第十一章地下水资源的开发保护与管理Word文档下载推荐.docx
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为了减少因开采地下水后引起的不良环境地质问题，水源地应选在不易引起地面沉降、塌陷、地裂、滑坡等有害地质作用的地段上。
在选择水源地时，还应从经济、安全和扩建前景方面加以考虑。
在满足水量、水质要求的前题下，为节省建设投资，水源地应尽可能靠近供水区；
为降低取水成本，应选择在地下水位浅埋或自流的地段；
对河谷水源地，要考虑水井可能被淹没的问题；
用人工开挖的大口径取水工程，则要考虑井壁的稳固性。
当有几个水源地方案可供比较选择时，还应考虑未来扩大开采的前景条件。
在实际工作中，应按以上原则全面分析考虑。
若具体条件不能完全满足时，则应分出主次，尽量满足主要条件。
上述原则对于山区基岩裂隙水小型水源地的选择（或单个取水井的定位），也基本上是适合的。
但是，由于基岩地区地下水分布极不均匀，水井的布置主要决定于强含水裂隙带及强岩溶发育带的分布位置。
此外，布井地段上游有无较大补给面积、地下汇水条件及夺取开采补给量的条件，也是确定基岩区水井位置时必须考虑的因素。
二、取水建筑物的类型和运用条件
正确地选择取水建筑物的类型（井型），不仅关系到能否以最少投资取得最大出水量；
同时，也关系到水源地建成后能否长期运转和取水成本低的问题。
正确地选择井型，常常是能否成井的关键。
取水建筑物类型的选择，主要决定于含水层（带）的空间分布特点及含水层（带）的埋藏深度、厚度和富水性能；
同时，也与设计需水量大小、预计的施工方法及选用的抽水设备类型等因素有关。
现将目前我国常用的取水建筑物类型及适用条件列于表11一1中。
除表11—1中所列各种常见的单一取水建筑物外，还有一些适用于某种特定水文地质条件的联合取水工程，如开采深埋岩溶含水层的竖井、钻孔联合工程；
开采复杂脉状含水层（带）的竖井一水平或倾斜钻孔联合工程和竖井一水平坑道联合工程；
开采岩溶暗河水的拦地下河堵坝引水工程等。
三、取水建筑物的合理布局
水源地的范围和取水建筑物的类型确定之后，怎样合理地布置取水建筑物，才能最有效地开采地下水并防止有害后果的产生，就成为最重要的工作。
合理布局主要指取水井平面和剖面上的布置（排列）形式及井间距离与井数等的确定。
1．水井的平面布局
水井的平面布局主要决定于地下水可开采量的组成性质及其运动形式。
在地下径流条件良好的地区，为充分拦截地下径流，水井应布置成垂直地下水流向的并排形式，视地下径流量的大小，可布置一个或几个井排。
例如，我国许多山前冲洪积扇中、上部的水源地，主要是靠上游地下径流补给的河谷水源地，以及由一些巨大的阻水界面所形成的裂隙一岩溶水源地，多采用上述水井布置形式。
如水源地的主要补给水源可能是地表水体时，则开采井排应平行于地表水体的延伸方向布置。
当含水层四周被透水边界包围时，开采井也可以布置成环形、三角形、矩形等集中孔组形式。
在地下径流滞缓的平原区，当开采量以含水层的储存量或垂向入渗补给量为主时，则开采井群一般布置成网格状、梅花形或圆形的形式。
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，其开采井则应沿着河谷方向布置，视河谷宽度布置一到数个井排。
在岩层导、储水性能分布很不均匀的基岩裂隙水分布区，水井的平面布局主要受富水带分布位置的控制，应把水井布置在补给条件最好的强含水裂隙带上，而不必拘束于布井规则要求的布置形式。
农田灌溉水井的布局，则均匀分布在整个灌区。
2．水井的垂向布局
对于厚度大（大于30m）的含水层或含水组，是采用完整井开采，还是用非完整井分段分层多井开采，尚需研究和试验。
而对于厚度不大（小于30m）的松散含水层和大多数基岩含水层，一般采用完整井开采最合理，因此不存在垂向布局问题。
西安某水源地为大厚度冲、湖积含水层，通过分段抽水试验得到过滤器长度（L）与水井出水量（Q）的关系曲线（图11—l）。
由图可见，出水量随着滤水管长度的增大而急剧加大，但其增长强度（ΔQ／ΔL）愈来愈小（见图11—2）。
当滤水管增加到一定长度后，出水量已基本不再增加了。
进行供水管井设计时，一般取ΔQ／ΔL＝0.5的滤水管长度（La）作为分段取水设计的依据，将这个La称“过滤器的合理长度”，它约占整个井出水量的90％一95％。
过滤器的合理长度还与水位降深、含水层厚度、渗透性、过滤器直径等因素有关，可根据抽水试验或用经验公式计算确定，一般为20—30m之间。
为了充分汲取大厚度含水层整个厚度上的水资源，可以在含水层不同深度上采取分段（或分层）取水的方式。
一般采用井组形式取水，多由2—3口水井组成，可布置成三角形或直线形。
井间距一般为3一5m即可。
当含水层颗粒较细或水井封填质量不好时，为防止深、浅水井间水流串通，可把孔距增大到6一l0m。
相邻取水段之间的垂向间距（图11—3中的a段）的确定原则是：
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。
表11—2列出了在不同含水层厚度条件下分段取水的垂向间距（a）等的经验数据。
实践经验表明，滤水管垂向间距在5—10m时，其垂向水量干扰系数一般都小于25％，完全可以满足设计的要求。
实践证明，在进水性较好（中砂以上）的大厚度含水层中分段（层）取水，既可有效地开发地下水资源，提高单位面积产水量，又可节省建井投资（不用扩建或新建水源地），并能减轻浅部含水层的开采强度。
据北京、西安、兰州等市20多个水源地统计，由于采用了井组分段取水方法，水源地的产水量都获得了成倍增加。
当然，井组分段（层）取水也是有一定条件的。
如果采用分段取水，又不相应地加大井组之间的距离，将会大大增加单位面积上的取水强度，从而加大含水层的水位降深或加剧区域地下水位的下降速度。
因此，对补给条件不太好的水源地，采用分段取水方法时要慎重。
3．井数和井间距离的确定
两者的确定原则是：
在满足设计需水量的前提下，本着技术上合理，且经济、安全的原则确定水井（井组）的数量与井间距离。
取水地段范围确定之后，井数主要决定于该地段的允许开采量或设计总需水量和井间距离，以及单井出水量的大小。
集中式供水水井的数量与井间距，一般是用解析法井流公式计算确定的。
即首先根据水源地的水文地质条件、井群的平面布局形式、需水量的大小及设计允许水位降深等已给定的条件，拟定出几个不同井数和井间距的开采方案，然后选用适合的公式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，最后优选出水量和指定点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（一般要求水量减少系数小于20％一25%）、建设投资和开采成本最低的布井方案，即技术、经济最合理的井数与井距方案。
农田灌溉供水井的布局，主要是确定合理的井间距离。
考虑的主要原则是：
单位面积上的灌水量必须与该范围内地下水的可采量相平衡。
力求将开采地下水时的井间干扰减到最小，以节省设备和动力，降低开采成本，充分发挥单井效益。
如果井距太小，井数增多，井间干扰增大，单井出水量就会减小。
这不仅会增加投资和消耗动力，甚至能引起区域地下水位持续下降．使开采条件恶化。
井距太大，虽然井间干扰减少，单井出水量较大，但其需要控制的灌水面积增大，单井出水量难以满足灌水定额要求。
因此，需要兼顾上述的两个方面确定合理的井距。
其方法有以下几种。
（1）单井灌溉面积法：
当地下水资源较丰富，能满足灌溉需水量要求，单井出水量又较大时，则可简单地根据需水量来确定井数与井距。
首先，根据单井出水量计算单井灌溉面积F（亩）：
式中：
Q––––单井出水量（m3／h）；
T––––一次灌溉所需的天数（d）；
t––––每天抽水时间（h）；
W––––灌水定额（m3／亩）；
η––––渠系水的有效利用系数。
如果水井按正方网状布置，则水井间距离D（m）应为：
如果水井按等边三角形排列，则井间距为：
整个灌区内应布置的水井数（n）为：
A––––灌区的总面积（亩）；
β––––土地利用率（%）；
F––––单井控制的灌溉面积（亩）
从以上公式可见，用这种方法计算的井数和井距，主要决定于单井所控制的面积。
在单井水量一定的条件下，单井控制面积大小决定于灌水定额。
因此，应从平整土地、减少渠道渗漏、改进灌溉技术等方面来降低灌水定额。
（2）开采模数法：
在地下水资源不太丰富的地区，为了保护地下水资源不至枯竭，须保持灌区内地下水量的收支平衡。
因此，只能根据允许开采量来计算井数和井距，但不一定能保证满足全部土地灌溉所需的水量，不足部分，可用地表水或其他方法解决。
如果已知该区含水层的允许开采模数Mb（m3／（km2·
h））时，则每平方公里面积上的平均井数（N）为：
T1为每年采水天数（d）；
t为每天采水时数（h）；
Q为单井出水量（m3／h）。
其
合理井间距D为（按正方形）：
（3）根据抽水（或开采）试验确定井距：
以上两种计算方法是用于地下水资源量已查明的情况下。
实际上，一个地区在开采地下水的初期阶段，水资源状况往往尚未完全查明。
在这种情况下，可进行抽水试验或开采试验，根据互相干扰影响的程度确定合理的井距，至少应将井距限制在多孔干扰抽水的出水量减少值不超过单井出水量的20％一25％，据此得出最小井距，指导地区打井。
河北衡水地区确定的允许最小井距列入表11一3中。
如果按允许的最小井距布井后，开采水量若大于允许开采量，则须人工补给地下水或地表水与地下水综合利用，或限量开采，以避免因消耗永久储存量引起地下水位持续下降，导致开采条件恶化和水资源枯竭等环境地质问题的发生。
四、管井的结构设计
一个已选定的地下水源地，能否实现预期的产水量，除了与水井的合理布局有关外，还与水井的结构密切相关。
因此，水文地质人员应具有管井结构设计的基本知识。
生产用管井的结构与勘探阶段抽水试验钻孔结构相似，但也有一些不同之处。
两者相似之处是，井身的基本结构和各部分的功用相同，即都是由井壁管、滤水管（过滤器）和沉淀管三部分构成。
其主要的差别是，抽水试验孔主要是为了满足取得含水层的某些水文地质计算参数或取得水位降深与钻孔出水量关系的资料，故其井径无须太大，且试验结束后需起拔井管；
而供水管井则主要是为了取得足够的水量，故一般口径较大，同时要求能长期安全运转。
这些特点就是供水管井设计时必须考虑的因素。
1．井身的结构
当供水管井的深度不大时，为了使整个井身保持较大的直径，以增加进水量、便于下入水泵和为了节省管材，以及施工方便，设计时应尽量简化井身结构。
对孔深小于100m的浅供水井，一般采用同径到底的井身结构；
对于100m以上较深的水井，为了在维修时易于起拔井管，或受凿井设备能力的限制和为了节省管材，可考虑采用变径的井身结构。
2．井径（钻孔直径）
井径的大小主要决定于管井的设计取水量，凿井设备的能力，所用井管、滤水管的口径和人工填砾的厚度。
据供水管井设计规范的要求，井径应比所选用的过滤器外径大50mm（填砾较厚时，应大150—200mm）。
如为基岩井，则要求井径比抽水设备标定的井管内径大50mm。
此外，在确定松散含水层中的管井井径时，还须用允许入井渗透流速（V允）复核。
这是为了减少水流经过过滤器的摩阻损失，为此必须降低水流进井的速度。
如果该速度过大，不仅会大大增加水头损失（因水头损失与流速的平方成正比），而且将带动井外的细砂等逐渐聚集、堵塞在过滤器外表。
随着井的开采，堵塞将逐渐严重，使井的出水量显著减少；
严重时可使井出水量减少到20％以下。
因此，水井的直径应满足下式要求：
D––––设计的管井井径（m）；
Q––––设计的取水量（m3/s）；
L––––过滤器工作部分长度（m）；
V允––––允许入井渗透流速，可查规范中的经验数值（m／s）。
3．井管的种类和规格
井管包括井壁管、过滤管和沉淀管。
对于临时性的抽水试验井来说，由于在下入和起拔井管时需要承受较大的压力和拉力，故要求井管材料应有较大的强度，一般多用无缝钢管。
而对于供水井的井管材料强度，不必有太高的要求。
但由于井管长期埋置地下。
故要求有较强的抗腐蚀性能，一般可采用造价较便宜的铸铁管、水泥管、塑料管及陶瓷管等。
当水井深度较大时，则应采用抗压、抗拉强度较大的钢管或玻璃钢管。
如果仅仅从井径与水井出水量的关系来看，根据北京水文地质队的试验，井管（指过滤管）的口径大于203.2mm就不会过多地影响管井的出水量。
因此，在设计中主要是根据所选用的抽水设备类型和规格确定井管的口径。
设计时，要求井管的内径应比抽水设备要求的井管公称内径大50mm。
同时，亦应根据设计的取水量，用允许入管水流速度进行复核，即过滤管的外径应满足于下式要求：
D––––过滤管外径（缠丝过滤管，应算至缠丝外表）（m）；
Q––––设计取水量（m3／s）；
L––––过滤管的工作部分长度（m）；
n––––过滤管表层进水面的有效孔隙率（％）；
v允′––––允许入管水流速度，其值可按表11—4确定（m／s）。
常用井管类型、口径，钻孔直径、深度的配合关系，如表11—5所示。
4．过滤器类型的选择
正确选择过滤器类型，是保证供水并取得最大出水量、消除涌砂、延长水井使用年限的关键。
在实际工作中，往往因过滤器类型（或材料）选择不当，造成水井大量涌砂，或因地下水的化学、微生物腐蚀结垢作用造成水井淤塞或滤水孔（网）被堵，使水井出水量减少，甚至完全失去出水能力。
有时，大量涌砂，会导致地面产生塌陷。
为了增大钻孔的出水量，必须设法使地下水流向钻孔的各种阻力减少到最低限度。
在各种阻力中，以紊流摩阻和地下水流经滤水断面时的摩阻损失最大。
为了减少这些摩阻损失，就必须用人工方法加大井管外围的渗透性能。
目前，最有效的办法就是采用填砾过滤器，并尽可能增大填砾层的厚度，并选用与含水层性质相适应的填砾规格。
选择过滤器类型时，对于松散孔隙含水层，主要考虑的是含水层的颗粒大小及分选程度；
对基岩含水层（带），则既要考虑岩石的稳固程度，又要考虑孔洞、裂隙中疏松充填物质的粒度和分选程度。
适于不同含水层的过滤器种类及规格及井的出水量列于表11—6中。
过滤器的材料，主要是根据地下水有无侵蚀性来选择。
因此，要求在钻进和抽水试验过程中，及时采取土样、水样，进行颗粒的筛分和水质侵蚀指标的分析，以便正确设计过滤器。
五、管井的成井工艺
管井的成井工艺，包括从钻进开始直至下管、回填、洗井等多道工序。
其中的任何一道工序处理不当或完成质量不高，都会影响水井的成井质量。
轻则影响水井的出水量，减少水井使用年限；
严重时，可使水井报废。
故水文地质人员必须对成井工艺有所了解，并予以重视，与钻探人员配合，共同保证成井质量。
由于有关成井工艺的详细要求，在各种钻井技术规程或手册中均有论述，本教材对成井工艺的一般流程和要求，仅列表说明（见表11—7）。
这里着重介绍对成井质量影响较大的洗井方法。
洗井工作是管井成井工艺中最后和最重要的一道工序。
洗井的好坏对管井出水量有很大的影响。
洗井的目的、任务及技术要求已列于表11—7中。
洗井的方法基本上可分为机械洗井和化学洗井两大类。
前者目前普遍使用，而后者最有发展前途。
1．机械洗井法
目前使用最广泛的是活塞洗井法和空压机洗井法；
其次是水泵抽压洗井法、冲孔器洗井法和各种联合洗井法。
机械洗井法的共同原理是：
通过洗井设备在井中产生的强大抽、压作用和冲击振荡作用，加大井内外的水压力差和加快地下水流速，从而破除井壁泥皮、带出阻塞于含水层空隙与过滤器中的细粒物质，以达到疏通含水层、增加水井出水量的目的。
活塞洗井法所需设备少，方法简单，洗井成本较低，洗井效率亦高。
但当井管强度不高时，易被活塞拉坏；
在细粒含水层中洗井时，可能引起大量进砂。
空压机洗井具有工作安全、洗井干净等优点，但洗井成本较高，且受地下水位深度限制。
因此，动水位过深或井深较浅的水井，皆不适于空压机洗井。
当条件适合时，用空压机与活塞联合洗井，可以取得很好的洗井效果。
2．化学洗井法
它是近代国内、外正在发展的一种新式洗井方法。
这种方法操作简便，成本低廉，对于因化学或生物化学结垢作用而堵塞的水井，化学洗井效果远比机械洗井为佳；
而在某些碳酸盐岩含水层中，化学洗井还可起到扩大含水层裂隙、溶隙通道的作用。
我国目前已推广的化学洗井技术有：
（1）多磷酸钠盐洗井法：
目前在洗井中使用的多磷酸钠盐有：
六偏磷酸钠〔（NaPO3）6〕、三聚磷酸钠（Na5P3O10）、焦磷酸钠（Na4P2O7）和磷酸三钠（Na3PO4）等。
现以洗井中经常使用的工业用焦磷酸钠（即无水焦磷酸盐）为例，说明其原理及使用方法。
无水焦磷酸钠为白色粉末状，易溶于水，呈碱性（pH＝9.2），无毒，对钢材腐蚀性较弱。
由于其价格比较便宜，故宜于野外批量使用。
焦磷酸钠洗井的作用机理是：
由于焦磷酸钠与泥浆中的粘土粒子发生络合作用，可形成水溶性的络合离子，其反应式如下：
上述反映形成的络合离子CaNa4（P2O7）2一是一些惰性离子。
这些离子既不发生化学的逆反应，也不会自身聚结沉淀，更不与其它离子化合沉淀，故易于在洗井、抽水时随水排出。
同时，这种带负电荷的络合离子，还可以吸附在粘土粒子上，使粘土粒子表面的负电性加强，从而加大了粘土粒子之间的斥力、降低了泥浆的粘度与剪切力。
这是焦磷酸钠能够分解、破坏井壁泥皮和含水层泥浆沉淀的主要原因。
焦磷酸钠洗井的大致步骤如下：
首先下置井管，待砾料填至设计高度后，即用泥浆泵将浓度为0.6％一0.8％的焦磷酸钠溶液注入井管内、外（先管外、后管内），然后继续完成管外的止水回填工作。
待静置5一6h，焦磷酸钠与粘土粒子充分结合后，即可用其它方法进行洗井。
焦磷酸钠盐溶液的注入量，应与含水层井筒的体积大致等同（扣除井管与砾料骨架所占体积）。
由于不同的多磷酸盐，在不同化学性质的水溶液中具有不同的化学活性，因此须根据当地地下水的化学性质和土壤的含盐成分确定所选用的多磷酸盐种类。
（2）液态二氧化碳洗井法：
根据实验知，二氧化碳气体在压力为5.099×
105Pa、温度为零下37℃的条件下即可液化；
也能在压力为71.44×
105Pa、温度为31.19℃的条件下液化。
液态二氧化碳在瓶内的压力，随着温度变化而剧烈变化。
当温度由－25℃上升至0℃、45℃时，其压力则相应由16.2×
105Pa上升到30.4×
105Pa、109.43×
105Pa。
液态二氧化碳洗井的基本原理是：
通过高压管送入井下的液态二氧化碳，经过吸热和降压后气化，并在井内产生强大的高压水气流，从而破坏井壁泥浆皮，疏通含水层的孔隙、裂隙通道，并使井内岩屑、泥浆等充填物伴随高压水流喷出地表，达到洗井和增加水井出水量目的。
在碳酸盐岩和石膏等可溶岩地层中洗井时，可先向井中注入一定量的盐酸，静止1.5一2h后，再灌入液态二氧化碳。
这时，液态二氧化碳由于吸热膨胀而产生气体，将先把盐酸压入岩层裂隙深处，起到加速溶解可溶岩石和扩大裂隙的作用，而后所溶解的物质又随着井喷被带出井口。
有时，在揭露碳酸盐岩的水井中，即便只注入盐酸，也可因化学反应生成大量CO2气体而产生井喷。
为了防止金属管材在洗井过程中被酸腐蚀，必须在酸液中加入一定比例的甲醛、丁炔二醇〔C4H4（OH）2〕和碘化钠〔NaI〕、碘化钾〔KI〕等防腐蚀剂。
此外，当孔内（特别是施工期较长的深孔）泥浆皮较厚实时，亦可加入能够减缓泥皮凝固、硬化的多磷酸钠盐，以加强洗井效果。
洗井设备的安装可参看图11—4。
液态二氧化碳洗井法，是目前诸种洗井方法中比较先进的方法。
方法简单，节省时间，成本低廉，对于松散孔隙含水层或基岩裂隙含水层，以及不同深度、不同材质、不同结构的新、老管井均有较好的洗井效果。
根据中国农业工程研究设计院农业工程管理处对50余眼试验机井统计，使用液态二氧化碳洗井比用一般常规洗井法可提高水井出水量0.3倍至数倍（最大达27倍），节省洗井时间60％～80％，节省材料（特别是油料）费用50％以上。
因此，它是一种值得大力推广的洗井方法。
但应注意安全工作。
六、管井的腐蚀、结垢、堵塞及其防治
管井在使用一段时期后，常出现水量逐渐减少的现象，甚至有的完全报费。
这是由于管井被腐蚀、结垢、堵塞等病害造成的。
了解它们的原因和形成过程，不仅是修复“病井”工作的需要，对于改进成井工艺也极为重要。
（一）管井被腐蚀的原因
管井被腐蚀的原因很多。
其中，以溶解氧、电化学和细菌三者的腐蚀最重要，且以电化学腐蚀最普遍、最强烈。
如果电化学腐蚀作用与氧的腐蚀作用相结合，则其危害性更大。
它能与水中处于离子或胶体状态的铁形成氢氧化铁，沉淀在滤网与过滤器骨架之间，使管井逐渐被堵塞。
腐蚀作用可在非饱和条件下继续进行。
钙和镁离子也有同样的危害作用。
关于溶解氧和电化学作用对金属的腐蚀原理，已在本书水质评价中讲述，本节只介绍金属管材的细菌腐蚀机理。
细菌腐蚀又称为微生物腐蚀，主要是指铁细菌和硫酸盐还原细菌等微生物对井管的腐蚀及其结垢作用。
铁细菌一般生活在pH＝6.5—7.5的介质中。
当pH值大于8时，基本不存在铁细菌。
多数井管的电化学腐蚀作用，都会使地下水中铁离子的浓度增加，从而给铁细菌生存繁殖创造了条件。
由于铁细菌需大量吸收铁离子而生存，又
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