地下水资源开发利用途径

第六章地下水资源的开发利用途径及工程第一节地下水资源的开发利用途径第二节地下水取水构筑物分类第三节地下水水源地的选择第四节地下水取水构筑物的选择及布局思考题本章内容第一节地下水资源的开发利用途径地下水的开发利用，需要借助一定的取水工程来实现。取水工程的任务是从地下水水源地中取水，送至水厂处理后供给用户使用，它包括水源、取水构筑物、输配水管道、水厂和水处理设施（如图6-1）。地下水取水构筑物的延伸方向基本与地表面垂直。如管井、筒井等。图6-1地下水取水工程系统组合形式取水构筑物的延伸方向基本与地表面平行。如截潜流工程、坎儿井、卧管井等。将垂直系统与水平系统结合在一起，或将同系统中的几种联合成一整体。如辐射井、复合井等正是由于地下水具有种种用途，20世纪70年代以来，我国通过各种地下水工程，进行地下水的大量开采利用,进而引发一系列的环境问题。盐泽化、生态退化河流断流海水入侵示意图地下水水质恶化地下水位下降图6-2华北平原浅层地下水降落漏斗分布图[11]不合理地开发利用地下水资源，会引发地质、生态、环境等方面的负面效应，因此需要建立地下水资源合理开发模式。地下水库开发模式傍河取水开发模式井渠结合开发模式排供结合开发模式引泉模式第二节地下水取水构筑物分类取水构筑物1.管井2.大口井4.辐射井3.复合井5.渗渠6.坎儿井管井主要由井室、井壁管、过滤器及沉砂管构成，见图6-3。当有几个含水层且各层水头相差不大时，可用多层过滤器管井，见图6-3（b）。（a）单过滤器管井(b)双过滤器管井图6-2管井的一般构造1.1.1井室井室通常是保护井口免受污染、安装各种设备（如水泵机组或其他技术设备）以及进行维护管理的场所，井口要用优质黏土或水泥等不透水材料封闭，一般不少于3m，并应高出井室地面0.3～0.5m，以防止井室积水流入井内。井室外观井室内1.1.2井管井管也称井壁管，由于受到地层及人工填砾的侧压力，故要求它应有足够的强度，并保持不弯曲，内壁平滑、圆整，以利于安装抽水设备和井的清洗、维修。井管的构造与施工方法、地层岩石稳定程度有关，通常有如下两种情况：井管1井管2（1）分段钻进时的异径井管构造d1d2dnh1h2井管段过滤器d1d2dn井管段过滤器井管段过滤器（a）（c）（b）图6-3(a)(b)(c)分段钻进时井壁管的构造(d)不分段钻进时的同径井管构造dn过滤器（2）不分段钻进时的同径井管构造（d）1.1.2过滤器1.1.2.1过滤器的作用、组成过滤器是管井的重要组成部分用以集水和保持填砾与含水层的稳定。它的构造、材质、施工安装质量对。它连接于井管，安装在含水层中，管井的出水量、含砂量和工作年限有很大影响，所以是管井构造的核心。过滤器名称进水孔眼的直径或宽度岩层不均匀系数岩层不均匀系数圆孔过滤器（2.5～3.0）d50（3.0～4.0）d50条孔和缠丝过滤器（1.25～1.5）d50（1.5～2.0）d50包网过滤器（1.5～2.0）d50（2.0～2.5）d5060102dd21060dd注：1．d60、d50、d10分别指颗粒中按质量计算有60%、50%、10%粒径小于这一粒径；2．较细砂层取小值，较粗砂层取大值。表6-1过滤器的进水孔眼直径或宽度1.1.2.2过滤器的分类由不同骨架和不同过滤层可组成各种过滤器。骨架过滤器〔图6-5（a），（b）〕、缠丝过滤器〔图6-5（c），（d）〕、包网过滤器〔图6-5（e）〕、填砾过滤器〔图6-5（f）〕。（a）圆孔（b）缝隙（c）缠丝（d）钢筋骨架（e）包网（f）填砾图6-5过滤器类型1.1.2.3过滤器的直径、长度过滤器的直径影响井的出水量，因此它是管井结构设计的关键。为保持含水层的稳定性，需要对过滤器的尺寸，尤其是过滤器的外径，进行入井流速的复核计算：(6-2)式中：D—过滤器外径（包括填砾厚度），m；Q—设计出水量，/s；L—过滤器有效长度（工作部分长度），m；n—过滤器进水表面有效孔隙度（一般按50％考虑）；v—允许入井流速，m/s。含水层的允许入井流速可用下式近似计算：其中k为含水层渗透系数，m/s。QDLvn3m1.1.2.4过滤器的安装部位滤器的安装部位影响管井的出水量及其他经济技术效益。因此，应安装在主要含水层的主要进水段；同时，还应考虑井内动水位探度。管井的施工建造一般包括钻凿井孔、井管安装、填砾和管外封闭、洗井、抽水试验等步骤，现介绍如下：返回大口井的特点是：大口井不存在腐蚀问题，进水条件较好，使用年限较长，对抽水设备型式限制不大，如有一定的场地且具备较好的施工技术条件，可考虑采用大口井。但是，大口井对地下水位变动适应能力很差，在不能保证施工质量的情况下会拖延工期、增加投资，亦易产生涌砂（管涌或流砂现象）、堵塞问题。大口井的主要组成部分是，主要由上部结构、井筒及进水部分组成，见图6-6所示。大口井的构造实图井筒吸水管井壁透水孔刃脚井底反滤层通风管排水坡粘土层图6-6大口井的构造2.1.1上部结构上部结构的布设主要取决于水泵站是与大口井分建还是合建，而这又取决于井水位（动水位与静水位）的变化幅度、单井出水量、水源供水规模及水源系统布置等因素，同时做好井口的污染防治工作。2.1.2井筒井筒包括井中水面以上和水面以下两部分，用钢筋混凝土、砖、石条等砌成。井筒的直径应根据水量计算、允许流速校核及安装抽水设备的要求来确定。井筒的外形通常呈圆筒形、截头圆锥形、阶梯圆筒形等（图6-7）。（a）圆筒形（b）截头圆锥形（c）阶梯圆筒形图6-7大口井井筒外形2.1.3进水部分进水部分包括井壁进水孔（或透水井壁）和井底反滤层。返回2.2.1大开挖施工法大开挖施工法是在开挖的基槽中，进行井筒砌筑或浇注及铺设反滤层工作。2.2.2沉井施工法沉井施工法是在井位处先开挖基坑，然后在基坑上浇注带有刃脚的井筒；待井筒达到一定强度后，即可在井筒内挖土，利用井筒自重切土下沉。复合井是由非完整大口井和井底下设管井过滤器组成。实际上，它是一个大口井和管井组合的分层或分段取水系统（如图6-8）。它适用于地下水水位较高、厚度较大的含水层，能充分利用含水层的厚度，增加井的出水量。实验证明，当含水层厚度大于大口井半径3～6倍，或含水层透水性较差时，采用复合井出水量增加显著。图6-8复合井返回辐射井是由集水井（垂直系统）及水平的或倾斜的进水管（水平系统）联合构成的一种井型，属于联合系统的范畴。因水平进水管是沿集水井半径方向铺设的辐射状渗入管，故称这种井为辐射井。辐射井的现场施工图4.1.1辐射井的类型按集水井本身取水与否，辐射井分为集水井井底与辐射管同时进水和集水井井底封闭仅辐射管进水两种型式。前者适用于厚度较大的含水层。按集取水源的不同，辐射井又分为：集取一般地下水〔如图6-9（a）〕、集取河流或其他地表水体渗透水〔如图6-9（b）、（c）〕、集取岸边地下水和河床地下水的辐射井〔如图6-9（d）〕等型式。按辐射管铺设方式，辐射井有单层辐射管和多层辐射管两种。图6-9(e)所示为集水井井底封闭的单层辐射管的辐射井。（e）图6-9按补给条件与布置方式分类的辐射井4.1.2辐射井的构造辐射井的构造见图6-10：4.1.2.1．集水井集水井又称竖井，其作用是汇集辐射管的来水和安装抽水设备等，对于不封底的集水井还兼有取水井的作用。4.1.2.2．辐射管含水层辐射管＞1.0m＞1.5m不透水层阀门辐射管集水井泵房水泵机组图6-10辐射井的构造4.1.3辐射井的施工辐射井的集水井和辐射管的结构不同，施工方法和施工机械也完全不同。下面介绍两种方法。4.1.3.1．集水井的施工方法4.1.3.2．辐射管的施工方法返回渗渠是水平敷设在含水层中的穿孔渗水管渠。渗渠可分为集水管和集水廊道两种型式；同时也有完整式和非完整式之分。渗渠施工图集水管集水管检查井检查井检查井检查井泵房泵房集水井集水井图6-11渗渠渗渠由渗水管渠、集水井和检查井组成，如图6-11所示。河沙回填0.2～0.3m河床面0.2～0.3md=1～4mmd=4～8mmd=8～32mm铺设在不同条件下的渗渠，以及对不同施工条件下的要求，见图（6-12）（b）铺设在河床下的渗渠（a）铺设在河滩下的渗渠图6-12渗渠人工反滤层构造返回坎儿井是我国新疆地区在缺乏把各山溪地表径流由戈壁长距离引入灌区的手段以及缺乏提水机械的情况下，根据当地自然条件、水文地质特点，创造出用暗渠引取地下潜流，进行自流灌溉的一种特殊水利工程。坎儿井修复坎儿井土层不透水层无水层含水层冰雪融水竖井涝坝明渠灌区暗渠图6-13坎儿井6.1.1坎儿井的构造坎儿井的布设，一般大致顺冲积扇的地面坡降，即地下潜流的流向，与之相平行或斜交。其构造由竖井、暗渠、明渠和涝坝（即小型蓄水池）四部分组成，如图6-13。6.1.2坎儿井的施工6.1.3坎儿井类型坎儿井按其成井的水文地质条件来划分，可分为三种类型：山前潜水补给型山溪河流河谷潜水补给型平原潜水补给型地下水资源的开发利用首先要选择好合适的地下水源地，因为水源地位置选择得正确与否，，而且关系到是否能保证其长期经济和安全地运转，以及避免由此产不仅关系到水源地建设的投资生各种不良的环境地质问题。第三节地下水水源地的选择3.1集中式供水水源地的选择水源地的水文地质条件水源地的经济、安全性和扩建前景水源地的地质环境3.2小型分散式水源地的选择集中式供水水源地的选择原则，对于基岩山区裂隙水小型水源地的选择也是适合的。但在基岩山区，由于地下水分布极不均匀，水井布置还要取决于强含水裂隙带及强岩溶发育带的分布位置；此外，布井地段的地下水水位埋深及上游有无较大的汇水补给面积，也是必须考虑的条件。第四节地下水取水构筑物的选择及布局在地下水水源地选择的基础上，还要正确选择和设计地下水取水构筑物，以最大限度地截取补给量，提高出水量、改善水质、降低工程总造价。4.1地下水取水构筑物的选择常见的地下水取水构筑物有管井、大口井等构成的垂直集水系统，渗渠、坎儿井等构成的水平集水系统，辐射井、复合井等构成的复合集水系统以及引泉工程。由于类型不同，其适用条件具有较大的差异性。常见各种地下水取水构筑物的适用范围如表6-3所示。4.2地下水取水构筑物的合理布局取水建筑物的合理布局，是指在确定水源地的允许开采量和取水范围后，进而明确在采取何种工程技术和经济承受能力下的取水建筑物布置方案，才能最有效地开采地下水并尽可能地减少工程所带来的负面作用。4.2.1水井的平面布局水井的平面布局主要决定于地下水的运动形式和可开采量的组成性质，分以下几种情况。在地下径流条件良好的地区在地下径流滞缓的平原区在以大气降水或河流季节补给为主、纵向坡度很缓的河谷潜水区在岩层导、储水性能分布极不均匀的基岩裂隙水分布区4.2.2、水井的垂向布局根据含水层和多数的基岩含水层（主要含水裂隙段的厚度）的厚度来判断是采用完整井形式取水还是分段取水，在垂向上我们只考虑分段取水。分段取水设计时，要考虑井组中单井的横向和纵向的距离。（图6-14）。表6-4列出了在不同水文地质条件下分段取水时，垂向间距a的经验数据。cabrxrx01020304050607080深度/m图6-14分段取水井组布置示意表6-4列出了在不同水文地质条件下分段取水时，垂向间距a的经验数据。表6-4分段（层）取水井组配置参考资料在明确了水井平面和垂向布局之后，取水建筑物合理布局所要解决的最后一个问题是，如何在满足设计需水量的前提下，本着技术可行且经济合理的原则，来确定水井的数量与井距。4.2.3、井数和井间距离的确定4.2.3.1集中式供水井数与井距的确定4.2.3.1分散式灌溉供水的井数与井距的确定单井灌溉面积法考虑井间干扰时的井距确定方法根据允许开采模数确定井数和井间距离（1）单井灌溉面积法首先计算出单井可控制的灌溉面积F：(6-3)如果水井按正方网状布置，则水井间的距离D为：(6-4)如果水井按等边三角形排列，则水井间的距离D为：(6-5)整个灌区内应布置的水井数n为：(6-6)QTtFW667667QTtDFW22