。如在伊朗、伊拉克、以色列等地区，天然条件下地表水渗滤研究及人工设 置的渗滤设施转化地表水的研究较为深入。地表水转化地下水有两种情况，一是 天然条件下的转化，另一种是人为作用下的转化，称为人工补给。人工补给是借 助于工程措施，人为地把一些地表水( 雨水、汛期洪水、河道导水) 诱引渗入地下， 增补地下水资源，从而达到时间和空间上对地下水进行合理调配的方法【l ”。人 工补给一般可分为浅层地面渗入补给、深层地下灌注补给和间接人工补给方法。 浅层地面渗入补给包括了盆地渗入补给、水库渗入补给、渠道渗水补给、农田灌 溉渗入水补给和河流渗水补给。 将地表水转化为地下水有两方面的意义，一是调节、储存水资源，二是利用 含水层的净化作用改善水质。在2 0 世纪5 0 7 0 年代，前苏联学者以渗滤入渗池 为研究对象对人工补给水质改善进行大量的试验和理论研究，如茨维金采夫 ( 1 9 7 3 ) 通过试验研究砂层中微生物与固体颗粒的附着关系，指出微生物在水质改 善中具有重要的作用。莫洛扎娃娅在1 9 7 3 年发表的被苯哔啉和石油产品污染 的水在渗透过程中水饱和土壤吸附性能的研究一文，研究结果表明，对于最常 见的多环芳香类碳氢化台物有致癌作用的苯哗啉，当渗透速率为1 1 m d 时，可 以在砂层中滤去9 2 2 9 8 2 5 蚶3 0 1 1 3 1 1 。b m 别尔达洛夫( 1 9 7 1 ，1 9 7 3 ) 对水在砂层中渗 滤对水质的影响进行了很有意义的实验室试验，研究揭示了砂层表层的薄膜和淤 填层对水质改善起着重要的作用，并分析了水质变化的特征，并对地下水在渗透 过程中水质改善有了较为一致的认识【5 】。 国外地下水人工补给以研究在地表建立人工工程补给地下水的理论和技术 为特点。这些人工补给系统和设施包括渗水盆地、渗水池、渠道渗水补给、井灌 4 第一章引言 注渗入补给等方式。研究的内容包括各种地表人工补给系统的特点、适用条件、 渗入补给的方法、补给量计算方法、补给水水质及对含水层淤塞的影响。这些研 究虽然与天然河床渗滤取水的研究有一定区别，但有很多理论及工程技术措施可 以为研究提供参考和借鉴。 1 3 论文研究的主要内容及难点 论文通过对渗滤取水工程长期出水水质的监测，出水水质的可靠度、数值计 算，研究渗滤取水工艺的工程生命和发展前景。主要研究内容包括： 1 渗滤取水试验及工程监测研究； 2 渗滤工程长期出水水质的基本变化特征及其影响因素； 3 渗滤水的可靠度分析及水质变化的防治对策； 1 4 技术路线 渗滤取水技术工艺原理 工程区的滤床特性研究 渗滤取水试验及工程监测研究h 室内水质净化模拟实验 渗滤取水长期观测过程的水质变化 白沙渗滤取水工程区环境条件 气象水文li 地形地貌l i 地层岩性il 地质构造 水化学特征分析 细菌变化情况ll 浊度变化情况li 其他微量指标 影响水质变化的原因及因素的研究分析 天然河床各层的主要净化作用及对水质改善贡献l 一渗滤水质的预测 渗滤水水质可靠度分析r l 常用概率分析及其选择方法 竺竺兰登兰j 图l l 技术路线图 成都理工大学硕士学位论文 第二章渗滤取水技术工艺及原理 2 1 渗滤取水工程构成 天然河床渗滤取水工程是选择江河底部砂卵砾石层发育地段，在岸边钻凿竖 井及水平输水平巷，深入到河床底部，利用钻孔采集砂卵砾石层中渗流水的取水 设施及装置，通过抽水产生的压差【1 9 1 2 m ，诱使河水透过砂卵砾石层下渗，转化 为渗透水。集取河床渗透水的取水工程如图( 图2 - l 、图2 - 2 ) 所示。 渗滤取水工程包括天然( 或人工) 滤床和地下构筑两大部份，其中地下构筑 则主要由集水竖井( 图2 3 ) 、江底输水平巷( 图2 - 4 ) 、汇水硐室和天然滤床底 部的渗滤系统( 渗滤孔群) 组成。通过江河边岸的集水竖井，在江河下构筑输水 平巷和硐室，然后按照最优取水面积和间距营造渗滤系统。 2 2 天然河床渗滤取水的原理 天然河床渗滤取水工程主要是集取河床渗透水，其取水原理如图2 5 所示。 渗滤取水通过在集水竖井中抽水，产生一定水位降深，由水力传导，在河床底部 砂砾石层内形成低压区，诱使河水下渗，穿过河床表层滤膜及砂砾石层时被净化， 水中污物大部分被滤床表层滤膜所截留，而被截留的污物又被动态变化的河水带 走，河水对滤膜起到冲刷、更新作用，使其能长期取水。 其取水净化的原理可归纳为：l 。激发采水2 ，滤膜截污3 冲刷清淤。 据李晓，2 0 0 3 t 5 l 。 1 、竖井 竖并是取水的主要集水设施，在施工过程中作为输水平巷以及供水泵组安置 空间的施工通道。位于河岸多年洪水位以上并满足地表配电、控制、管理等要求。 6 第二章渗滤取水技术工艺及原理 井身砌筑材料用钢筋混凝土，井径一般4 6 m ，井深2 0 8 0 m 不等，井底嵌入 稳定基岩地层中，是取水工程中重要组成部分。 l - 竖井2 - 输水平巷3 - 取水孔q p 卵砾石层 围2 - 2 渗滤取水工程剖面图 据李晓，2 0 0 3 1 5 1 。 图2 - 3 竖井( 重庆井口水厂)图2 - 4 江底隧道( 江津瀹津水厂) 据重庆市科委渗滤取水及示范工程项目，2 0 0 3 1 4 1 。 立 河水面 。，。a 。 6 7q 、 。 2 据李晓，2 0 0 3 5 1 。 河床表面泥膜 砂卵砾石层 基岩 输承平巷 1 裂隙渗透水2 渗流孔水 围2 - 5 渗滤水流程示意图 7 成都理工大学硕士学位论文 2 、江底隧道( 输水平巷) 在河床底部的基岩中开掘的水平硐室，是江底渗流孔的施工通道和取水输水 通道，同时连接竖井和天然滤床。巷道为无压结构，巷壁和顶底根据地层围岩情 况进行全封闭加固支护或衬砌。巷道一般除主巷外，可有多条支巷，以扩大取水 范围。若天然滤床与竖井距离很近，也可取消巷道构筑。输水平巷一般垂直于河 流布置，亦可平行于河流布置。 3 、渗流孔群 从江底输水平巷向上钻凿，穿过上覆基岩达到河底砂砾石层中的一系列取水 孔。各取水孔间距视砂砾石层的渗透性和取水量的大小的不同而定。取水孔安装 过滤器，过滤器长度一般为l 一5 米。 4 、汇水硐室 位于巷道沿途或巷端，由一个或多个组成，全封闭支衬，是渗滤孔群的施工 空间并起汇水作用。 2 3 取水工艺流程 江河水则通过天然滤床渗滤系统、硐室、平巷被导至竖井内，实现江河底取、 制水全过程，最后由泵站实施供水运营( 图2 - 6 ) 。 图2 - 6 渗滤取水工艺流程 2 4 影响渗滤取水的主要因素 在自然条件下进行的天然河床渗滤取水，受到多种因素的影响，主要有河水 的浊度、化学组成、河流水位、滤床的结构特征、滤床介质的渗透性及其变化、 取水速率等。在这些因素中除取水速率是人为可以控制的，其它都是随自然环境 在不断发生变化，任何因素的变化都可能引起渗滤水的水质、水量发生变化。因 此，渗滤取水远比地下水人工补给的入渗池渗水、慢滤净水要复杂的得多，要评 价渗滤取水技术的可靠性、合理选择场地、确定设计参数，都必须深入研究影响 渗滤取水的各种因素。 8 第二章渗滤取水技术工艺及原理 2 5 渗滤取水工程经济效益 渗滤取水工艺，是一种生态取水技术。与传统地表净水工艺相比较，具有工 艺简单、占地少、建设及净水成本低为特点，因而具有较大的环境效益和社会效 益。自1 9 9 2 年问世以来，1 5 年间已先后在我国西部地区的长江、嘉陵江、岷江、 涪江、沱江、金沙江，大宁河及东部地区的淮河等流域沿岸城填实施，共建水厂 3 0 余座，投资约3 亿元，发展势头较快。最早建成的水厂已运行1 5 年之久，共 为国家节约建设费用约1 2 亿元，节约运行成本0 8 亿元，节省占地约2 0 0 亩。 根据回访调查，采用该技术修建的水厂，运行正常，水质水量均较稳定，运行成 本低，已经取得了显著的经济和社会双重效益。 9 =g 、|小u iu_ 篓蔓盏星蕃 ggg咎 星星星星 客88 星星 o oooooo66 8舍 善 蚕 曲碗 旆 晰蔷 耐蔷 鉴冀 前 瘵 时漭 h 晰蓄 鉴冀 碰 爵转隧h汁慊萄廿垛亩碜h 姗1；参赫婚*h黼般演游群潜卑跚 h j 至情葵 好才(潜海口它 v 琳 殳丑雷 好每*滞鼹爵_本遍甜v _i量彳亍爵抖过暑v 酊 薛 斟v 亦灞h 时 骘h 啡 啦洋诽 落 _广冲ili赫品7k_厂 噼涪：uu_：懿_厂好* h 甜 时撕沁丹缸_厂好* h 船 筒i聿粤*j广j壬潞 h 糟 箭筒碍淳j广好才(h j 莹 随演皿将*分剧好 * h 蔺 淳篙潜冈珊蒋口* r 好瘩* h 黼 时射潞才(厂_湛潞 h 诸 科j串冈、丑厨好jj( h 黼 玲 卑 啦 j 生 口u_00口u_ 96_0口3 口q-8098-6 9908-o_ oo_l_00_o o_00_9 oo_000hb o_000_ n _ n o o _ o _ _ _ o _ 小 a l u q u l _ 3 _ o n o 3 _ 7 q u _ - 4 吼_ o _ 0 q o u 9 0 o # _ a _ o o o q o 4 u u o j 7 q _ 9 0 口o 口_ o _ 4 4 o ，9 8 o 口 n _ o o o 4 4 6 0 # o o _ - 2 o 8 o - 3 认 t o o 5 q u _ 0 6 0 i _ u q i _ _ u o 9 u o 2 5 _ _ o o h _ o 4 _ o # o u a u _ _ 4 u _ o o 3 0 口o o 2 千寻 磁 寺 狲 u o o o _ w _ 昏 _ o 小u 一 - 3 u o 心q o u a 寸w o u q q 3 怵彳亍爵*母*吩事简蹲o40砷、善首才(埒箍蹲o，02凯昌。涨蜜窟浮叫斟国簿爵湘菪冷丰斤殿兹墨餮$好*h蔚 _ o 第三章工程区的滤床特性研究 第三章工程区的滤床特性研究 3 1 河流水动力条件及冲刷与沉积特征 3 1 1 水动力条件对滤膜影响 在天然状态下，泥膜的上下表面的水压力相差极小，从原始状态砂卵石表层 中水流状态示意图3 - 1 可以看出，少许垂向流对泥膜的压实效应较弱，泥膜的透 水性较好。在取水状态下，砂卵石层下部的压力减小，垂向流增大，垂向流与压 差的双重作用使泥膜的压实效果显著( 见图3 - 2 ) 。泥膜在压实作用下变薄，透水 性减弱，相应滤水水质变好。 滤膜表面同时存在水平流和垂向流。原水中的固体颗粒及部分胶体物质由于 垂向流的动力作用及砂卵石滤床表面的吸附作用被截留在滤床表面形成滤膜。但 是，在大多数河床表面滤膜厚度并不累积性增加，其原因就是滤膜表面有水平水 流作用，能够带走泥膜表面多于的沉积物，使泥膜的厚度在一定水动力条件下保 持平衡状态【1 1 围3 - 1 天然条件下水流状态图3 - 2 取水条件下水流状态 据李晓，2 0 0 3 p 。 由不同流速条件下滤膜和渗水变化研究的试验得到如下结论： 压力差条件下产生的激发渗滤和江河水的持续补给渗滤系统运行后，井 内泵组抽水将引起一定井水位降深，使井水位与江水位形成一定压力差。在水力 传导作用下，河床底部砂卵石区产生低压区，诱导江水穿过滤床表层滤膜下渗， 进入砂卵石层、过滤器、渗滤孔及井巷内，形成取水的持续补给。 取水过程中，若增大抽水量则降深加大、压力差也增大，补给能力亦越大。 河流流态变化形成冲刷清淤和滤膜再生。水中悬浮物杂质被表层滤膜和砂 卵石层截留而得以净化，截留物大部分被动态变化的江水及时冲刷带走，截留物 小部分淤积于滤床表层，再被下一次更大的洪水迳流期冲刷，因此，泥质滤出物 不会累积增厚。渗滤取水遵循：边岸洪淤枯冲，江心滤床区域洪冲枯淤的自然规 律，滤膜更新再生能力极强。保证了长期持续稳定的取水和制水过程。 压力平衡保持潜水水质良好。实践证明，在砂卵砾石层中与地表渗透水 成都理工大学硕士学位论文 在一定深度下压力保持平衡。污染或浑浊水只能达到滤床一定深度，形成明显的 水质界面。界面上下化学指标、毒理学指标和细菌指标差异很大，这种污染变化 的方向性，使潜流水水质得到保护。 3 2 天然滤床的成因及分布特征 滤床是渗滤取水工艺中最重要的组成部分，水的净化是在滤床中实现的、研 究滤床的物质组成、结构、渗透性，是认识渗滤取水的净化机理、研究渗滤水流 的运动规律、研究滤床的淤塞的基础。 口 x 、，：；。i i 葺一：。二；i t 0 二i ：j 熏粼 y i , 可 ? 1 j ；：i ，：? j j ：譬：”二；：i j ：“ 翟；臻；：予暴! 窜三霉麓， 掰卺餐静o o - ou ：o + o 髟, 囤木位 匠圈溏囊 匿至三习砂璐石层 囫基岩 乳牛“结构 b 彩版结均 图3 - 3 滤床的结构示意图 据李晓，2 0 0 3 1 ”。 渗滤取水的滤床主要指河谷底部，在基岩上由沉积形成的砂砾石层。滤床的 分布发育受河流水动力条件的影响。根据勘察资料揭示，白沙工程区普遍发育第 四系全新统近代与现代流水冲积作用形成的松散堆积体，呈广泛连续分布状态， 覆盖子河床底部的侏罗系中统上沙溪庙组基岩侵蚀界面之上。该堆积体发育厚度 不等，取水滤床厚度变化在3 7 7 1 1 4 0 m 之间，一般厚度在4 5 m 。 3 3 天然滤床的表征参数及特征 3 3 1 结构特征 滤床具有多层结构，表层发育有不连续分布的泥膜，其下为具多旋回砂卵砾 层( 如图3 3 1 。 3 3 2 物质特征 ( 1 ) 滤床砂砾石层的物质组成特征 滤床主体为砂砾石层。白沙河床砂砾石层中卵、砾石岩性主要为石英岩、花 岗岩、流纹岩、绿片岩、安山岩、砂岩等，以火成岩为主。砂粒的岩性主要为石 英，含少量的长石及云母碎屑。研究中采集了4 个不同位置的砂砾石样品作筛分 试验，结果见表3 - 1 ，级配曲线见图3 - 4 。 第三章工程区的滤床特性研究 由筛分结果可知，白沙河床滤层的砂砾石层粉粒一粘粒含重量o 4 0 0 3 0 ，平均o 3 5 ；砂粒含重量1 5 1 0 2 6 4 3 ，平均2 0 2 6 ；砾石含重量 0 5 8 1 0 3 0 ，平均6 2 5 ；卵石含重量6 7 7 2 7 9 7 4 ，平均7 3 1 4 。 2 5 2 0 棚 叁1 5 雹 竣1 0 翊5 赠 0 厂一 f | oo 20 40 6o 811 21 4 1 6 1 822 2 筛孔( m m ) 图3 - 4 滤粒筛分级配曲线 据李晓，2 0 0 3 1 5 1 。 在过滤理论中，滤料颗粒的大小用“粒径”表示，粒径是指能把滤料颗粒包围 在内的一个假想球面的直径。滤料颗粒问的数量关系由筛分试验求得，试验结果 可以绘成砂样的级配曲线。曲线与纵座标1 0 交点的横座标筛孔就叫做d l o ，同 样的关系可以得 1 6 0 。d l o 称为有效粒径，指小于它的颗粒是产生水头损失的主要 部分。d 6 0 d l o 的比值叫做不均匀系数。从图中得，有效粒径d l o - - 0 2 0 m m ， d 6 0 - - - 2 4 m m ，求得不均匀系数k = 1 0 0 。由此可见，白沙河床滤层的砂砾石层具有 不均匀系数大，有效粒径小的特点。 有效粒径d l o 反映了砂样中小颗粒的大小，不均匀系数k 6 0 反映砂样颗粒大 小不均匀程度，不均匀系数越大，则大小颗粒间的差别越大，大小颗粒掺杂的结 果，会降低孔隙率。 由分析可知，天然河床砂砾石粒度组成与渗水池滤料物质组成的差别很大， 目前在快速过滤中常用的砂滤料的孔隙率约为0 4 0 ，无烟煤的孔隙率约为o 5 ， 孔隙率大，不均匀系数小。滤料层的孔隙率是指滤料颗粒间空隙的体积与滤料层 的体积( 它等于滤料颗粒的总体积与滤料颗粒间空隙的体积之和) 的比值。滤料的 成都理工大学硕士学位论文 含污能力是指在快速过滤中保持滤池的出水水质的条件下，在整个工作周期内， 单位体积滤料内的含泥量。可用k g m 3 或g c m 3 表示。人工滤床要求滤层的含污 能力大，而天然滤床不能用含污能力来评价。这种差别反映渗滤取水的净化机理 与滤池过滤不同。 3 3 3 渗透性能 ( 1 渺砾石层的渗透性 砂砾石层是滤床的重要组成，其渗透性对渗滤取水量、渗滤速度影响都很大。 一般来说，砂砾石层的物质是远源的，曾经过漫长时间与远距离搬运磨蚀，磨圆 度好，具有良好的渗透性。但是，由于物质来源和水动力的差异，砂砾石层的渗 透性差异也可能很大，因此，研究评价砂砾石层的渗透性是十分重要的。 本次研究就是利用抽水试验成果来确定砂卵石层的渗透系数。在工程勘探过 程中，对z k 4 3 号孔进行了抽水试验，过滤器位于含水层下部，通过试验得到了 以下结果：s i = 0 8 5 m 、q 1 - 2 5 3 4 升秒、s 2 = 1 ，9 m 、q 2 = 3 4 0 2 升秒。 根据供水水文地质手册有关公式和地下水动力学计算原理推导，滤 床渗透系数的计算公式为： 足2 五叵巫【o 二匝 l n ( 2 b r ) h a ( 2 b r ) + ( 式中： b ：至供水边界距离； t ：过滤器与含水层关系长度； 昏阻力系数： 经过计算，可得砂卵石层的渗透系数为：k = 8 1 3m d ，这一数值远低于相应 粒级砂砾石层渗透系数的经验参数( 5 0 2 0 0 m d ) ，表明白沙河段砂卵石层的渗透 性不是很好的。 1 4 第四章渗滤取水实验及工程监测研究 第四章渗滤取水试验研究 天然河床渗滤取水作为一种新的工艺技术，尽管己经应用于工程实践，并借 鉴了许多前人有关渗渠、盆地入渗、灌注入渗、地下水人工补给渗水池入渗的研 究成果和经验。但是，对于渗滤水中某些化学指标的形成和变化规律，没有很好 的理论依据，国内外文献检索的结果表明，天然河床作为滤床的渗滤取水尚未有 人开展过系统研究。为此，采用模拟试验方法来研究天然河床渗滤取水水质特征 ( f e 离子的变化机理) 与地层曝气出铁的相关理论和技术问题。 4 1 室内摸拟试验 渗滤取水过程中的水岩相互作用使铁含量增大，传统的除铁技术已经很成 熟，但是建设地面水处理设施投资大，如何在不过多追加额外投资的同时降低铁 的含量，铁离子含量的超标与否对人体的健康和生产生活有较大的影响，本节在 研究河床渗滤水水质中铁离子变化机理的同时，通过室内实验向地层曝气探讨铁 离子在地层中直接处理的可能性。 地表河流、湖泊等地表水体，利用天然河床砂砾石层及表层的泥膜或者生物 膜作为滤床净化，直接获得清洁的水资源，是近年来发展起来的集取河床渗透水 的新技术【2 l 【5 1 。主要特点是利用一定规模天然砂体作净化层和河水的冲刷作用清 除滤床表层的淤积物，其对水质的净化效果是显著的，同时也存在一些不容忽视 的问题，据对重庆白沙渗滤取水工程研究数据表明，在原水水源中铁离子含量达 标的情况下，渗透水水质铁含量有明显的提高。这些铁离子的来源主要是河水在 渗透过程中发生的水岩相互作用溶滤出来的，使得最终渗滤水中的铁离子含量增 高。地下三维空间内其他方向的含铁补给水源，在渗滤工程最初的一段工作期内 便可以排尽，因此不作为研究的重点。鉴于地下水中高铁的危害性，本节针对曝 气强度、密度、濒度三个方面的指标进行了实验研究。 ( 注：试验依托“成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室地层环境模 拟及污染控制实验室”地层污染控制模拟装置完成) 4 1 1 实验装置和实验方法 用空气压缩机向模拟地层中曝气，这是此项实验有别于其他曝气方法的最大 不同之处。根据模拟相似的原则，模型设计尽量遵循几何相似，运动相似，动力 相似以及边界相似的原则。同时根据达西定律，装置要求能形成稳定流条件，可 以测定过水断面、调节水力坡度和渗流量，从而计算渗透系数，渗透流速等水文 地质参数，同时要满足化学实验的要求。为达到上述目的设计了模拟含水层、可 调压稳定流的给排水系统、测压管、曝气孔、采样孔、示踪剂注入孔等( 图4 1 ) 。 成都理工大学硕士学位论文 l 储水箱2 水泵3 供水系统4 供水箱5 模拟地层6 捧水箱7 捧水系统8 采样孔 图舢l 地层环境模拟装置示意图 模型以一矩形有机玻璃箱体内装含有f e = 2 s 0 4 的砂石来模拟含水层，设计 含水层长1 5 m 、宽1 o m 、高0 7 0 m ，含水层结构及水文地质参数在试验室可 能的条件下尽量满足现场情况，粒径级配表见表4 1 。 表4 - 1 模拟含水层粒径级配含量表 将上表级配的样品，充分混合后，参照“土工实验规程”采用对角四分法，将 样品分层装入箱体，装样过程中陆续注水浸泡和夯实，尽量保证样品均匀和密实 性。 上述样品相关参数干密度：1 8 6 9 c m 3 、孔隙度3 0 5 、有效孔隙度1 8 8 。 ( 1 ) 分析项目及方法 此次实验铁离子的测定采用硫氰酸钾比色法，曝气装置采用空压机( 电磁式 空气泵) 。 ( 2 ) 实验装置进水之前，检测滤料的背景值( 总铁离子的含量) 。 用一只2 0 0 l 左右的塑料桶( 2 只) ，装3 4 桶实验用砂进水浸泡，分别浸泡 1 7 个小时和4 0 个小时，分别检测铁离子浓度，因为本次实验的关键地方是初期 是否能溶滤出铁离子，如果没有这个作为背景值，