10第十章地下水资源的开发

第十章地下水资源的开发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，主要包括水源、取水构筑物、输配水管道、水厂和水处理设施（图10．1）。由图10.l可以看出，在确定取水工程之前，首先应研究供水水源地，从而选择经济与技术合理的取水构筑物（类型、结构与布设等），这是供水水文地质勘察的主要任务之一。第一节水源地的选择水源地的选择，对大中型集中供水水源地来说，就是选择取水地段；对小型分散供水水源地来说，则是解决某几眼水井的具体位置。水源地位置选择的正确与否，不仅关系到水源地建设的投资，而且关系到是否能保证水源地长期经济、安全地运转和避免产生各种不良的环境地质问题。在选择集中供水水源地的位置时，一般应考虑以下技术和经济方面的条件：为满足水量要求和节省建井投资，供水水源地（或开采地段）应尽可能选择在含水层层数多、厚度大、渗透性强、分布广、具有调节能力、水量丰富、水质良好的地段上。如冲洪积层的中、上部砾石带和轴部，冲积平原的古河床，厚度较大的层状或似层状裂隙岩溶含水层，延续深远的断裂及其他脉状基岩含水带。为增加开采补给量，保证水源地的长期均衡开采，水源地应尽可能选择在可以最大限度拦截区域地下径流的地段，接近补给水源和能充分夺取各种补给量的地段。例如，区域性阻水界面的上游一侧；在松散地层分布区，水源地应尽量靠近补给地下水的河流岸边；在岩溶区，最好选择在区域地下径流的排泄区附近。为保证水源地投产后能按预计开采动态正常运转，避免过量开采产生的各种生态和环境负效应，在选择水源地时，要从区域水资源综合平衡观点出发，尽量避免出现工业和农业用水之争、供水与矿山排水以及上下游之间的矛盾，新建水源地应尽量远离原有的取水或排水点，减少互相干扰。为保证取出水的质量，水源地应选择在不易引起水质污染（或恶化）、便于保护的地段上。如远离城市或工矿排污区的上游；远离已污染（或天然水质不良）的地表水体或含水层地段；避开易于使水井淤塞、涌沙或水质长期混浊的流沙层或岩溶充填带；为减少垂向污水渗入的可能性，最好把水源地选择在包气带防污性能好的地方。另外，水源地应选择在不易引起地面沉陷、塌陷、地裂等有害工程地质问题的地段，以及洪水不易淹没的地区。在选择水源地时，还应从经济、安全和扩建前景方面考虑。在满足水量、水质要求的前提下，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，水源地应选择在地下水浅埋或自流地段；对河谷水源地，要考虑洪水的淹没问题；对人工开挖的大口径取水工程，则要考虑井壁的稳固性。当存在多个水源地方案可供选择时，应加强多个方案的分析比较，从而优选出最佳的水源地。以上这些集中式供水水源地的选择原则，对于基岩裂隙山区的小型水源地的选择（或者说单个水井的定位）也基本上适用。但在基岩地区，由于地下水分布极不均匀，水井的布置将主要取决于富水裂隙带分布的位置。此外，布井地段的上游有比较大的补给面积、地下汇水条件以及夺取开采补给量的条件，亦是确定基岩区水井位置时必须考虑的条件。第二节取水建筑物的类型及适用条件地下水取水建筑物大致可分为垂直的（井）和水平的（渠）两种类型。在某些情况下，两种类型可联合使用，如大口井与渗渠相结合的取水形式。正确选用取水构筑物的类型，对提高出水量、改善水质和降低工程造价影响很大，同时，还应考虑设备材料供应情况、施工条件和工期长短等因素。取水建筑物类型的选择，主要决定于含水层（带）的空间分布特点以及含水层（带）的埋藏深度、厚度和富水能力；同时也与设计的需水量大小、预计的施工方法、选用的抽水设备类型等因素有关。表10.1中列出了目前我国常用的取水建筑物类型及适用条件。除表10.1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—水平或倾斜钻孔联合工程、竖井—水平坑道工程；开采岩溶暗河水的拦地下河堵坝引水工程等。第三节取水建筑物的合理布局取水建筑物的合理布局，是指在水源地的允许开采量和取水范围确定之后，以何种技术上、经济上合理的取水建筑物布置方案，才能最有效地和最少产生有害作用地开采地下水。一般所说的取水建筑物合理布局，主要包括取水建筑物平面或剖面上的布置（排列）形式、间距与数量等方面的问题。一、管井的合理布局（一）管井的平面布局井群的平面布置方案应根据勘察地段的水文地质条件确定。开采井的平面布局主要有如下几种类型：1）直线布井方式，主要适用于傍河水源地，可沿河布置一排或两排的直线井群；2）梅花形布井方式，主要适用于远河的潜水及多个含水层的地下水开采地段；3）扇形布井方式，在基岩地区，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）平均布井方式，主要应用面状布井方式，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。需要指出的是，在岩层导水性、储水性分布极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，应该把水井布置在补给条件最好的强含水裂隙带上，而不必拘束于规则要求的布置形式。（二）水井的垂向布局对于厚度不大的（小于30m）孔隙含水层和多数的基岩含水层（主要含水裂隙段的厚度亦不大），一般均采用完整井形式（即整个含水层厚度）取水，因此不存在水井在垂向上的多种布局问题。而对于大厚度（大于30m）的含水层或多层含水组，是采用完整井取水，还是采用非完整井井组分段取水，应从技术上、经济上的合理性考虑确定。对于多层含水层，可以采用在垂向上分层取水，这样既可达到取不同含水层水资源的目的，也便于管理。例如，渭南傍河水源地就采用垂向井组方式分别开采45m以上潜水、45～90m浅层承压水、90～180m中层承压水和180～300m深层承压水。对于大厚度单层含水层，可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。过滤器合理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。根据井内试验测试，在细颗粒（粉、细、中砂）含水层中，靠近水泵部位井壁进水多，下部进水少，大约70％～80％的出水量是从过滤器上部进入的。冶金勘察总公司试验资料表明，过滤器适用长度不宜超过30m。在粗颗粒（卵、砾石）含水层中，过滤器的有效长度随着动水位的加大和出水量增加，可向深部延长，但随着动水位的继续增加，向深度延长率就越来越小。由陕西省综合勘察设计院在西安市大厚度含水层中的试验可知（图10.2和图10.3），当降深达到10.47m时，过滤器有效长度不超过30m。因此，过滤器长度可按下列原则确定：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1队2确定。过滤器一般设在含水层中部，厚度较大的含水层中，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l/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，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（图10.4）。设计分段取水时，应正确确定出相邻取水段之间的垂向间距（图10.4中的a段），其取值原则是：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。表10.3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。如果要确定a的可靠值，则应通过井组分段（层）取水干扰抽水试验确定。许多分段取水的实际材料表明，上、下滤水管的垂向间距a在5～10m时，其垂向水量干扰系数一般都小于25％，完全可以满足供水管并设计的要求。在透水性较好（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）并减轻浅部含水层开采强度。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（层）取水方法，水源地的开采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。（三）井数和井间距离的确定水井的平面及垂向布局确定之后，应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，来确定水井的数量与井间距离。取水地段范围确定之后，井数主要取决于该地段的允许开采量（或者设计的总需水量）和井间距离。1．集中式供水井数和井间距离确定方法对于集中式供水，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。为了更好地逼近实际，在勘探的基础上，最好采用数值模拟技术来确定井数与井间距离。一般工作程序为：首先在勘探基础上，概化水文地质概念模型，建立地下水流数学模型（必要时要建立水质模型），对所建数学模型进行识别与检验；其次，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、设计的允许水位降深等已给定条件，拟定出几个不同井数和井间距离的开采方案；然后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；最后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，即为技术经济上最合理的井数与井距方案。对于水井呈面状分布（多个并排或在平面上按其他几何形式排列）的水源地，因各并同时工作时，将在井群分布的中心部位产生最大的干扰水位降深，放在确定该类水源地的井数时，除考虑所选用的布并方案能否满足设计需水量外，还应考虑中心点（或其他预计的干扰强点）的水位是否超过设计的允许水位降深值。2．分散间歇式农田灌溉供水井数与井间距离的确定方法对于分散间歇式农田灌溉供水，灌区内布置的井数主要决定于单井灌溉面积，即决定于井间距离。确定灌溉水井的合理间距时，主要考虑的原则是：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。下面介绍两种方法：（1）单井灌溉面积法当地下水补给充足、资源丰富，能满足土地的灌溉需水量要求时，则可简单地根据需水量来确定井数与井距。首先根据下列公式计算出单井可控制的灌溉面积F（亩）：WtTQF（10.1）式中：Q——单井的稳定出水量（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一一渠系水有效利用系数。如果水井按正方网状布置，则水井间的距离D（m）应为WQTtFD667667（10.2）如果水井按等边三角形排列，则井间距离D（m）应为32FD或WQTtD32（10.3）整个灌区内应布置的水井数（n）为FSn（10.4）式中：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）。从以上公式可知，在灌区面积一定的条件下，井数主要决定于单井可控制的灌溉面积。而单井所控制的灌溉面积（或非距），在单井出水量一定的条件下，又主要决定于灌溉定额。因此，应从平整土地，减少渠道渗漏，采用先进灌水技术等方面来降低灌溉定额，以达到加大井距、减少井数、提高灌溉效益的目的。（2）考虑井间干扰时的井距确定方法这种计算方法的思路是：首先，提出几种可能的设计水位降深和井距方案；然后，分别计算出不同降深、不同井距条件下的单井干扰出水量；最后，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。通常采用解析法和水位削减法计算。二、大口井的合理布局在地下水位埋藏浅，含水层厚度不大和富水性较好的条件下，