地下水资源的开发

第九章地下水资源的开发吉林大学环境与资源学院地下水科学与工程系梁秀娟水工楼2079.1取水建筑物对地下水进行开发利用，需要取水工程才能实现，其任务是从水源地中取水，送至水厂或用户，它主要包括水源、取水构筑物、输配水管道、水厂和水处理设施（如图）。一、取水建筑物的类型1.取水建筑物的类型垂直的（井）和水平的（渠）。2.取水建筑物类型的选择条件①含水层（带）的空间分布特点以及含水层（带）的埋藏深度、厚度和富水性能；②设计的需水量大小、预计的施工方法、选用的抽水设备类型等因素有关。适用范围型式尺寸深度地下水类型地下水埋深含水层深度水文地质特征出水量管井井径50-100mm，常用150-600mm井深20-1000m，常用在300m以内潜水、承压水、裂隙水、溶洞水200m以内，常用在70m以内大于5m或有多层含水层适用于任何砂、卵石、砾石地层及构造裂隙岩溶裂隙地带单井出水量为500-6000m3/d，最大可达2－3万m3/d大口井井径2-10m常用4-8m井深在20m以内，常用6-15m以内潜水、承压水一般在10m以内一般为5－15m砂、卵石、砾石地层，渗透系数最好在20m/d以上单井出水量为500－1万m3/d，最大为2－3万m3/d辐射井集水井直径4-6m，辐射管直径50-300mm，常用75-150mm集水井井深常用3-12m潜水、承压水埋深12m以内，辐射管距降水层应大于1m一般大于2m补给良好的中粗砂、砾石层，但不可含有漂石单井出水量为500-5000m3/d，最大为1万m3/d渗渠直径为450-1500mm，常用600-1000mm埋深10m以内，常用4-6m潜水、河床渗透水一般埋深8m以内一般为4－6m补给良好的中粗砂、砾石、卵石层单位出水量为10-30m3/d·m，最大50-100m3/d·m二、取水建筑物的合理布局1.管井（1）平面布局①直线布井：适用于傍河水源地。②梅花形：适用于远河的潜水及多含水层的地下水开采。③扇形：由于岩石富水性极不均匀，地下水多是网状及脉状等窄条带径流，为了最大限度的截取地下水，常根据径流带的宽窄，在横截面上布置了3－5口呈扇形的井群。④平均布井：均质的松散含水层，井与井之间通常采用等距排列的平均布井方法。在基岩裂隙水分布区，水井的平面布局主要受富水带分布位置的控制，应该把水井布置在补给条件最好的强含水裂隙带上。（2）水井的垂向布局①厚度不大的（小于30m）孔隙含水层和多数的基岩含水层，一般均采用完整井形式取水。②多层含水层可以采用在垂向上分层取水，既可达到取不同含水层的目的也便于管理。③大厚度单层含水层，可采用完整井抽水，也可以采用非完整井组分段取水，当采用非完整井组分段取水时，过滤器长度与安装部位对井的出水量影响至关重要。过滤器长度可根据设计出水量、含水层性质和厚度、水位降深及技术经济等因素确定。过滤器长度设计原则：含水层厚度小于30m时，在设计动水位以下的含水层部位，全部下过滤器；含水层厚度大于30m时，可根据试验资料并参照表2确定。岩层名称粉砂层细砂层中砂层粗砂、砾石层卵石、砾石层基岩层岩层结构成分颗粒较均匀，d50=0.1mm，一般含部分粘土渗透系数约5m/d颗粒较均匀，d50=0.15－0.2mm，渗透系数10－20m/d颗粒较均匀，d50=0.25－0.4mm，渗透系数30－50m/d颗粒不均匀，d50=0.5－1.25mm，渗透系数100－200m/d颗粒不均匀，d50=1.25－50mm，渗透系数200－1000m/d溶洞裂隙发育的石灰岩溶洞内清水，无填充物井的口径井壁管和过滤器150－200mm，上部井管为了装泵，有时为250－300mm井壁管和过滤器200mm，上部井管为了装泵，有时为300mm井壁管和过滤器200－300mm，上部为了装泵，有时为350－400mm井壁管和过滤器300－400mm，上部为了装泵，有时为450－500mm井壁管和过滤器400－1000mm，上部为了装泵，有时为1200mm上部最大开口500mm，依次缩小口径为426、377、325、273、219mm等口径一般范围（m）20－4020－4020－4020－5020－50过滤器的长度较大出水量的合理长度（m）40－5040－5040－5050－6050－60过滤器的种类双层填砾过滤器填砾过滤器填砾过滤器填砾过滤器缠丝过滤器填砾过滤器缠丝过滤器填砾过滤器带园孔钢管填砾过滤器井的单位涌水量（m3/d·m）50－100100－200200－300300－500500－20001000－10000表2过滤器适宜直径、长度、规格类型及出水量过滤器设计位置:一般设在含水层中部，厚度较大的含水层，可将过滤管与井壁管间隔排列，在含水层中分段设置，以获得较好的出水效果。多层承压含水层，应选择在含水性最强的含水段安装过滤器。岩性为均质的潜水含水层，应在含水层底部的1/2～1/3厚度内设过滤器。大厚度含水层中的分段取水一般是采用井组形式，每个井组的井数决定于分段（或分层）取水数目。一般多由2～3口水井组成，井组内的3个孔可布置成三角形或直线形。由于分段取水时在水平方向的井间干扰作用甚微，所以其井间距离一般采用3～5m即可；当含水层颗粒较细，或水井封填质量不好时，为防止出现深、浅水井间的水流串通，可把孔距增大到5～10m。相邻取水段之间的垂向间距取值原则是：既要减少垂向上的干扰强度，又能充分汲取整个含水层厚度上的地下水资源。井组配置数据序号含水层厚度（m）管井数（个）滤水管长度（m）水平间距（m）垂直间距a（m）123430－4040－6060－100＞10011－22－3320－3020－3020－2520－255－105－105－10＞5≥5≥5表3分段（层）取水井组配置参考资料表80深度(m)706050403020100baarxrx分段取水井组布置示意图（3）井数和井间距离的确定①确定原则：满足设计需水量；技术上合理且经济、安全。②集中式供水井数与井间距离确定方法常采用解析法或数值法确定井数和井间距。解析法仅仅适用于均质各向同性，且边界条件规则的情况下。数值模拟技术工作程序为：建立地下水流数值模型；拟定出几个不同井数和井间距离的开采方案；分别计算每一布井方案的水井总出水量和指定点；或指定时刻的水位降深；选择出水量和指定点（时刻）水位降深均满足设计要求、井数最少、井间干扰强度不超过要求、建设投资和开采成本最低的布井方案。对于水井呈面状分布的水源地，因各井同时工作时，将在井群分布的中心部位产生最大的干扰水位降深，故在确定该类水源地的井数时，除考虑布井方案能否满足设计需水量外，还要考虑中心点的水位是否超过设计的允许水位降深值。③分散间歇式农田灌溉供水确定灌溉水井的合理间距的原则是：单位面积上的灌溉需水量必须与该范围内地下水的可采量相平衡。a.单井灌溉面积法根据下列公式计算出单井可控制的灌溉面积F（亩）：QTtFW式中：Q—单井的稳定出水量（m3/h）T—一次灌溉所需的天数；t—每天抽水时间（h）；W—灌水定额（m3/亩）；η—渠系水有效利用系数。正方网状布井，井间距离（D）应为667667QTtDFW23FD23QTtDWSnF等边三角形排列，井间距离为：或应布置的水井数（n）为：S—灌区的总面积/亩；β—土地利用率（％）；F—单井控制的灌溉面积/亩b.考虑井间干扰时的井距确定方法提出几种可能的设计水位降深和井距方案，分别计算出不同降深、不同井距条件下的单井干扰出水量；通过干扰水井的实际可灌溉面积与理论上应控制灌溉面积的对比，确定出合理的井距。2.大口井的合理布局（1）适用条件地下水位埋藏浅，含水层厚度不大和富水性较好。（2）井深的确定含水层埋深、设计水位降深、地下水位变幅、吸水管足阀下保留水深及井底反滤层厚度等。（3）井径的确定出水量大小、抽水设备安装位置及施工条件等。（4）成井类型含水层厚度为5~10m时，多采用井壁进水的完整井；含水层厚度大于10m，一般采用井底进水或井底井壁同时进水的非完整井，井底距不透水层不小于1.0~2.0m。完整式大口井井壁进水孔形式可以分为：水平进水孔、斜形进水孔和无砂混凝土透水井壁，同时，井底应深入不透水层，并设置沉砂坑。非完整式大口井井底进水（或井底井壁同时进水），井底进水必须做反滤层3~4层，防止井底涌砂。3.辐射井的合理布局（1）辐射井的组成辐射井由集水井和辐射管组成，其规格和作用见表4。表4辐射井组成名称规格作用集水井大口井封底或不封底，直径根据辐射管井的施工方法和抽水设备确定（1）顶进辐射管；（2）安装抽水设备；（3）汇集水量；（4）井底进水增加出水量（不封底时）辐射管沿集水井径向设置，直径50－250mm，单层或多层，每层数根集取河床渗透水和地下水图5单层辐射管布置dg=150～250mm辐射管L=10~30m动水位图6多层辐射管布置L=2~10m0.5~1.2mdg=50～75mm（2）合理布局①辐射井位置选择和平面布置根据集水类型，一般可分为四种布置形式。表5辐射井布置形式及位置选择集水类型布置形式位置选择原则集取河床渗透水集水井设在岸边或滩地，辐射管伸入河床下1.集取河床渗透水时，应选河床稳定，水质较清，流速较大，有一定冲刷力的直线河段。2.集取岸边地下水时，应选含水层较厚，渗透系数较大的地段。3.远离地表水体集取地下水时，应选地下水位较高，渗透系数较大地下水补给充沛的地段。同时集取河床渗透水和岸边地下水集水井设在岸边，部分辐射管伸入河床下，部分辐射管设在岸边集取岸边地下水集水井和辐射管都设在岸边远离河流集取地下水迎地下水流方向的辐射管长度，应大于背地下水流方向的辐射管的长度表6多层辐射管的布置（2）辐射管层次按辐射管铺设层次的多少，可分单层辐射管井和多层辐射管井，当含水层较薄或集取河床渗透水时，宜设置单层辐射管；当含水层较厚，地下水富水性好，可设置多层辐射管。多层辐射管的布置要求，见表6所示。当多层含水层较厚，各含水层之间水力联系又不密切时，可设置倾斜式辐射井。管径（mm）层数层距（m）每层根数50－754－60.5－1.26－8100－15021.5－3.03－64.渗渠的合理布局渗渠或称水平集水管按埋设位置和深度不同，可分为完整式及非完整式两种类型。（1）渗渠位置的选择水流较急，有一定冲刷能力的直线或凹岸非淤积河段，并尽可能靠近主流；含水层较厚，颗粒较粗，并不含泥质的地段；河水清澈，水位变化较小，河床稳定的河段。（2）渗渠平面布置的形式一般分为平行河流，垂直河流和平行与垂直河流相结合等形式。不同渗渠布置形式的适用条件和优缺点见表7。渗渠平面布置形式选择表布置形式优缺点适用条件河滩下平行于河流（或略成一倾角）施工较容易，检修方便；不易淤塞，出水量变化较小(1)含水层较厚，潜水充沛，河床较稳定，水质较好，集取河床潜流水和岸边地下水.(2)渗渠与河流水边线距离，当含水层为卵石、砾石层时，不宜小于25m；对稳定河床，可适当减少；河水混浊，应适当加大。在河滩下垂直于河流施工、检修方便、施工费用低出水量受河水季节变化影响较大(1)岸边地下水补给条件差.(2)河床下含水层较厚，透水性能好，潜流水较丰富.(3)集取河床潜流水.在河床下垂直于河流出水量较大；施工、检修困难，滤层易淤塞，需经常清洗翻修(1)河流水浅，冬季结冰，取地面水有困难；(2)河床含水层较薄，透水性较差(3)集取河床渗透水.平行与垂直组合布置兼有a、c形式的优缺点(1)地下水、潜流水均丰富，含水层较厚；(2)集取地下水，河床潜流水与河床渗透水(3)两条渗渠的夹角宜大于120°，垂直于河流的应短于平行于河流的渗渠.渗渠以截取河床潜流水和岸边漫滩潜水效果较好。由于含水层较薄，地下水调蓄能力小，受河水直接补给，其取水量随季节性变化很大，枯水期约为丰水期的50～60%或更小，而且投产后容易堵塞，出水量有逐年减少的趋势。埋设在河床下的渗渠，受河水影响