供水水文地质15

1、第六章 地下水资源的开发与管理1 取水工程2 供水水源地的选择3 取水构筑物的类型和布置4 管井设计及成井工艺5 增加单井出水量的措施6 地下水管理1 取水工程 对地下水进行开发利用，需要取水工程才能实现，取水工程的任务是从水源地中取水，送至水厂或用户。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1）。 地下水水源地地下水水源地取水构筑物取水构筑物沉砂池沉砂池清水池清水池加压泵房加压泵房用户用户取水构筑物取水构筑物水质净化站水质净化站清水池清水池加压泵房加压泵房用户用户取水构筑物取水构筑物用户用户取水构筑物取水构筑物清水池清水池加压泵房加压泵房用户用户图图1.1.地下水取水工程系

2、统组合形式地下水取水工程系统组合形式 返回2 供水水源地的选择 一、选择水源地时应考虑的问题一、选择水源地时应考虑的问题 供水水源地的选择是一项综合分析的工作，它既要考虑区域供水水源地的选择是一项综合分析的工作，它既要考虑区域水文地质条件，又要考虑社会及经济因素。一般来说，在选择供水文地质条件，又要考虑社会及经济因素。一般来说，在选择供水水源地时应考虑以下几方面的问题：水水源地时应考虑以下几方面的问题： 1、单个取水构筑物的出水量尽可能要大，这样可以减少建设、单个取水构筑物的出水量尽可能要大，这样可以减少建设投资；投资； 2、有利于增加开采补给量和最大限度截取天然排泄量；、有利于增加开采补给量

3、和最大限度截取天然排泄量； 3、地下水水质要好，而且开采后也不会引起水质恶化现象；、地下水水质要好，而且开采后也不会引起水质恶化现象； 4、不能破坏已有水源地的开采和改变生态环境，所以新建水、不能破坏已有水源地的开采和改变生态环境，所以新建水源地要尽量远离已有取水点和天然风景区以及容易引起地面沉陷、源地要尽量远离已有取水点和天然风景区以及容易引起地面沉陷、塌陷、地裂等负环境效应的地段；塌陷、地裂等负环境效应的地段； 5、有利于开采和管理并尽量能节省投资。、有利于开采和管理并尽量能节省投资。 二、供水水源地的选择的地段 供水水源地的选择必须在供水水文地质调查的基础上，详细分析与对比取水条件的利弊

4、而确定。一般选择在以下几种地段上： (1)含水层厚度大、透水性好的地段。如冲洪扇的中部、冲积平原的古河道、脆性岩层的断裂破碎带、地下河系发育的地带等。 (2)地下水集中排泄的地段。 (3)区域阻水界面的上游地段。如区域阻水断层的来水方向、岩脉的上方等。 (4)地表水体附近。返回3 取水构筑物的类型和布置一、水平取水构筑物渗渠二、垂直取水构筑物井 (一) 井的类型及适用条件 (二) 开采井的布局及井距的确定 1开采井的布局 2、集中式开采井的井距 3、分散开采井的井距返回一、水平取水构筑物渗渠适用条件：主要用以截取河流渗透水和潜流水。当河床潜水含水层埋藏不大(10m以内)时，利用渗渠取水是一种较

5、好的开采方式。布置方式：一般有平行岸边和横穿河底埋设两种方式。有时也有平行和垂直组合布置的方式(图）类型：完整式和非完整式。选用何种类型要根据水文地质条件、需水量大小和施工条件而定。结构：目前常用的渗渠结构，通常是由不同长度的钢筋混凝土孔管连接而成。根据设计取水量的大小，圆管直径多为0.61m，埋没时下垫砼管座，在渗水管周围充填相应规格的砂砾石滤料。返回 渗渠平面布置图（A)平行河流型；(B)横穿河流型；(C)平行与垂直组合型 l渗渠；2检查井； 3-导水管； 4、集水井；5-泵房河流1234524513河流河流123451（A）（B）(C)返回(一) 井的类型及适用条件(1)管井管井。用钻探

6、机械施工的取水井，农业上常称为机井。这种井的特点是井径较小，但深度较大，井径一般为150500mm，井深可达数十至数百米，单井出水量每日为数百至数千立方米。此种井由于采用钻探机械施工，具有适应性强、成井快、质量好和成本低等许多优点，因此在供水中是最常用的井型。(2)小井小井。它是用人工开挖的取水井因此又叫民井、土井。这种井口径一般在12m。在目前的水源地建设中一般不大采用，多被管井取代。(3) 大口井大口井。这种井的特点是口径特别大，一般为数米至数十米，井口形状有方形、长方形和圆形，大小及深度变化也较大，因此名称繁多，如大汗、方井、平塘、囤船等。这种井一般适用于透水性较差、地下水埋藏不深的地层

7、。施工时多采用人工开挖及机械排水相结合的方法成井。若大口井出水量仍偏小，也可在井内安装多根垂直、水平或倾斜的滤水管，构成所渭“辐射井”，以此增加井的出水能力，辐射井的渗水管一般采田50150mm穿孔钢管,管长230m不等。返回1、开采井的布局开采井的布局，主要应依据开采地段的水文地质条件及用水性质来确定。一般有以下两种形式：1、井排形式：垂直地下水流，布置一个至多个井排。适用于山前倾斜平原、有地表水体补给的地区，以及丘陵山区的基岩裂隙-岩溶水。2、网格形式。适用于可供开采的水量主要是大气降水垂向渗入的补给量、地下径流比较迟缓的平原区。返回2、集中式开采井井距的确定 集中式开采主要是针对城镇和工

8、矿企业供水来说的。确定原则：既要有利于最大限度的增加开采条件下的补给增量和截取天然条件下的排泄量，又能发挥每口井的最大效益，而且水位降深又在设计范围之内。 般情况下，出水量与水位降深的干扰值应控制在20%左右。集中式开采井井距参考表岩性岩性单井出水量单井出水量（m3/d)井距（井距（m)傍河潜水含傍河潜水含水层水层远河潜水含水远河潜水含水层（层（1000m)远河多层含远河多层含水层水层粗砂、卵石层粗砂、卵石层4300200-250300-400350-450中、粗砂层中、粗砂层2000-4000250-300400-500450-550细、中砂层细、中砂层1000-2000300-350500

9、-550550-650粉土、细砂层粉土、细砂层1000350-400550-600650-750返回3、分散开采井的井距的确定 （1）根据单井保浇面积确定井的布置。适用条件：地下水补给资源丰富，能满足土地浇溉需水量。如果水井按等边三角形(边长为R）排列，单井控制的总面积为F，则井的间距D（图示）为： 从上式可知，要确定井距必须求出单井保浇面积。单井保浇面积可用下式计算，即:23FD 667QtTnFm式中Q为单井出水量（m3/h）；t为每天抽水时数；T为作物轮灌期天数；n为渠系有效利用系数；m为灌溉定额（m3/亩）。因此井的间距为：13343QtTnDm注：上述是在未考虑干扰的情况下计算的，在

10、各井同时开采时井间必然产生干扰，所以还应验证开采时中心井水位降深是否符合设计要求（计算方法参照课本P202页井群干扰计算）。主要针对农田灌溉开采井。主要针对农田灌溉开采井。 （2）根据补给模数确定井的布置。适用条件：地下水补给资源小于灌溉需水量。首先根据补给模数确定单位面积上的开采井数，即：0MNQtT式中N为每平方公里面积上的井数（个/km2）；M0为含水层的补给模数（ m3/km2a）； Q为单井出水量（m3/h）；t为每天抽水时数；T为每年开采天数。如以正方形网状布井，则井距为：010001000QtTDMN按此井距布置是能保证长期开采的。规划时只能根据此开采量确定作物种植种类和灌溉枝术

11、。返回223882 34FFRR F2 3FR单井控制的总面积单井控制的总面积F为：为：2222 33FFDR则井的间距则井的间距D为：为：等边三角形布井示意图等边三角形布井示意图返回4 管井设计及成井工艺一、管井的一般结构：1、基岩裸井；2、管井的一般结构二、管井设计：1、井径；2、井身结构；3、井管的选取择；4、过滤器三、管井的成井工艺：1、泥浆的使用；2、取水层位的确定；3、围填；4、洗井返回1、基岩裸井 基岩中除坍塌破碎地段外，不设井管，这种井叫基岩裸井。右图为裸井示意图。返回2、管井的一般结构返回1、井径（1）考虑因素：取水量、井管和滤水管的口径及人工填砾的厚度，同时还要考虑凿井设备

12、的能力。（2）一般要求：按照供水管井设计、施工及验收规范的要求，井径应比选用的过滤器外径大50mm(有些供水勘探手册和资料认为应比滤水管外径大150200mm更适合些)，当为基岩裸井时，则要求井径比抽水设备出水管外径大50mm。（3）含水层砂颗粒的安全流速对井径的要求：QDl v D为设计的管井直径(m)，Q为预计的出水量m3/s）；l为滤水管的有效长度（m）； v为允许入井渗透流速，一般可采用W西恰特经验公式计算：115vKK为含水层渗透系数(m/s)。返回2、井身结构对供水管井，为了使整个井身保持较大直径，同时为了节省管材和施工方便，应尽量减少井身结构。对松散岩层，当井深不太大时，可采用“

13、一径到底”的井身结构，当井深较大，不能保证一径到底时，也应尽量减少井径的变化尽量减少井径的变化。对基岩裸井，除覆盖层外一般不用井管，其井身结构可根据实际情况确定。返回3、井管的选择 选择原则：选择原则：井管的作用是防止孔壁坍塌，保护孔壁完整，这是关系成井质量和水井使用年限的问题。对井管材料，除制造工艺上的要求外，还应要求： （1）具有一定的抗压、抗拉和弯曲的强度，以能承受孔壁岩层和填砾的侧向压力和自重压力； （2）井管无毒，不污染水质； （3）具有较强的抗腐蚀能力。 一般做法：一般做法：对于抽水试验孔抽水试验孔来说，由于下入和起拔时需要承受较大的压力和拉力、故要求井管有较大的强度，一般多多用无

14、缝钢管用无缝钢管。而对于供水井供水井的井管则不必要太高的强度，但由于长期埋置地下，故要求有较强的抗腐蚀性能，一般可一般可采用价格较便宜的钢板卷管、铸铁管、水泥管和塑料管等。采用价格较便宜的钢板卷管、铸铁管、水泥管和塑料管等。 内径要求内径要求：为了保证井管内水流畅通，井管内径井管内径一般要求大于抽水设备管外径大于抽水设备管外径50mm。 滤水管的长度：滤水管的长度：在松散岩层中一般应放置井管，设计动水位以上设置井壁管，设计动水位以下的含水层中设置足够长的滤水管。滤水管的长度对井的出水量有一定的影响一般对于不太厚的含水层(厚度小于20m)，通常采用完整井结构(即滤水管长度与含水层厚度相同)。对于

15、较厚含水层，可采用非完整外结构，其滤水管长度可按下式进行概略计算： 式中l为滤水管长度(m)； Q为预计的出水量m3/s）； d为过滤器外径(m)。非填砾管井按过滤器缠丝或包网的外径计算，填砾管按填砾层外径计算， 为取决于含水层颗粒组成的经验系数可按下表确定。Qld含水层渗透系数K（m/d）经验系数K（m/d）255150.090.06153030700.050.03返回4、过滤管（器） 1）过滤器的作用及基本要求）过滤器的作用及基本要求 2）过滤器的基本结构）过滤器的基本结构 3）过滤器的基本类型）过滤器的基本类型 4） 过滤器类型的选择过滤器类型的选择 5）填砾规格及花管缠丝间距填砾规格及

16、花管缠丝间距1 1） 过滤器的作用及基本要求过滤器的作用及基本要求 过滤器的作用过滤器的作用： 支撑作用。过滤器在松散含水层中或基岩含水层破碎带的井中起支撑井壁，防止井附近地面下沉或塌陷的作用； 过滤作用。过滤器阻止含水层的砂粒进入井内，保证所抽出的地下水含砂量不超过规定标准(一般要求不超过百万分之一)，并防止井淤。 过滤器应满足的基本要求是：具有较大的孔隙率，以减少地下水进入孔中的阻力，获得最大的出水量；具有良好的滤水作用，既能阻挡含水层中的砂粒进入井内，又不堵塞过滤器的孔隙；具有足够的强度，要能够承受井管的重量、地层和滤料的侧向压力，保证过滤器能安全顺利地下入井下且使用期间不损坏，对勘探孔

17、还要求能顺利起拨；具有较高的抗腐蚀能力，以防酸性水的侵蚀，延长井孔的使用寿命；加工方便，易于安装，成本低廉。 2） 过滤器的基本结构过滤器的基本结构（1）过滤骨架 过滤骨架主要是在保证透水性的条件下起支撑作用，一般有带网眼的管子和钢筋骨架两种结构。带网眼的管子，俗称花管。钢筋骨架是用直径为10mm16mm的钢筋以一定的间距(20mm30 mm)间隔排列，焊接在上下具有丝扣的短套管上制成。这种骨架的孔隙率可达60一70以上，主要用在强透水的完整基岩含水层中，以增大进水能力。过滤器的基本结构示意图 1、过滤骨架；2、垫条； 3、过滤层；4、护丝（2）过滤层 过滤层主要起过滤地下水，防止含水层的砂粒

18、进入井内的作用。常用的过滤层主要有三种，即缠丝、包网和砾石。过滤层一般包缠在过滤骨架上，与骨架一起构成过滤器。但也有一些类型的过滤器，其过滤层和骨架是分离的，如填砾过滤器。 3）过滤器的基本类型 由不同的过滤骨架和不同的过滤层可以组合成多种过滤器。依据材料、孔隙形式和结构特征对过滤器的分类见下表。分类依据类 型材 料 钢、铁、水泥、塑料、玻璃钢、石棉、陶瓷、矿渣水泥等孔隙形式圆孔、条孔、半圆孔结构特征骨架、缠丝、包网、砾石过滤器分类表过滤器类型图（1）a、圆孔；b、缝隙；c、包网；d、缠丝；过滤器类型图（2） e、钢筋骨架；f、笼状；g、筐状；h、填砾 4）过滤器类型的选择）过滤器类型的选择

19、管井中安装哪类过滤器，必须依据开采层颗粒大小及分选程度等因素决定。当含水层颗粒较大、分选较好时，可直接选用缠丝过滤器；反之，当含水层颗粒较细、分选较差时，就应当选用填砾过滤器。不同含水层所适用的过滤器类型可参考下表。含水层特征 适用的过滤器类型 稳定的基岩含水层不用过滤器坍塌掉块的基岩含水层只用过滤骨架卵石及砾石含水层缠丝过滤器或填砾过滤器粗砂及细砾含水层填砾过滤器、缠丝或包网过滤器中、细砂含水层填砾过滤器粉砂含水层筐状、罩形及双层填砾过滤器管外填砾规格、缠丝间距选用表5）填砾规格及花管缠丝间距）填砾规格及花管缠丝间距三、管井的成井工艺 管井的成井工艺包括凿井、下管、围填及洗井等多道工序。任一

20、道工序处理不当或质量不高，均会影响水井的成井质量。轻者影响出水效果，缩短水井使用年限；重者则可导致水井破坏，这种事例在过去的供水水文地质勘察及成井过程中多有发生，因此对成井工艺的每个工序都应严格要求。成井工艺的一般流程及主要技术要求如下：水井成井工艺及主要技术要求简表水井成井工艺及主要技术要求简表水井成井工艺及主要技术要求简表（续）水井成井工艺及主要技术要求简表（续）水井成井工艺及主要技术要求简表（续）水井成井工艺及主要技术要求简表（续）成井工艺的几点说明 1、泥浆的使用、泥浆的使用 在凿井工作中，泥浆起着正反两方面的作用，它不仅有保护孔壁、携带岩粉、冷却钻头等提高钻进效率的积极作用，但也有由

21、于泥浆会向含水层中渗入扩散和在孔壁上形成泥皮影响地下水向井内的渗透能力、减少井的出水量的消极作用。所以在凿井工作中既要充分利用泥浆的有利方面，又要注意防止相减少它的不利方面。为此在凿井中使用泥浆必须有一定的要求，一股在松散岩层中凿并时才能使用，而在坚硬基岩中凿井，除非坍塌的部位一般不宜使用，使用时也要控制泥浆的相对密度和粘度。 2取水层位的确定取水层位的确定 取水层位的确定是影响井出水量的关键因素。在缺乏勘探资料的地方施工管井、一定要采取岩土样进行编录和做颗粒分析，以作为划分地层和确定取水层位的依据，只靠电测井曲线和观测孔口的泥浆携带物来划分地层，有时会带来很大的误差，以致使取水层位的确定产生

22、错误。对于已有勘探资料的地区，在管井施工时也应适当采取岩土样以便与电测井曲线配合划分地层，修正勘探资料，如含水层透镜体的出现和尖灭，同一含水层在不同地段产生相变引起的误差等。在取水层位的选择上，一定要着眼于含水层厚度大及适水性能强的块段。 3围填围填 井管下入后，应对管外环状间隙进行围填，在取水层位填充砾料、在非取水层位封闭固井。 （1）填砾）填砾。填砾是在对着含水层的过滤管周围人工围填砾料，使其过滤管与砂层之间形成一个人工过滤层，以增大过滤管及其四周的有效孔隙率，从而达到减少进水时的水头损失及防止砂粒进入井内。正确选择砾料直径是保证填砾质量的关键环节，砾科直径过大，会使填砾层丧失阻砂能力，砾

23、料直径过小，则不仅填砾层渗透性小，而且在洗井时，填砾层外围的旧颗粒受冲击小，不利于天然滤层的形成，影响管井的出水量。填砾的直径应是砂直径的48倍，一般认为6倍最佳。而选择台适的砾料，首先必须正确确定含水层的颗粒组成。 为此，含水层的取样及颗粒分析是非常重要的。孔内所需砾料数量，可按下式计算： V0.785(D2一d2) LK 式中：V为填砾数量(m3)；D为井径(m)；d为过滤管外径(m)；L为填砾高度(M)，K为超径系数，一般取1. 21.5。填砾高度的确定要考虑洗井和抽水后填砾会变得密实的因素,通常填料要下沉十分之一至五分之一，因此填料应高于所填砾料高度约五分之一左右。填砾的质量也对管井的

24、出水量和防沙能力有重要的影响，因此要十分注意填砾的方法。填砾方法有很多种，要根据具体条件选择合适的方法。当从井口直接填入时要求填砾速度不能太快，一般应控制在23m3/h为为宜，而且要随时测量填砾高度，防止形成砾桥，而影响填砾质量。 （2）井管外封闭）井管外封闭。封闭的目的是防止有害的或不良含水层的水进入井内。在进行封闭前，要计算好用料的数量。通常用填入粘土球(直径2535mm)或速凝水泥进行封闭止水和围井。 4洗井洗井 洗井工作是管井成井工艺中最后、也是最重要最的一道工序。洗井的目的主要是消除泥浆的影响及洗去井外含水层和过滤器中的细小颗粒，形成渗透性较大的天然滤层。以便增加井的出水量。 洗井方

25、法很多，下面简要介绍几种常用的洗井方法。（1）活塞洗井）活塞洗井。活塞洗井的原理是：当活塞在井管中下行时活塞下部液体在高压下迅速通过过滤器冲击破坏孔壁上的泥浆皮；当活塞上行时，活塞下部井筒中形成局部负压，管外水流则在巨大压力差作用下又高速回流井中，不仅再次破坏孔壁泥皮，同时也将含水层中的细颗粒带入井中。活塞在井管中不断上下运动，使含水层疏通，砾料排列密实。达到增加出水量的目的。活塞洗井是破坏井壁泥浆皮、清除渗入含水层中的泥浆及形成井外反滤层最有效方法而且这种洗并设备简单、操作方便，洗井成本较低且洗井效率较高，是目前广泛使用的洗井方法。但该方法主要适用于井管内壁光滑和强度较高以及颗粒较粗的含水层。当井管强度不高时，容易拉断，在细粒含水层中则可能引起大量涌沙。 (2)空压机洗井空压机洗井。利用空压机洗井是国内最常规的方法，一般又分喷嘴反冲洗井和振荡洗井两种。喷嘴洗井是在风管下部装上喷气嘴，使压缩空气以很高的速度喷出，借助水汽混合的冲力破坏泥浆皮，达到沉井的目的。振荡洗井是空气管上下移动，一会提出水管外，一会伸入水管内，使水在水管内来回流动，即产生振荡作用，达到破坏泥皮和疏通含水层的目的。空压机洗井具有工作安全、洗井干净等优点，但成本较高，且受地下水位深度的限制。因此对于动水位过深或井深较浅的水井，一般不能采用。如果这种方法与活塞洗