给水工程(取水工程)

取水工程WaterIntakeEngineering5.1取水工程概论•水资源概述•取水工程任务•给水水源96.53%海洋水湖泊咸水和地下咸水淡水1.74%0.03%0.76%冰川地下淡水其他淡水0.94%2.53%各种水体所占比例永冻土底冰湖泊淡水土壤水大气水沼泽水河水生物水广义概念：包括海洋、地下水、冰川、湖泊、河川径流、土壤水、大气水在内的各种水体狭义概念：广义范围内逐年可以得到恢复更新的淡水工程概念：少量用于冷却的海水和狭义范围内在一定技术经济条件下，可以被人们使用的水中国水资源和水环境(一)全球水资源情况：全球广义水资源总量约为140亿亿m3；其中除去海水、冰川、深层高矿化地下水外,可开发利用的且逐年更新的淡水（即狭义的水资源），其总量为47万亿m3，仅占水资源总量的0.03%，而在一定技术经济条件下可以为人们取用的水量则更少。在未来50年里，全世界至少有1/4人口将会面临水资源短缺。我国水资源情况：总量2.8×1012m3，居世界第6位，但人均水资源总量为2200m3，为全球人均水资源占有量的1/4，居110位；预计到2030年我国人均水资源将降到1760m3，接近国际上被认为用水紧张国家的人均水资源1700m3的标准。全国666个城市中，缺水城市达400多个，其中严重缺水的城市114个，日缺水1600万m3。拥有量前10位的国家如图：各大洲水资源顺序：南美洲＞北美洲＞亚洲＞欧洲＞非洲＞大洋洲。我国缺水的三种原因：资源性缺水——由于气候和地理位置等自然原因所导致；污染性缺水——水资源丰富但污染严重而不能利用；管理性缺水——由于不合理开发利用和水的浪费所造成。中国水资源和水环境(二)中国水资源和水环境(三)据环境部门监测，全国城镇每天至少有1亿吨污水未经处理直接排入水体。全国七大水系中一半以上河段水质受到污染，全国1/3的水体不适于鱼类生存，1/4的水体不适于灌溉，90%的城市水域污染严重，50%的城镇水源不符合饮用水标准，40%的水源已不能饮用，南方城市总缺水量的60%~70%是由于水源污染造成的.尽管全国每年新增城市污水处理能力3亿立方米，但仍以每年处理能力缺口21亿立方米的速度在不断增大。到了2050年，城市市政系统年纳污水为1385亿立方米，2100年将达到2435亿立方米这相当于长宽高都是61813.8米的正方体，若平铺为高1CM的长方体，底面将覆盖将近2537个中国。降水分区年降水深（mm）年径流深（mm）径流分区大概范围多雨＞1600＞900丰水海南、广东、福建、台湾大部、湖南山地、广西南部、云南西南部、西藏东南部，浙江湿润800～1600200～900多水广西、云南，贵州、四川、长江中下游地区半湿润400～80050～200过渡黄、淮海大平原，山西、陕西、东北大部、四川西北部、西藏东部半干旱200～40010～50少水东北西部、内蒙古、甘肃、宁夏、新疆西部和北部、西藏北部干旱＜200＜10缺水（干涸）内蒙古、宁夏、甘肃的沙漠．柴达木盆地．塔里木和准噶尔盆地我国径流地带区划及降水、径流分区•水资源概述•取水工程任务•给水水源取水工程任务•从合适的水源取水，并送到水厂或用户–给水水源研究的内容：天然水体存在形式、运动变化规律，水源的勘察、规划、调节治理以及卫生防护；–取水构筑物研究内容：从各种水源取水的方法、取水构筑物的构造形式、设计计算、施工方法以及运行管理；•水资源概述•取水工程任务•给水水源给水水源•给水水源分类；•地下水源的特点；•地表水源的特点；•给水水源的合理选择及合理利用；•给水水源保护；给水水源分类：给水水源地表水地下水江河水湖泊水水库水海水潜水自流水泉水地下水源与地表水源特点比较水源类型地下水源地表水源水质水质澄清，水温稳定浊度较高，水温变化幅度大径流量径流量较小径流量较大矿化度较高较低卫生防护卫生条件较好卫生防护难度大取水条件及构筑物简单，便于管理复杂，难于管理处理工艺简单复杂适用条件用水量较小用水量较大水源地可靠近用户通常远离用户防止水源水质污染措施：①合理规划城市居住区和工业区，应尽量将容易造成污染的工厂布置在城市及水源地的下游；②加强水源水质监督管理，制定污水排放标准并切实贯彻实施；③勘察新水源时，应从防止污染角度，提出卫生防护条件与防护措施；④注意地下水开采引起的咸水入侵、与水质不良含水层发生水力联系等问题；⑤进行水体污染调查研究，建立水体污染监测网。地表水源卫生防护：1取水点周围半径100m的水域内严禁捕捞、停靠船只、游泳和从事可能污染水源的任何活动，并应设有明显的范围标志和严禁事项的告示牌；2河流取水点上游1000m至下游100m的水域内，不得排入工业废水和生活污水；饮用水水源的水库和湖泊，应根据情况将取水点周围部分水域或整个水域及其沿岸列入防护范围；受潮汐影响的河流取水点的防护范围，由水厂会同卫生防疫站、环境卫生监测站研究确定。地下水源卫生防护：取水构筑物的防护范围应根据水文地质条件、取水构筑物形式和附近地区的卫生状况进行确定；在单井或井群影响半径范围内，不得使用工业废水或生活污水灌溉和施用有持久性毒性或剧毒的农药，不得修建渗水厕所、渗水坑、堆放废渣或铺设污水渠道，并不得从事破坏深层土层的活动。如取水层在水井影响半径内不露出地面或取水层与地面水没有互相补充关系时，可根据具体情况设置较小的防护范围。5.2地下水取水构筑物地下水源概述和取水构筑物分类卵石层、砂层和石灰岩层等组织松散，具有众多相互连通的孔隙，透水性能较好，水能在其中流动的岩层叫透水层，透水层又叫含水层。粘土和花岗岩等结构紧密，透水性极差甚至不透水的岩层叫不透水层，不透水层也称隔水层。地下水分类：埋藏在地面下第一个隔水层上的地下水叫潜水；两个不透水层间的地下水叫层间水；具有自由水面的层间水称无压地下水；承受有压力的层间水称承压地下水；在自身压力作用下从某一出口涌出的地下水叫泉水。地下水取水构筑物分类：管井——井管从地面打到含水层，抽取地下水的井；大口井——由人工开挖或沉井法施工，设置井筒，以截取浅层地下水的构筑物；渗渠——壁上开孔，以集取浅层地下水的水平管渠；泉室——集取泉水的构筑物。地下水取水构筑物的适用条件：①.管井适用于含水层厚度大于5米，其底板埋藏深度大于15米；②.大口井适用于含水层厚度在5米左右，其底板埋藏深度小于15米；③.渗渠仅适用于含水层厚度小于5米，渠底埋藏深度小于6米；④.泉室适用于有泉水露头，且覆盖层厚度小于5米。•管井•大口井、辐射井和复合井•渗渠管井分类按其过滤器是否贯穿整个含水层，分为完整井与非完整井。管井构造(深井泵房)管井直径一般在50～1000mm，深度一般在200米以内，通常由井室、井壁管、过滤器、沉淀管组成。井室：用以安装各种设备，采光、采暖、通风，防水；井壁管：加固井壁，隔离水质不良或水头较低的含水层；过滤器：集水，保持填砾与含水层的稳定，防止漏砂及堵塞；沉淀管：沉淀进入管井的砂粒管井构造、施工和管理井室结构：深井泵房——泵体和扬水管安装在管井内，泵座和电动机安装在井室内；深井潜水泵房——水泵和电动机安装在管井内，控制设备安装在井室内；卧式泵房——水泵和电动机安装在井室内；地面式——便于维护管理，防水、防潮、通风、采光条件好；地下式——便于总体规划，噪声小，防冻条件好。管井构造--井室•井室的作用：–安装各种设备；–保持井口免受污染，井口应高于地面0.3-0.5米，并用粘土或水泥等不透水材料封闭，封闭深度不小于3米；–维护检修的场所；–井室应具备采光、采暖、通风、防水和防潮的功能；•常见的井室结构：深井潜水泵房、深井泵房、卧式泵房以及其他形式的井室。管井构造—井壁管、过滤器(1)•井壁管的作用：–加固井壁；–隔离水质不良的或水头较低的含水层；•井壁管的要求：–应具有足够的强度，能承受地层和人工填充物的侧压力；–尽可能不弯曲，内壁光滑、圆整以利于安装抽水设备和井的清洗和维修；–一般采用钢管、铸铁管、钢筋混泥土管、塑料管等；•井壁管的构造和施工方法–分段钻进和一次钻进管井构造—井壁管、过滤器(2)管井构造—井壁管、过滤器(3)•过滤器的作用：–安装于含水层中，用于集水和保持填砾和含水层的稳定。是管井最重要的组成部分。•过滤器的要求：–应有足够的强度和抗蚀性；–具有良好的透水性且能够保持人工填砾和含水层的渗透稳定性。管井构造—井壁管、过滤器(4)•过滤器的类型：–钢筋骨架过滤器；–圆孔、条孔过滤器；–缠丝过滤器；–包网过滤器；–填砾过滤器；填砾过滤器：在各类过滤器的外围填符合一定级配的砾石构成。填砾粒径与含水层粒径比：8~65050dD填砾层厚度可采用75～150mm；高度应超过过滤器顶部8～10m。过滤器进水孔眼数量多，进水性能良好，但强度减小。过滤器的孔隙率取决于管材的强度，各种管材允许孔隙率为：钢管30％～35％；铸铁管18％～25％；钢筋混凝土管10％～15％；塑料管10％。管井构造—沉淀管•沉淀管的作用：–沉淀进入井内的细小砂粒和地下水中析出的沉淀物•沉淀管长度一般为2-10米，当井深小于20米时沉淀管长度采用2米，当井深大于90米时采用10米。管井施工步骤钻凿井孔管井验收粘土封闭冲孔换浆物探测井井管安装围填砾料抽水试验洗井管井施工(1)管井施工(2)•钻凿井孔–冲击钻进；–回转钻进；泥浆池泥浆泵钻杆钻头钻盘挂钩胶管泥浆池泥浆泵钻杆钻头钻盘挂钩胶管反循环回转钻进一般回转钻进管井施工(3)•井管安装–吊装下管；–浮板下管法；–托盘下管法；填砾和粘土封闭填砾应以坚实、圆滑砾石为主，并应按设计要求的粒径进行筛选。填砾过程要均匀、连续，避免堵塞。砾料填完后、一定要计算所填砾料的总体积，一般情况下，围填砾料的总体积应等于或大于井管与孔壁之间环形空间的体积。粘土封闭一般采用球直径为25mm的粘土球，围填过程同样要求均匀、连续，填至井口时，应进行夯实。管井施工(4)管井施工(5)•洗井的目的–消除井孔及周围含水层中的泥浆和井壁上的泥浆壁；–冲洗含水层中部分细小颗粒，使井周围含水层形成天然反滤层；•洗井方法–洗井工作要在井管外封闭后立即进行，以防止泥浆壁硬化；–洗井之前应用抽筒清除井筒内泥浆；–洗井方法有活塞洗井、压缩空气洗井、联合洗井等；水泵洗井安装实际使用的水泵抽水，使水位降深达到水泵所能达到的最大值，从而达到洗井的目的。优点：简便，洗井和生产相结合，可不另设置洗井没备；缺点：水位降深有一定限度，地下水水力坡度较小，冲洗力较小，洗井时间长，当含水层含泥浆量较大、泥皮较厚时，可能造成洗井不彻底。适合于含水层本身水流较通畅、含泥浆量小、泥皮薄而软的情况。压缩空气洗井将压缩空气以很高的速度呈涡旋形向井壁喷射，借助水气混合的冲力破坏泥浆壁，压缩空气与水汇合上升时，可以形成很大的水位降，使地下水形成很大的流速，增大对泥浆和泥皮的冲击力。优点：效率高、洗井比较彻底；确定：洗井携走的砂粒较多，对砂层有一定破坏作用，不适合砂粒较细的含水层。活塞洗井是用安装在钻杆上活塞在井壁管内上下拉动，借助真空抽吸作用和压缩作用，在过滤器周围形成反复冲洗的水流，以破坏泥浆壁，清除含水层中残留的泥浆颗粒。优点：洗井强度大，洗井彻底，洗井效果良好，对本身颗粒细、台泥质较多的含水层，能较彻底地清除含水层中的泥质，明显增大山水量；缺点：由于机械强度大，易破坏井管。抽水试验目的：测定管井的出水量，了解出水量与水位降落的关系，为选择、安装抽水设备提供依据；取样进行分析，评价管井水质。方法步骤：记录静水位，开启抽水设备，使抽水量达到设计出水量，动水位稳定后记录水位降落值，绘制出水量与水位降落关系曲线。抽水试验成果5.3地表水取水构筑物•江河特征与取水构筑物的关系•江河取水构筑物位置的选择•江河固定式取水构筑物•江河移动式取水构筑物•湖泊和水库取水构筑物•山区浅水河流取水构筑物•海水取水构筑物江河特征与取水构筑物的关系(1)•江河的径流特征•泥沙运动与河床演变对取水构筑物的影响–泥沙运动的推移质和悬移质；–推移质占5-10%，对河床演变起重要作用；悬移质占90-95%；–推移质和悬移质在不同水力条件下可相互转