輻射井技術(shù)在濱州市黃河灘地地下淡水資源開發(fā)中的應(yīng)用

張利紅，魏俊芳，董 睿

（1.濱州市水文水資源勘測局，山東 濱州 256609；2.濱州市海河管理局，山東 濱州 256609）

山東省濱州市位于黃河三角洲腹地，地處退海之地，地下水受海水影響顯著，除局部存在少量的地下淡水外，絕大部分地下水體是富含鹽堿的苦咸水，不具備飲用水功能，是山東省地下淡水資源最緊缺的地區(qū)之一。多年來，濱州市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民日常生活用水主要依靠黃河客水，雖有徒駭河、馬頰河、德惠新河、沙河、潮河、小清河等多條河流，但河道以排澇、排堿、排污為主，地表水污染嚴(yán)重，常年為Ⅴ類水質(zhì)，失去飲用水功能。在黃河不斷流、準(zhǔn)許引水的情況下，濱州市的供水是有一定保障的，但如果遇到特殊干旱年份或黃河突發(fā)污染事故時，濱州市的飲用水安全將會受到較大的威脅，而且上世紀(jì)90年代以來，黃河流域因上中游引水量激增，黃河來水量日益減少，已經(jīng)成為阻礙濱州市經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展和居民生活水平提高的重要因素。因此，進(jìn)行黃河灘地地下淡水資源的開發(fā)利用，用于濱州市城區(qū)及附近村莊居民的生活用水，對減少當(dāng)?shù)卣{(diào)蓄水量的消耗、降低地下水開采量、緩解濱州市水資源供需矛盾具有重要的經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實意義，必將帶來較大經(jīng)濟(jì)和社會效益。

黃河河床及其灘地下面埋藏的淡水資源常年接受黃河水的補(bǔ)給，是一個穩(wěn)定的地下水庫，是較好的飲用水源。在黃河灘地開采利用地下水，有利于地表水的補(bǔ)給，同時避開了水質(zhì)污染，能夠提高飲用水供給的保障能力。但是，開發(fā)利用地下水資源必須選擇正確的取水構(gòu)筑物，才能發(fā)揮出好的效益。以下就濱州市沿黃河灘地及河床淺層地下淡水資源開發(fā)利用的取水方式和產(chǎn)水量分別加以分析計算。

1 取水工藝

1.1 取水方式的選擇

傍河取水屬于淺層取水，除管井之外，還有滲渠、截流和輻射井等方式。在黃河下游的灘地上，由于特殊的水文地質(zhì)條件，用管井等傳統(tǒng)的取水方式開發(fā)淺層淡水資源是不適宜的，因為這里含水砂層顆粒細(xì)，最粗的是細(xì)砂；淡水體埋深淺，下部又有咸水，最深處為40～50 m。用管井取水受到深度和管徑的限制，水量不會太大，達(dá)不到供水的目的和要求。以往施工的管井有許多在成井過程中不是水量少就是涌砂嚴(yán)重而報廢。少數(shù)成功的水源井，由于其深度已經(jīng)接近下部咸水層，抽水時間加長后，也會出現(xiàn)水質(zhì)變咸的現(xiàn)象。

在黃河灘地上由于地下水水力坡度很小，進(jìn)行潛水截流不但投資大，而且效益很低，所以不能采用。

在河床及灘地上修筑滲渠，需要開挖的土方量非常大，水下開挖土方難度也很大，深度也只有3～5m，而且必須在黃河斷流期間進(jìn)行，鋪設(shè)大口徑墊筋包網(wǎng)式的濾水管，管外填充數(shù)量很大的礫料。黃河來水時容易把礫料沖走，造成滲渠報廢。1992年6—7月，勝利油田在墾利縣路家莊修筑的滲渠就出現(xiàn)了上述情況。修筑滲渠費時費工，造價昂貴，容易失敗，所以不能采用。

輻射井是由大口徑混凝土豎井管和堅井內(nèi)含水層位置處水平方向布設(shè)的多根輻射管組成，由于水平管呈輻射狀分布，故稱輻射井。輻射井具有單井出水量大、使用壽命長、管理維修方便、占地少、成本低、適用地層廣等特點。在黃河灘地利用輻射井進(jìn)行傍河取水，可以完全克服管井、截流及滲渠的各項缺點。在淡水體埋深范圍之內(nèi)，輻射井集水井的深度可以任意選擇，以便避開下部咸水的影響。水平輻射管設(shè)在河床及灘地下面，能夠最大限度地提取最佳部位的淡水資源，還能夠最快地得到黃河水的補(bǔ)給。水平輻射管的長度可以盡最大努力延長，增加進(jìn)水面積，提高產(chǎn)水量，輻射井比同深度的管井水量可以大幾倍、幾十倍。所以，在黃河灘地利用輻射井傍河取水比其他取水構(gòu)筑物具有明顯的優(yōu)勢，在技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上也比較合算。

1.2 輻射井位置選擇原則

進(jìn)行傍河取水，輻射井位置的選定十分重要。如果井位選擇不好，會直接造成水量小，滿足不了需水要求，同時還會出現(xiàn)水質(zhì)變咸，使供水水質(zhì)達(dá)不到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，情況嚴(yán)重者還會使輻射井無效而報廢。因此，位置布設(shè)應(yīng)根據(jù)水源地水文地質(zhì)條件分析，遵循以下原則布設(shè)：

（1）輻射井要布設(shè)在導(dǎo)水性富水性最好的地段，保證輻射井的最大涌水量。

（2）盡量靠近河床布井，水平輻射管深入河床及灘地下面的含水層中，這樣不僅能最大限度地汲取河床滲透水和灘地地下水，最快地接收到黃河水的激發(fā)補(bǔ)給，還使輻射井處在距離兩邊大堤以外咸水邊界最遠(yuǎn)的位置上。輻射井形成最大降落漏斗時，下部及外部的咸水一般不會進(jìn)入到輻射井中使水質(zhì)變咸。

1.3 井深井距設(shè)計

根據(jù)水文地質(zhì)條件，研究范圍內(nèi)地面12～16 m以下為粉細(xì)砂含水層，以上為粉土、粉質(zhì)粘土層。井的深度越深，含水層透水性越好，水量越大。但是，根據(jù)物探測定，研究范圍地面以下50 m左右為咸淡水分界面，以上為淡水，以下為暫時不能利用的咸水。開采上部淡水，如果不慎很容易使下部咸水入侵，使井內(nèi)水質(zhì)變壞，水源井報廢。另外，目前輻射井的技術(shù)水平還不能在很深的集水井中施工水平輻射管，若在水頭壓力過大的集水井內(nèi)施工則容易發(fā)生井噴?？紤]上述問題，設(shè)計井深不宜超過35 m，水平輻射管層次和根數(shù)以砂層厚度為原則，水平輻射管長度以技術(shù)能力為原則，力求越長越好。輻射井旁可設(shè)1～3 眼滲水井，井深 30～40 m，井徑 800～1 000 mm，主要用于打穿含水層上部的粘土層，使地面水順利滲入含水層中補(bǔ)充地下水。

2 輻射井產(chǎn)水量分析

2.1 輻射井涌水量計算方法

輻射井出水量和其周圍水位變化的計算是十分復(fù)雜的，國內(nèi)外的學(xué)者對輻射井出水量的研究做了大量的工作，并取得了一定的成果。從現(xiàn)有的資料看，關(guān)于輻射井涌水量的計算公式有20多個，大致分為兩類，一是經(jīng)驗公式，二是半理論半經(jīng)驗公式。目前，國內(nèi)多數(shù)采用等效大口徑法進(jìn)行計算，這種公式簡單方便，雖然有一定的誤差，但作為黃河灘地進(jìn)行地下水開發(fā)利用輻射井涌水量的初步估算是可以的。計算公式分別如下：

（1）潛水完整井出水量的計算公式為：

式中：Q為輻射井出水量 （m3/d）；K為滲透系數(shù)（m/d）；S0為水位降深（m）；H 為含水層厚度（m）；R 為輻射井影響半徑 （m），按經(jīng)驗公式計算，取R＝10S0+L；rf為等效大口井半徑（m），當(dāng)水平輻射管等長度時取rf=0.251/nL，當(dāng)水平輻射管不等長度時取rf=2ΣL/3n；n為水平輻射管根數(shù)；L為單根水平輻射管長度（m）。

（2）承壓井出水量的計算公式為：

式中：M為承壓含水層厚度 （m）；其余符號意義同上。

（3）潛水非完整井出水量的計算公式為：

式中：m為水平輻射管距不透水頂部的距離（m）；其余符號意義同上。

2.2 輻射井產(chǎn)水量分析

根據(jù)1999年勝利油田已建成的兩口輻射井的抽水實驗資料結(jié)果可知，一口井在降深17m時，出水量為 154 m3/h（3 696 m3/d），單位出水量 9.06 m3/（h·m）；一口井在降深27 m時，出水量為268.9 m3/h（6 453 m3/d），單位出水量 9.96 m3/（h·m）。兩眼輻射井如果控制降深在28 m左右，則出水量均超過6 000 m3/d。這一數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用其他井型同深度井所得到的最大水量。

由此可見，根據(jù)黃河灘區(qū)含水層分布布設(shè)一定數(shù)目的輻射井，產(chǎn)水量達(dá)到供水要求和實現(xiàn)集中向城區(qū)供水是完全可能的。

3 黃河灘地地下水開發(fā)利用方式可行性及效益分析

由于黃河灘地含水層埋深淺、顆粒細(xì)、厚度薄、富水性弱，所以不宜采用傳統(tǒng)的取水方法。因為輻射井具有單井出水量大、使用壽命長、管理維修方便、占地少、成本低、適用地層廣等特點，特別是輻射井是靠由水平方向埋設(shè)的水平輻射管取水，在黃河下游灘地和周圍都是咸水的地區(qū)，只有輻射井既能很好地控制井深，防止咸水入侵，又能有效地開采地下水，所以輻射井是黃河下游灘地淺層地下水開發(fā)利用的理想井型。利用輻射井技術(shù)開發(fā)黃河灘地淺層地下淡水資源是可行的有效方法，是值得推廣的。

用黃河水作為供水水源，要修筑平原水庫，將黃河水通過渠道引入水庫內(nèi)進(jìn)行沉淀、凈化和消毒后供給用戶，其投資數(shù)量很大，而利用輻射井傍河取水工程取水（包括水文地質(zhì)勘察、輻射井工程建設(shè)、地面供水及消毒設(shè)施的配套）總投資不到水庫供水投資額的1/4。由此可見，黃河灘地輻射井傍河取水的經(jīng)濟(jì)效益是十分可觀的，而且這樣取水使地下水通過地層自然過濾后其水質(zhì)比地表凈化水要好得多。

4 建議

進(jìn)一步提高輻射井的施工工藝，加強(qiáng)輻射井的運行管理。加強(qiáng)水平輻射管打進(jìn)長度和口徑加大的研究，并進(jìn)一步研究水井布局、打井深度及運行措施的合理性。開采過程中，輻射井的運行要使地下水形成與河流方向平行的長條形漏斗，才能促使河水激發(fā)補(bǔ)給量加大，保證輻射井運行處于良性狀態(tài)中。