安徽淮北平原節(jié)水灌溉機井井水泥砂控制技術(shù)研究

，

(1．安徽省阜陽市潁泉區(qū)水務(wù)局，安徽 阜陽 236002；2．安徽省水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 區(qū)域概況

1.1 機井灌溉概況

安徽淮北平原位于淮河流域中下游，淺層地下水主要含水層組巖性為粉細(xì)砂、粉砂、亞砂土層。據(jù)在不同水文地質(zhì)分區(qū)布設(shè)勘探孔采集含水層原狀巖芯顆粒級配分析資料，粒徑φ<0.075 mm粉粒重量占15%～45%，φ=0.075～0.15 mm粉砂重量占30%～45%。 80～90年代以來，多龍治水，該區(qū)域已打農(nóng)灌機井20多萬眼，但由于缺乏適合本區(qū)水文地質(zhì)條件的機井技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，尤其缺乏機井井水泥砂控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為追求單井出水量，使用無砂混凝土井管，濾料普通采用碎石子(D50=6～8 mm)或瓜子片，少數(shù)采用“米石”(D50=3～5 mm)，洗井或開采時井水非常渾濁，泥砂含量高達(dá)6/1 000～12/1 000，井筒附近粉細(xì)砂、粉砂、亞砂土等含水層被淘空，導(dǎo)致淤井、塌井、泵毀、井房傾倒等事故頻發(fā)?；幢逼皆┠陙磙r(nóng)灌機井完好率低于50%，部分農(nóng)灌機井幾乎是前面打后面毀，平均使用“壽命”不到3～5 a。

1.2 地下水主要含水層分區(qū)

安徽淮北平原淺層地下水主要含水層組埋藏深度0～50 m。按含水層組巖性、厚度與單井涌水量、單位涌水量大小可劃分為富水區(qū)、中等富水區(qū)、弱富水區(qū)及貧水區(qū)，見表1。富水區(qū)和中等富水區(qū)分布于古河道地帶，呈條帶狀、透鏡體狀分布，面積約1.3萬 km2，占淮北平原總面積的35.6%，弱富水～貧水區(qū)分布面積2.3萬 km2，占總面積的64.4%。

2 高效節(jié)水灌溉工程發(fā)展及井水泥沙含量控制技術(shù)研究目的

隨著“農(nóng)田水利工程高效農(nóng)業(yè)保障區(qū)”“特色農(nóng)業(yè)種植區(qū)”節(jié)水井灌工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展，高效節(jié)水井灌工程正在大力推廣?，F(xiàn)狀機井井水泥砂含量高，滴灌、微噴或固定半固定式噴灌工程系統(tǒng)的管網(wǎng)、噴頭等易被堵塞，對果蔬等有機農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)生污染。因此人們對機井井水泥砂含量指標(biāo)提出了較高的技術(shù)要求。《機井技術(shù)規(guī)范》SL256-2000，提出井水泥砂含量指標(biāo)δ≤1/20 000，僅適用于中細(xì)砂含水層 。本區(qū)域淺層地下水含水層組巖性主要為粉細(xì)砂、粉砂、亞砂土層，應(yīng)研究制訂適合于本區(qū)節(jié)水灌溉機井井水泥砂含量指標(biāo)，以滿足本區(qū)節(jié)水井灌工程的設(shè)計、施工、管理部門對井水泥砂含量控制技術(shù)及其指標(biāo)的需求。為此，對井水泥砂含量調(diào)控技術(shù)及其經(jīng)濟(jì)合理的泥砂含量指標(biāo)，進(jìn)行了實驗研究，取得了初步技術(shù)成果。

表1 淮北平原淺層地下水富水性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

3 研究的內(nèi)容與方法

3.1 研究的主要內(nèi)容

(1)井深、井徑～δ關(guān)系研究(δ=泥砂體積/所含泥砂凈水體積的百分比)

(2)鉆孔直徑(Dn)、填濾厚度～δ關(guān)系研究

(3)濾料類型～δ關(guān)系研究

(4)洗井歷時(h)～δ關(guān)系研究

(5)洗井流量(Q)大小～δ關(guān)系研究

3.2 研究的方法

在阜陽市項目區(qū)選擇代表性的五個鎮(zhèn)(辦)12個行政村3類水文地質(zhì)單元，布設(shè)水文地質(zhì)勘探孔10眼，采集含水層原狀巖芯樣品進(jìn)行顆粒級配分析，結(jié)合前人研究的相關(guān)資料成果，劃分水文地質(zhì)單元。按水文地質(zhì)單元分區(qū)，先后布設(shè)35眼實驗機井，分組對不同井深、井徑、鉆孔直徑、濾料類型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及混合型)、填濾厚度及不同洗井流量與洗井歷時，進(jìn)行平行、正交組合實驗。通過各種組合試驗，擬定在定流量持續(xù)抽水24﹑48﹑60﹑72﹑90﹑120 h節(jié)點，及時采集水樣測定井水泥砂含量。濾料類型選擇由Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ、Ⅳ型→混合型，填濾厚度由150→200→250→300 mm，逐步深入研究。

本項目研究以地下水穩(wěn)定流理論方法為依據(jù)，現(xiàn)場進(jìn)行抽水試驗，采用單(主)井2個降深、定流量抽水試驗與二階梯流量抽水試驗方法相結(jié)合。對抽水試驗成果和機井井水泥砂含量及時予以分析評價。

項目平行﹑正交實驗總體布置及實驗參數(shù)如表2。

表2 各水文地質(zhì)單元實驗機井布置與實驗參數(shù)簡表

現(xiàn)場實驗共完成抽水試驗49組，測定S1～Q1，S2～Q2及動、靜(止)水位埋深等數(shù)據(jù)119組。繪制Q～S、S～Dn～Q等曲線；取樣測定井水泥砂含量47組；完成實驗機井濾料顆粒級配分析成果16組，10眼勘探孔含水層原狀巖芯取樣及其顆粒級配分析成果15組。

4 主要研究成果

4.1 井深、井徑～δ關(guān)系研究成果

在一定的水文地質(zhì)條件下，當(dāng)Q開值不變，若開采井含水層沿垂向均勻分布，機井打得越深，利用的含水層越厚，安裝的過濾管越長，同時井徑越大，則開采滲流場內(nèi)地下水流向井的滲流速度越小，由(1)式表達(dá)：

Q開=πDnLV滲

(1)

(1)式中：Dn為機井鉆孔直徑(m)；L為過濾管長度=含水層厚度(m)；V滲為井筒外側(cè)含水層與濾料界面滲流速度(m/s)。

顯然，當(dāng)Q開值不變時，DnL乘積越大，V滲越小。當(dāng)V滲≤V允時(V允為松散含水層允許的層流滲流速度)，井水中的泥砂含量自然降到某一穩(wěn)定的較小值。

若Q開超過開采含水層(或過濾層)穩(wěn)定的給水能力，或機井過淺，或井徑過小，則抽出的井水渾濁，泥砂含量超標(biāo)。

在伍明鎮(zhèn)彭莊村第一組合實驗中，同樣井徑包括鉆孔直徑相同，濾料相同(為Ⅰ型濾料)，經(jīng)過相等流量的洗井與抽水試驗，井水渾濁度與泥砂含量隨井深30→35 m→40→45 m遞減，井深40、45 m井水抽洗50 h基本變清，而井深30、35 m抽洗50 h尚未洗清。

考慮到一定區(qū)域水文地質(zhì)條件和節(jié)水井灌工程成本的制約，機井設(shè)計深度受到限制，淮北平原中南部宜井深度：富水區(qū)、中等富水區(qū)35～40 m，弱富水～貧水區(qū)40～45 m；西北部宜井深度，不同富水性分區(qū)宜井深度比中南部對應(yīng)各增加10 m左右。

4.2 填濾厚度～δ關(guān)系研究成果

通過實驗研究，在相同水文地質(zhì)條件及機井其他參數(shù)相同時，填濾厚度越大，井水泥砂含量越低。在弱富水～中等富水區(qū)，機井填入Ⅱ型濾料厚度150 mm與200 mm相比，洗井歷時45～50 h，其井水泥砂含量，前者是后者的3～4倍；而填濾厚度200 mm與250 mm相比，其井水泥砂含量前者是后者的2～3倍。

在弱富水區(qū)布設(shè)節(jié)水灌溉機井時，填濾厚度要比中等富水區(qū)大一些，中等富水區(qū)填濾厚度以200～250 mm為宜，弱富水區(qū)填濾厚度250～300 mm最佳，貧水區(qū)要用節(jié)水井灌解決問題，機井的填濾厚度應(yīng)不小于300 mm。

4.3 濾料類型～δ關(guān)系研究成果

通過各個水文地質(zhì)分區(qū)分組組合實驗得知，在同一富水性小區(qū)及井深、井徑、鉆孔直徑相同等條件下，濾料類型由O→Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ型，即由粗→細(xì)，顆粒級配愈合理，井水泥砂含量及渾濁度由高變低，井水愈趨近于水清砂盡。

綜合上述實驗成果：在中等富水區(qū)，選擇Ⅱ型濾料為宜，弱富水區(qū)選擇Ⅲ型濾料最佳；在貧水區(qū)含水層主要巖性為粉砂、亞砂土，應(yīng)選用Ⅳ型或亞Ⅲ型濾料(D50=1.40～1.45 mm，D60=1.70～1.80 mm，D10=0.25～0.30 mm)。Ⅲ型、亞Ⅲ型濾料可用Ⅱ型與Ⅳ型濾料，按一定比例混合而成。

4.4 抽水流量大小與井水泥砂含量關(guān)系研究成果

在同一實驗井中，洗井或開采流量越大，δ隨之增大，其增大幅度與機井出水能力、洗井歷時有關(guān)。機井出水能力大(即在富水～中等富水區(qū))，洗井歷時較長，Q增大，對應(yīng)δ增長幅度較?。辉谪殹醺凰畢^(qū)，機井出水能力小，洗井歷時較短，Q增大，對應(yīng)δ增長幅度較大。依據(jù)地下水動力學(xué)原理，地下水流向集水井的運動，當(dāng)Q開較大時，集水井內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生較大水躍值(即存在較大水頭差)，井筒外側(cè)滲流流態(tài)由層流→混合流→紊流狀態(tài)，水流流速大大超出V允，故在紊流狀態(tài)的水流動能作用下，挾帶大量泥砂，進(jìn)入井內(nèi)。長期Q開>Q允超采，井筒外側(cè)含水層被淘空，將導(dǎo)致淤井、塌井的事故發(fā)生。

現(xiàn)討論：在管井結(jié)構(gòu)設(shè)計合理(考慮足夠長度過濾管，確保井筒側(cè)向進(jìn)水面積，使孔隙中流速V≤V允)，正確施工以及充分洗好井的條件下，只有開采流量Q開≤Q允，才能控制井水泥砂含量在一個合理值區(qū)間變動?，F(xiàn)來探討Q允值在不同的富水性分區(qū)究竟是多大。

(2)

(2)式中Dn為鉆孔直徑，M為含水層厚度，n為含水層有效孔隙率，i=1,2……，N為不同含水層數(shù)，Vi允為井筒外側(cè)含水層孔隙中允許的水流速度(m/d)，若超過此速度，含水層中細(xì)小顆粒將被攜帶至井中而危及機井壽命。

上式中Vi允=56.67Ki0.411Ki為含水層滲透系數(shù)(m/d)。

現(xiàn)針對潁泉區(qū)中等富水區(qū)的伍明店集村楊莊、周棚辦的劉堂村和其他鎮(zhèn)村貧水區(qū)～弱富水區(qū)，分析提出不同含水層巖性相關(guān)參數(shù)指標(biāo)如表3。按表3參數(shù)由(2)計算給出Q允值，

當(dāng)井深40～45 m，鉆孔直徑1 000～1 200 mm，抽水試驗降深10 m ，通過計算，實驗各區(qū)Q允值：中等富水區(qū)30～40 m3/h；弱富水區(qū)20～30 m3/h，貧水區(qū)10～20 m3/h。這就是節(jié)水灌溉機井允許的開采流量?？刂坪肣開≤Q允，就基本控制了井水泥砂含量在一個合理的小區(qū)間變動。

表3 實驗區(qū)與含水層巖性相關(guān)的穩(wěn)定滲流流量參數(shù)指標(biāo)

4.5 洗井歷時(h)～δ的關(guān)系研究成果

通過相關(guān)的實驗研究，在其他條件相同的情況下，井水的泥砂含量(δ)隨洗井歷時的增長而降低，一般持續(xù)洗井30 h與50 h相比，泥砂含量降低25%～35%。降低的絕對值隨洗井歷時的延長而逐漸衰減。貧水～弱富水區(qū)要比中等富水區(qū)～富水區(qū)洗井時間要長10～15 h。但δ值也不是隨洗井歷時延長而無止境地降低，貧水區(qū)，使用Ⅱ型濾料連續(xù)洗井120 h，測得δ=3.2/10 000，弱富水區(qū)，混合濾料連續(xù)洗井80 h，測得δ=2.6/10 000，貧～弱富水區(qū)，使用Ⅲ型濾料，連續(xù)洗井124 h，測得δ=1.6/10 000。

通過多組合洗井歷時實驗，在合理選用濾料類型和填濾厚度條件下，中等富水～富水區(qū)，洗井流量Q=35～40 m3/h，持續(xù)洗井歷時一般為35～45 h，貧水～弱富水區(qū)，洗井Q=20～30 m3/h，持續(xù)洗井歷時一般為45～55 h。

5 結(jié)語

綜合考慮各種因子，淮北平原節(jié)水灌溉機井，宜采用標(biāo)準(zhǔn)的無砂砼井管，井徑400～500 mm；井深：富水區(qū)～中等富水區(qū)，以35～45 m為宜，弱富水區(qū)～貧水區(qū)45～55 m。在富水區(qū)，應(yīng)選用Ⅰ型濾料，鉆孔直徑900～1 000 mm，填濾厚度150～200 mm；中等富水區(qū)，應(yīng)選用Ⅱ型濾料，鉆孔直徑1 000～1 100 mm，填濾厚度200～250 mm；弱富水區(qū)，應(yīng)選用Ⅲ型濾料，鉆孔直徑1 100～1 200 mm；填濾厚度250～300 mm；貧水區(qū)鉆孔直徑應(yīng)不小于1 200 mm，應(yīng)選用亞Ⅲ～Ⅳ型濾料，填濾厚度應(yīng)不小于300 mm。

富水區(qū)含水層主要巖性以中粗、中細(xì)砂層為主，δ≤1/20 000；中等富水區(qū)含水層巖性以細(xì)砂粉細(xì)砂為主，δ=0.8/10 000～2/10 000；弱富水區(qū)含水層以細(xì)粉砂及粉砂為主，δ=2/10 000～4/10 000；貧水區(qū)含水層以粉砂、亞砂土為主，δ=4/10 000～1/1 000(泥砂含量以體積百分比計)。

[1]SL256-2000.機井技術(shù)規(guī)范.

[2]薛禹群.地下水動力學(xué)(第一版)[M].北京：地質(zhì)出版社.1979.

[3]陳梅芳.機井技術(shù)手冊(第一版)北京：中國水利水電出版社.1995.

[4]阜陽市潁泉區(qū)水務(wù)局，安徽蚌埠市澤源水務(wù)科技有限公司.節(jié)水灌溉機井綜合技術(shù)研究[R].2016.

[5]鄭三元，王振龍. 安徽淮北農(nóng)灌區(qū)井灌經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究[J]. 地下水.1996.3.

[6]鄭三元，等. 淮北農(nóng)村飲水深井水源工程技術(shù)與質(zhì)量控制[J]. 江淮水利科技.2009.1.