關于垂直取水工程的研究進展

龔孟梨

（山西省西山提黃灌溉工程建設管理中心 山西太原 030002）

0 引言

我國古人很早就開始使用水井開發(fā)利用地下水，歷年抗旱斗爭表明，井灌（垂直取水工程）是我國北方地區(qū)發(fā)展的重要水利措施之一。在垂直取水工程中，按井徑的大小可分為管井及大口井，一般適用于家庭生活用水和灌溉用水。在《機井技術規(guī)范》（GB/T50625-2010）中，定義管井為井較深，井徑較小，由井口、井壁管、過濾器及沉淀管組成的水井。定義大口井為井徑大于2 m的水井。

管井宜布局在平原、高原、山區(qū)、沙漠、階地等地區(qū)，可用于開采各種埋藏深度的地下水。大口井是傍河取水方式中一種較為常見的取水方式，主要應用在以下幾個方面：1）含水層薄、滲透性好、地下水補給豐富，河漫灘、山前淺層地下水洪積扇及一級階地、干枯河床及古河道地段；2）地下水埋藏較淺、比較厚的基巖風化裂隙層、有豐富的補給源地段；3）含水層為中細砂、采用其他取水建筑物容易侵蝕沙地的地段；4）淺層地下水含有較高含量的鐵、錳及腐蝕性二氧化碳等對井管高度腐蝕作用的地區(qū)。與其他取水方式相比，大口井具有水量穩(wěn)定、水質保證、項目投資少、使用壽命長、運行費用低、耐腐蝕等優(yōu)點，具有較大的優(yōu)越性。

以管井為關鍵詞進行搜索，2010年至今共有128篇相關文獻；以大口井為關鍵詞進行搜索，2010年至今共有30篇相關文獻。研究學習發(fā)現(xiàn)，垂直取水工程已經(jīng)在多領域得到了有效應用。符勇等人在郭灘水源進行了大口井和傍河取水方式的嘗試，實踐表明如果水文地質條件允許，大口井可用于對水質要求比較高的居民生活用水[1]。梁雪坷通過一系列計算表明，白灣集鎮(zhèn)外部引水工程的水源點地形陡峭，采用大口井取水型式有效地兼具了沉沙作用，可在山區(qū)工程中推廣應用[2]。王科新等通過試驗表明修建無砂混凝土大口井在無客水來源，且地下水位埋藏較淺、含水層滲透性較強的丘陵、山區(qū)具有較好的使用價值和推廣價值[3]。

1 垂直取水工程的研究進展

1.1 管井

在2002年，張錫范通過對大量管井的調查，對供水管井進水流速的定義及其計算進行了探討，并進行了復核計算，提出并論證了與我國工程實際情況相符的允許過濾管進水流速計算公式、允許井壁進水流速計算公式[4]。在2004年張錫范通過對供水管井井水含砂量標準的制訂依據(jù)、標準制訂的影響因素進行探討，進一步提出了“井水含沙量歷時曲線”；在對我國管井施工及運行進行大量調查的基礎上，提出了我國供水管井井水含沙量的新標準[5]。2005年，張錫范又針對管井過量抽水的問題，首次提出了過濾管進水能力和井壁進水能力的確定方法，并明確了管井出水能力、管井設計出水量的概念[6]。2010年，高海東分別計算了考慮井損以及忽略井損情況下的承壓水和潛水抽水井的貯水率、滲透系數(shù)和給水度，并得出結論：考慮井損的各參數(shù)值比忽略井損的各參數(shù)值大，同時井損對承壓水的抽水試驗比潛水的影響小[7]。

1.2 大口井

1994年，柳理華等先后通過一系列實驗推導出大口井不同井型的流量計算公式，研究表明進水斷面是影響出水量的重要因素，長方形井型結構下的單井出水量、儲水量與進水斷面均呈正比關系，長方形大口井與截流工程相結合的取水方式，可以擴大進水斷面，具有出水量大、節(jié)省用地和減少投資等特點[8-9]。1999年，沈綱從自然條件、設計情況到運行管理方面，分別論述了對大口井出水量的影響，對大口井的管理提出了建議，給出了取水的有力條件[10]。

研究學習發(fā)現(xiàn)，早些年對于管井及大口井研究主要集中在對抽取地下水出水量的確定方面，包括滲透系數(shù)、給水度、流速、出水量等。作為傍河最常用的取水方式，大口井的工程設計以及水量計算方法已經(jīng)較為成熟，成為傍河各種取水工程取水量評估的主要方法。近年來，在人口密集的地區(qū)地下水被過度開采，導致地下水位持續(xù)下降，地下水位漏斗不斷擴大，甚至在部分地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了地面沉降以及裂縫等較為嚴重的地質環(huán)境問題。目前國內外眾多學者主要研究方向正在轉向新型取水技術，即集取河床滲透水的大口井，大部分是將天然河床作為濾床，達到凈化水資源的目標，并利用天然河床滲流取水工程，攔截由河流水體底部含水層滲入的滲率水，從而將地表水轉化為地下水，以此獲得良好水質的地下水。

傅勇等結合項目實際情況表明，大口徑管井水質好，水量大，可定期供水，是解決生活用水的有效途徑。

符勇等結合工程項目實際情況，論證了大口徑管井水量能夠得到周期性補給，且取水水質好，水量大，是解決生活用水的有效途徑[1]。張麗萍等對傍河取水工程中用定降深公式計算的出水量及模型預測大口井出水量進行了對比，研究表明采用模型對大口井出水量的預測更為準確[11]。王允麒等通過對隔水邊界附近取水井集水流網(wǎng)與集取河床滲透水大口井集水流網(wǎng)的對比分析，應用滲流理論的鏡像法與勢流疊加原理，得到了適用于集取河床滲透大口井的出水量計算模型[12]。王全金利用有限單元法和解析法對層狀含水層條件下大口井出水量進行了計算，結果表明有限單元法計算大口井出水量精度高，并且可適用于各種不同介質滲流和復雜邊界條件[13]。王新娟等人在水文地質概念模型的基礎上研究建立了三維地下水流數(shù)值模擬模型，并模擬計算出了大口井回灌的水位變化情況，結果表明建立的模型可用于大口井回灌的水位預報[14]。

1.3 大口輻射井

一系列的實踐經(jīng)驗證明，大口井運用一定時間后，會有不同程度的淤塞，從而出水量會大大降低。眾多水文地質學家已經(jīng)通過大量的理論探討和工作時間證明：大口徑輻射井技術可以用于增加單井出水量。大口井輻射井是以傳統(tǒng)的大口井為基礎，在井下部的井筒中增加了多個集水管，并將其整個徑向延伸到蓄水層中，使地下水流入集水管中并最終進入取水井中。

羅向東等通過在原有大口井中打輻射管將其變?yōu)榇罂谳椛渚姆绞?，使得改造后涌水量接近設計涌水量，提高其供水能力[15]。劉慶華通過試驗表明大口輻射井的單井出水量比同類型大口井增加1.5～2.0倍，且出水量穩(wěn)定，水質良好，并根據(jù)已有大口井條件，增加輻射管，建立數(shù)學計算公式，得到多組輻射管長度與取水量的計算結果[16]。胡興義運用輻射管與管棚護壁的新方式，通過抽水試驗得到最大允許開采量遠遠大于居民用水需求，并且由該種取水方式得到的水質清潔，滿足用水標準[17]。薛宏智等針對大口輻射井三維滲流的特點，建立了針對單層輻射管均勻布設輻射井的抽水降落曲面模型，并將其運用到陜西乾縣試驗區(qū)，用抽水試驗的實測資料進行了檢驗，擬合效果良好，可以較真實的反映實際地下水分布情況[18]。陳鵬等通過分析大口輻射井的井流特征，建立了“滲流-管流耦合取水模型”，結合陜西府谷墻頭水源地的水文地質結構及有關參數(shù)，對大口輻射井的模擬效果進行了分析，確定了最終開采方案及允許開采量[19]。潘治霖通過室內砂槽模擬得到的取水效果，建立了“滲流-管流耦合模型”，得到了不同的取水條件，各因素與輻射井取水量的關系曲線，表示在飽和情況下，豎井降深與取水量呈線性關系[20]。

2 建議與展望

通過對國內傳統(tǒng)管井、大口井及大口輻射井的研究文獻進行系統(tǒng)分析，可以發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)管井的管徑小，單井出水量較小，一般用于灌溉及生活用水，比較適合分散開采；大口徑輻射井的管徑大，單井出水量較大，可滿足大多數(shù)情況下的供水需求，主要用于灌溉、生活及工業(yè)用水，比較適合集中管理。目前，垂直取水項目的研究主要集中在工藝研究和水量計算這兩個方面，水量計算多是采用以地下滲流理論為基礎的水量計算法。

采用傍河取水的方式開采地下水時，可以采用人工濾料來凈化河水，通過研究含水層的淤塞機理、水流狀態(tài)、濾料滲透性的影響、水質發(fā)生改善的機理等，探討技術可靠，成本較低的凈水工藝技術，不僅是凈水理論和技術發(fā)展的需要，更具有重要的經(jīng)濟價值和社會意義。而針對地表水轉化為地下水的凈化機理、滲流場特征、滲流場變化規(guī)律、天然河床及濾層的淤塞機理、預測及防治等方面缺乏較為系統(tǒng)的研究，需要在逐步應用中得到進一步研究。