淺層地下水取水工程綜述

葉成明,李小杰,劉迎娟

(1.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉,湖北武漢 430074;2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北保定 071051)

淺層地下水取水工程綜述

葉成明1,2,李小杰2,劉迎娟2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉,湖北武漢 430074;2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北保定 071051)

闡述了近些年興起的多種淺層地下水取水工程,包括滲流井取水工程,大口井 -輻射井取水工程,豎井匯流取水工程,庭院式分散農(nóng)戶和小型集中供水取水工程,以及水平井取水工程。介紹了各類取水工程的原理、適用條件和主要優(yōu)點,并列舉了部分工程實例。

淺層地下水;取水工程;分析

我國是世界 13個嚴(yán)重缺水的國家之一,不僅缺水人口多,而且缺水分布范圍廣,僅陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆、內(nèi)蒙古、山西、遼寧、四川、重慶、云南、貴州和廣西等西部 13省 (區(qū)、市),嚴(yán)重缺水區(qū)面積就達(dá) 217×104km2,缺水人口約 4000萬。為緩解缺水地區(qū)人、畜飲用水緊張狀況,作為重要地下水資源的淺層地下水的開發(fā)利用越來越得到人們的重視。在淺層地下水取水工程中,除傳統(tǒng)的管井取水工程外,近些年來,針對淺層地下水埋藏淺、出水量小、容易受到污染等特點,通過廣大水文地質(zhì)工作者和工程技術(shù)人員的努力,開發(fā)出了滲流井取水工程、大口井 -輻射井取水工程、水平井、庭院式分散農(nóng)戶和小型集中供水取水工程等一系列適合不同水文地質(zhì)條件的淺層地下水取水工程技術(shù)。本文將收集資料進(jìn)行整理,介紹給讀者,以期能夠給予從事淺層地下水開發(fā)的工作者一些借鑒。

1 滲流井取水工程

1.1 原理及滲流井結(jié)構(gòu)

滲流井是一種集大口井、集水廊道和輻射孔為一體的傍河 (江、水庫)綜合性水平集水工程。它利用江河 (水庫)床底部沖積砂卵礫石層的濾凈有效特性、河流的大補(bǔ)給量和自凈作用采取江河水或者地下水。

滲流井由集水豎井、輸水平巷和滲流孔群組成。集水豎井傍河 (江、水庫)岸修筑,一般豎井凈徑 3～5 m。輸水平巷在河床底部垂直河流方向開挖,平巷斷面一般 2 m×2.5 m。滲流孔直徑 110～130 mm。為不影響濾床的結(jié)構(gòu)和性能,滲流井的仰角一般不大于 30°。滲流井取水工程平面圖如圖 1所示。

圖 1 滲流井取水工程平面圖

1.2 適用條件

(1)河床底部具有排列有序的砂礫石層,并達(dá)到一定厚度,一般在 4～5 m;

(2)砂礫石層具有穩(wěn)定的面積;

(3)能夠生成生物泥膜覆蓋于砂礫石層表面或分布于各卵礫石之間,形成天然生物濾膜;

(4)有足夠量的地下水或源水;

(5)河床的水流與滲流能夠形成錯流。

1.3 主要優(yōu)點

(1)出水量大、使用壽命長、維護(hù)方便、運行成本低;

(2)水質(zhì)好、不用增設(shè)人工濾層;

(3)采用滲流井取水工程開采地下水,不僅可以充分截取地下水的潛流,而且可充分激發(fā)地表水(河流和水庫)的補(bǔ)給;

(4)采用天然濾床滲流井取水工程開采地下水不會產(chǎn)生大面積降“漏斗”,避免土地沙化,有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

1.4 工程實例

陜西富縣城區(qū)地處洛河河谷區(qū),含水層厚度薄,一般小于 15 m,不適宜于管井取水。該縣為典型的黃土地貌,洛河流量變化大,降雨易形成洪流,對河床的沖刷力極大。根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件及具體特點,在縣城設(shè)計、實施了滲流井取水工程。工程結(jié)構(gòu)如圖 2所示。施工結(jié)果,單井出水量達(dá) 3264 m3/d。

圖 2 滲流井結(jié)構(gòu)示意圖

2 大口井 -輻射井取水工程

2.1 原理

大口井 -輻射井取水技術(shù)是在一個具有較大直徑和一定深度的豎井底部,沿井壁四周的含水層施工輻射孔 (地層不穩(wěn)定時,在輻射孔內(nèi)安放小直徑濾水管或分枝管),通過輻射孔以穩(wěn)定的流量將含水層中的水集中到大口井中的取水方法。

大口井直徑從幾米至十幾米,深度取決于取水層的深度,最深可達(dá)幾十米。輻射孔呈輻射狀伸展,長度一般 20～30 m。

2.2 適用條件

大口井 -輻射井適用于含水層有一定的厚度,富水性較差的平原區(qū)和河谷地區(qū)。如果建在附近有水源補(bǔ)給的地方效果會更加。

2.3 主要優(yōu)點

(1)施工成本低。

(2)集水效率高。由于輻射孔的作用,過水面積增大,出水量提高。

(3)維護(hù)維修方便?？朔司谶M(jìn)水孔易于堵塞和不能清理的缺點。

2.4 工程實例

陜西省地勘局 908水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊在陜西安塞縣北的李家溝與延河交匯部位建立了一處大口井 -輻射井取水工程。大口井深度 15.0 m,10.5 m以上用塊石砌護(hù),在大口井底部傾斜向上施工輻射孔 4個。結(jié)構(gòu)剖面如圖 3所示。該井潛水水位埋深 5.7 m,抽水動水位 10.8 m,涌水量 402 m3/d。

圖 3 安塞縣大口井 -輻射井結(jié)構(gòu)剖面圖

3 豎井匯流取水工程

3.1 基本原理及布置形式

豎井匯流取水工程的基本原理是沿河谷區(qū)布置彼此相距一定距離的豎井井排,豎井包括大口徑豎井和小口徑豎井,各豎井間用輻射孔連通,并在大口徑豎井中施工一定數(shù)量的輻射孔,使地下水從豎井和輻射孔匯入抽水井內(nèi),以增大地下水開采量。井排布置方向大致與河流方向平行,井間距 15～25 m。

3.2 優(yōu)點

豎井匯流的建設(shè)成本低,取水效果較好。

3.3 工程實例

陜西省延長縣城位于延河附近,淺部風(fēng)化殼裂隙潛水淺于 15 m,存在延河水的側(cè)向補(bǔ)給,根據(jù)條件,在延河岸邊施工了由 11口豎井組成的豎井匯流取水工程。取水工程如圖 4所示。工程完成后,用7號井作為抽水井進(jìn)行抽水試驗,涌水量達(dá) 227.28 m3/d。

4 庭院式分散農(nóng)戶和小型集中供水取水工程

4.1 適用條件

圖 4 延長縣豎井匯流取水工程示意圖

庭院式分散農(nóng)戶和小型集中供水取水工程適用于川、渝紅層地區(qū)淺層地下水開采。該取水工程是嚴(yán)重缺水地區(qū)地下水勘查示范中首創(chuàng)的一種地下水取水模式。

川、渝紅層主要分布于四川盆地的中部和東部,盆地多以丘陵為主,部分為低山。紅層地區(qū)農(nóng)村居住分散,而紅層淺層風(fēng)化裂隙水和淺層承壓水賦存量小且分散,絕大部分地區(qū)單井出水量都在 5 m3/d左右,這種地下水資源條件正好與農(nóng)村居民分散的特點相吻合,為開發(fā)利用這種少且又寶貴的地下水解決長期干旱缺水地區(qū)人民的飲用水困難,經(jīng)過地質(zhì)工作者的探索,創(chuàng)立了庭院式分散農(nóng)戶和小型集中供水取水工程。

4.2 優(yōu)點

(1)能有效地利用地下水資源解決長期干旱缺水地區(qū)人民的飲用水困難;

(2)施工工藝簡單;

(3)建設(shè)成本和使用成本低,一般情況下每眼井的建設(shè)成本約 1000元,每月的使用成本 10多元,就一般農(nóng)村居民而言均能承受。

4.3 取水工程結(jié)構(gòu)

庭院式分散農(nóng)戶和小型集中供水工程為小井徑淺井、小直徑螺桿潛水泵取水結(jié)構(gòu),井徑 150～110 mm,井深 15～25 m。采用 30型回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆孔成井,鉆穿上部松散層深入基巖 2～3 m后用保護(hù)套管作永久止水。成孔后主要含水層下圓孔過濾器,井底下 5 m同徑沉砂管,螺桿潛水泵 (0.3～1 m3/h)放置深度一般 15～20 m。

4.4 工程實例

2001年,中國地質(zhì)調(diào)查局、四川省地調(diào)院在四川省南充市嘉陵區(qū)、西充縣,重慶市璧山、銅梁縣等嚴(yán)重缺水地區(qū)開展庭院式分散農(nóng)戶和小型集中供水工程示范,施工淺井 6000多眼,90%的井位于溝谷兩側(cè)或坡麓地帶,井深一般 18～20 m,單井出水量 1～10 m3/d,少數(shù)井大于 20 m3/d,成功率為 95171%,解決了近 5萬人的生活飲用水困難,收到良好的社會效果。

5 水平井取水工程

5.1 原理

水平取水井是將過濾器沿含水層水平方向或與地面成一定傾斜角度安裝而形成的供水井。水平井可以以盲孔形式成井(單一掘進(jìn)工作面成井),或以相對布孔的形式成井 (連續(xù)的或雙面成井)。水平井結(jié)構(gòu)如圖 5所示。如采用無線導(dǎo)航定向鉆進(jìn)施工,水平井過濾器安裝深度一般 10～15 m,如采用有線導(dǎo)航定向鉆進(jìn)方法施工,過濾器安裝深度可以大于 15 m。視施工設(shè)備能力,過濾器安裝長度可達(dá)幾十米,甚至上百米。

圖 5 水平井結(jié)構(gòu)示意圖

5.2 適用條件

水平井適用于含水層有一定的厚度,富水性較差的平原區(qū)和河谷地區(qū)。特別適合于淺層低滲透性含水層地下水開采。

5.3 主要優(yōu)點

(1)開采效率高。由于過濾器水平安裝于含水層中,可獲得較大的過水面積,使水井的出水量增大,開采效率得到提高。

(2)大規(guī)模取水投資少。雖然建造一口水平井的費用比建造一口垂直井的費用高,但需水量較大時,水平井建造數(shù)量比垂直井少得多,因此,總的取水投資比垂直井省。

5.4 工程實例

2009年,在河北省廊坊市實施了一眼水平井。地層巖性自地表依次為雜填土、粉土、粉質(zhì)粘土和中粗砂及粉質(zhì)粘土等,取水目的層為 7.1～10.2 m(厚度 3.1 m)中粗砂層段。設(shè)計水平井鉆孔軌跡如圖 6所示,實際成井結(jié)構(gòu)如圖 7所示。

水平井成井后,經(jīng)與同時施工的取同一目的層水的垂直井抽水試驗對比 (見表1),由抽水試驗結(jié)果可見,水平井出水量比垂直井增大 72%,出水量增大效果明顯。

圖 6 水平井設(shè)計鉆孔軌跡

表 1 水平井與垂直井抽水試驗結(jié)果

圖 7 水平井成井結(jié)構(gòu)示意圖

6 結(jié)語

滲流井取水工程、大口井 -輻射井取水工程、豎井匯流取水工程、庭院式分散農(nóng)戶和小型集中供水取水工程、水平井取水工程各有特點,有它們各自的適應(yīng)條件,在選用時應(yīng)注意。另外,不同的取水工程的造價也相差很大,應(yīng)用時應(yīng)該在經(jīng)濟(jì)能力范圍內(nèi)選取取水效率最優(yōu)的方法。

[1] 陳臺智,周志彰.開拓供水新領(lǐng)域施工天然濾床滲流井取水工程[J].探礦工程,1995,(1).

[2] 何慶成,張進(jìn)德.水平井技術(shù)在地下水和土體污染治理中的應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),1999,(3).

[3] 李炳平,葉成明,等.水平定向鉆井技術(shù)在淺層低滲透性含水層地下水開采中的試驗研究[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2010,(10).

[4] 田寧寧,王凱軍.大有利用前景的水資源:淺層地下水[J].環(huán)境保護(hù),2001,(7).

[5] 中國地質(zhì)調(diào)查局.西部嚴(yán)重缺水地區(qū)人畜飲用地下水勘查示范工程[M].北京:中國大地出版社,2002.

Summarization of Shallow Groundwater Intake Project

YE Cheng-ming1,2,LI Xiao-jie2,LIU Ying-juan2(1.China U-niversity of Geosciences,Wuhan Hubei 430074,China;2.Center for Hydrogeology and Environmental Geology,CGS,Baoding Hebei 071051,China)

Many new methods of shallow groundwater intake project develop fast in recent years,including seepage well,large2diameterwellwith radiation wells,confluence wells nearby river,household well and small concentrated water sup-ply.The operating principles,the application conditions and advantages of these water intake methods are discussed in this paperwith some successful engineering cases.

shallow aquifer ground2water;water intake project;analysis

TU991.12

A

1672-7428(2011)06-0029-04

2010-12- 15;

2011-03-08

葉成明(1963-),男 (漢族),重慶人,中國地質(zhì)大學(xué) (武漢)博士在讀,中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心教授級高級工程師,地質(zhì)工程專業(yè),從事水文水井鉆進(jìn)技術(shù)及成井工藝的研究與應(yīng)用工作,河北省保定市七一中路 1305號水環(huán)中心。