輻射井在淺層松散型地下水資源開發(fā)中的應(yīng)用研究

宋海波，林 慧，馬星辰，季小凱，王明霄

(山東省水利勘測設(shè)計院有限公司，山東 濟南 250013)

地下水作為一種潔凈的可利用淡水資源是山東省重要的供水水源，經(jīng)濟社會的發(fā)展對其有很高的依賴程度。山東省多年的平均地下水總資源量高達168.9億 m3，其中地下水資源可開采總量為127.1億 m3[1]。淺層松散型地下水以砂礫松散介質(zhì)為調(diào)蓄空間的蓄水實體，廣泛分布于黃河沖積平原區(qū)、山間平原區(qū)、山間盆地區(qū)以及山前平原區(qū)，具有儲存量大、調(diào)蓄能力強、自我凈化能力好、地下水資源供水保證率高等特點[2]。只有合理的開發(fā)利用地下水資源才能真正實現(xiàn)其資源價值，其最直接、有效的方法是打井取水，就近使用或輸送到其它需水的地區(qū)使用。一方面，最大限度地可以將地表水資源轉(zhuǎn)換為地下水水資源進行儲存；另一方面，根據(jù)地區(qū)用水需求將地下水調(diào)至需水地區(qū)，滿足社會需求，從而完成地區(qū)水資源配置的合理、優(yōu)化。

輻射井技術(shù)在地下水資源開采方面的應(yīng)用由來已久，尤其在水資源短缺地區(qū)，在上世紀30年代就已經(jīng)應(yīng)用于地下水的開發(fā)利用中，該技術(shù)上世紀70年代在我國西北黃土高原地區(qū)的地下水開發(fā)中得到推廣，但至今該技術(shù)的工程應(yīng)用并不普遍[3]。筆者從地下水水資源的開發(fā)利用角度，對輻射井的取水特點及應(yīng)用進行深入研究，從而為淺層松散型地下水資源開發(fā)應(yīng)用中提供技術(shù)支撐，具有重要的推廣意義。

1 輻射井取水優(yōu)勢及可行性分析

輻射井是由大口徑豎井和按徑向由內(nèi)向外敷設(shè)于地下含水層中的水平輻射管(集水管)構(gòu)成，其作用是使地下水沿水平輻射管匯集至豎井中，利用水泵抽走。輻射井具有以下特點[4-8]：

(1)輻射井素有“淺井之王”美稱，由于輻射管向周邊延伸，增加了與含水層的接觸面積和匯水范圍，提高取水井的涌水量。另外其占地面積少，運行管理方便，水井維修便利。

(2)適用于各種地層中，能在任意高程含水層中敷設(shè)多層水平輻射管，也可布設(shè)于含水層與隔水層分界面處，而且輻射管根據(jù)涌水量、工程實際需要，相應(yīng)調(diào)整其數(shù)量、長度。

(3)水平輻射管可以敷設(shè)在河流河床及灘地地面以下，可以最大限度的來獲取最佳富水地區(qū)的地下水資源，同時還能夠迅速得到地表水體的補給。

(4)在臨近地表水體淺層含水層輻射管，不僅可以獲取含水層中的地下水水資源，而且可以使地表水水經(jīng)過松散介質(zhì)含水層的過濾，由地表水轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤?，降低水的渾濁程度，起到凈化水質(zhì)作用。

(5)輻射井可以很好地滿足取水要求，可以大幅度降低施工、維護成本以及拆遷成本。另外，可減少地面構(gòu)筑物拆遷占地的費用，減少管線鋪設(shè)費用。

(6)輻射管降水以后，形成的地下水降落漏斗多呈平緩碟狀，其水位降落曲線坡度遠遠小于垂直井點等其他降落曲線坡度，因此輻射井在降水過程中可能引起的地面沉降幅度要比一般垂直降水的小，對環(huán)境地質(zhì)問題影響相對弱些。

綜上特點，利用輻射井技術(shù)取水比其他取水井技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，在技術(shù)上可行，經(jīng)濟上比較合算，生態(tài)環(huán)境影響也較小。

2 取水井布井原則

輻射井位置的選定十分重要，應(yīng)根據(jù)地下水水源地工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，結(jié)合設(shè)計、業(yè)主要求進行選擇。從水文地質(zhì)角度，可遵循以下原則布設(shè)[9-10]：

(1)布設(shè)在水源地地下水導(dǎo)水性、富水性比較好的地段，從而保證輻射井的最大的取水量。

(2)盡量臨近地表水體進行布井，水平輻射孔深入河床及漫灘灘地下面的含水層中，不僅能最大限度汲取河床滲透水和漫灘灘地地下水，最快的接收到河水的就近補給，而且輻射井距離兩邊大堤以外咸水邊界最遠的位置上。使得輻射井在形成最大降落漏斗時，保證下部、外部的咸水一般不會進入到輻射井內(nèi)，影響取水井水質(zhì)。

(3)輻射井盡量保證一定的深度，深度越深，含水層厚度越大，透水性越好，取水量越大。

(4)盡量遠離地表建筑物、地下構(gòu)筑物、重要河道堤防、公路以及管網(wǎng)等，避免開采地下水可能產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問題。

3 取水量和影響范圍分析

3.1 單井涌水量計算公式

輻射井其涌水量、影響范圍的計算比較復(fù)雜，國內(nèi)外的學(xué)者、專家對其進行了大量的工作，并取得了很多的成果。當前主要采用以下兩種計算公式進行計算：

(1)根據(jù)《給水工程》中無壓含水層、潛水完整井的涌水量計算公式見(1)：

Q=qnα

(1)

(2)

式中：K為滲透系數(shù)，m/d；為井外壁動水位至含水層底板高，m；R為影響半徑，m；l為輻射管長度，m；H為含水層厚度，m。

(2)等效大口井法經(jīng)驗公式：

(3)

(3)過濾管進水能力

根據(jù)《機井技術(shù)規(guī)范》(GB/T50625-2010)，過濾管的進水能力，應(yīng)按式(4)計算：

Qg=πβVgDgLg

(4)

式中：Qg為過濾管的進水能力，m3/s；β為過濾管進水面層有效孔隙率；Vg為允許過濾管進水流速，不得大于0.03 m/s；Dg為過濾管外徑m；Lg為過濾管有效進水長度，m；宜按過濾管長度的85%計算。

(4)宜井區(qū)影響半徑計算公式

過量持續(xù)性開采，勢必使開采區(qū)地下水位下降，從而形成區(qū)域性降落漏斗，沿水源地水井降落漏斗的影響范圍估算公式見式(5)：

(5)

式中：R為影響半徑，m；S為潛水含水層降深，m；K為計算斷面的加權(quán)平均滲透系數(shù)，m/d；L為單根水平輻射管長度，m。

3.2 涌水量及影響半徑計算成果

依據(jù)威海市黃壘河地下水庫庫區(qū)勘察資料及設(shè)計方案，輻射井豎井類型為沉井，直徑5.0 m；沉井底部布置單層DN150鋼濾水管8支，選用管長20 m，設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 輻射井結(jié)構(gòu)圖

開采井井間距理論上大于影響半徑，大口井內(nèi)部降深分別為含水層厚度1/3、1/2時的動水位變化時對開采井涌水量進行計算，其計算結(jié)果詳見表1。利用《給水工程》公式計算結(jié)果為等效大口井法經(jīng)驗公式的2.87～2.94倍。

表1 涌水量、影響半徑估算成果統(tǒng)計表

3.3 過濾管進水能力

取水井過濾管，布置單層過濾管，數(shù)量8根，長度20 m，其孔隙率取值為5%，過濾管外徑0.20 m。經(jīng)上述公式計算，過濾管進水能力0.008 m3/s，取水井進水能力0.064 m3/s，即230 m3/h。

可根據(jù)淺水松散型含水層分布，布設(shè)一定數(shù)目的輻射井，產(chǎn)水量比較客觀，實現(xiàn)集中向城區(qū)供水是完全可能的。

4 結(jié)語

(1)鑒于輻射井的結(jié)構(gòu)對涌水量、影響范圍的影響，建議對設(shè)計輻射井需做現(xiàn)場單井抽水試驗、群井抽水試驗，根據(jù)涌水量、影響范圍調(diào)整取水井間距、抽水時間、抽水量以及水泵及電氣設(shè)備。

(2)輻射井地下水開采過程中，當?shù)叵滤纬膳c河流走向平行的長帶狀降落漏斗區(qū)，可促使河水迅速、及時的補給地下水，從而保證輻射井運行處于良性循環(huán)狀態(tài)中。

(3)采用輻射井技術(shù)不僅可運用于地下水開發(fā)中，也可應(yīng)用于局部降低地下水水位，解決地下工程長期涌水、潮濕、滲水等工程問題。