侯軍，梁寧

?

昌都市二水廠輻射井在薄含水層地區(qū)的運(yùn)用

侯軍，梁寧

（四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九一五水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，四川 眉山 620000）

昌都市地處高山峽谷紅層區(qū)，含水層普遍較薄，地下水資源貧乏，水源地需要選在在水文地質(zhì)條件相對較好的地段，并采用符合當(dāng)?shù)貙?shí)際的取水方案。昌都二水廠水源地勘察過程中，首先查清了當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件，其含水層厚度小于12m，但滲透系數(shù)多大于100m/d，地下水主要依靠河水下滲補(bǔ)給，具有“就地補(bǔ)給，就近排泄”的特點(diǎn)。根據(jù)這些特征，勘查開發(fā)中設(shè)計(jì)了輻射井工程，取得了非常好的效果。通過昌都二水廠的成功經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為輻射井適合在類似的高山峽谷區(qū)取水，值得推廣。

輻射井；薄含水層；運(yùn)用；昌都二水廠

西藏自治區(qū)昌都市位于青藏高原東部，他念他翁山與達(dá)馬拉山之間的高山峽谷地帶，市府所在地位卡若區(qū)（原昌都鎮(zhèn)），人口約11.3萬，原僅有一座規(guī)模20 000m3/d的水廠（一水廠），水源為扎曲河水，夏天河水渾濁，懸浮物含量極高，水廠的水量和水質(zhì)均難以滿足城市不斷發(fā)展的需求。因此昌都市人民政府（原地區(qū)行署）擬新建規(guī)模為20 000m3/d的第二水廠，來滿足日益增長的供水需求，特別要求采用地下水。該項(xiàng)工程面臨兩個(gè)方面的問題：一是昌都地貌屬高山峽谷，且是紅層地區(qū)，含水層極?。ǘ嘈∮?0m），地下水資源匱乏；二是所選定的水源地受峽谷地形的限制，面積很小，取水工程布署困難。

2012年該項(xiàng)目實(shí)施后，針對上述問題，在大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w的水文地質(zhì)條件進(jìn)行了深入研究，認(rèn)為通過含水層的自凈能力可以解決河水泥沙含量過高的問題，輻射井特別適合當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件（含水層薄但滲透性強(qiáng)），并可以有效解決水源地空間狹小的問題。圓滿完成勘察任務(wù)后，迅速進(jìn)行了取水工程的設(shè)計(jì)。二水廠的輻射井于2014年建成，單井取水量達(dá)20 000m3/d以上且水質(zhì)較好，35m外是泥漿般的昂曲河水，井內(nèi)卻是濯濯清水。二水廠工程的意義在于結(jié)束了昌都市人民世世代代喝渾濁河水的歷史，保障了人民群眾的健康，對昌都市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重大意義，被中央工作組譽(yù)為“昌都奇跡”。

1 自然地理概況

擬建水源地位于卡若區(qū)小恩達(dá)村西側(cè)的昂曲河谷殘留沖積一級階地，處于瀾滄江上游高山峽谷地貌區(qū)，該處河谷寬約300m，兩側(cè)高山海拔3 600～4 000m，切割深度達(dá)300～700m，坡度35°～65°。擬建昌都市二水廠水源地位于昂曲東岸，長約1 000m，寬40～200m，地勢較為平坦開闊，坡度一般＜2°，開發(fā)前為采砂場用地，距昌都鎮(zhèn)（現(xiàn)卡洛區(qū)）約4.5km，217國道從旁經(jīng)過，交通較為便利（圖1）。

圖1 昌都二水廠水源地全貌

昂曲為瀾滄江源頭之一，從西北向東南方向徑流，在卡若區(qū)城區(qū)與扎曲匯合，匯合后的河流被稱為瀾滄江。水源地處河床較寬，水流較緩，最枯水位時(shí)，也能達(dá)到3～4m水深，水質(zhì)較好，但常年渾濁，年平均徑流量為150m3/s，其中枯水季節(jié)流量約為3.4m3/s，豐水季節(jié)水流量約為1 730m3/s。水源地下游約300m處有一座重力壩（昌都電站），因此水源地實(shí)際上位于昌都電站水庫范圍內(nèi)。

2 水文地質(zhì)特征

2.1 含水層薄、滲透性強(qiáng)

昂曲沖積一級階地含水層由第四系全新統(tǒng)下段漂卵石（Q4）組成。根據(jù)勘探施工的ZK2、ZK3、ZK4、ZK5鉆孔資料，水源地含水層特征：

表1 含水層顆分成果表

1）含卵礫石亞粘土層，厚度0~12m，結(jié)構(gòu)較為緊密，且多位于地下水位以上；

2）含礫漂卵石，厚度9.93~11.65m，雜色，結(jié)構(gòu)稍密-中密。其中，漂石約占30%~45%，卵石約20%~30%，礫石約10%，粒徑0.2~2cm不等；其他為細(xì)砂及少量粉粘粒。據(jù)3個(gè)鉆孔抽水試驗(yàn)，降深為0.35～2.02m時(shí)，單井涌水量為672.19m3/d，影響半徑為28.90～80.05m。其富水性等級根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)計(jì)算出的統(tǒng)降涌水量（300mm管徑，5m降深）確定。據(jù)推算，統(tǒng)降涌水量1 495.60～3 593.01m3/d（表3-3），屬水量豐富—極豐富等級。

表2 抽水試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

注：帶“*”者為初勘孔

3）砂巖、泥質(zhì)頁巖互層，巖石較為完整，微風(fēng)化—中風(fēng)化，其節(jié)理裂隙多被充填，地下水賦存條件差，為相對隔水層，基本不具供水意義。

2.2 地下水的主要補(bǔ)給源為河水下滲

該處地下水主要接受昂曲河水下滲補(bǔ)給，少量為大氣降水入滲補(bǔ)給。初勘ZK2*鉆孔施工時(shí)間為枯季末期，水庫尚未蓄水，實(shí)測地表水位為3 240.76m，地下水位為3 239.55m，地表水位高于地下水位1.21m。詳勘ZK3鉆孔施工時(shí)為豐季，水庫開始蓄水，實(shí)測地表水位為3 243.38m，地下水位為3 241.46m，高于地下水位1.92m。詳勘后期群孔抽水時(shí)水庫已蓄滿，實(shí)測地表水位為3 244.04m，地下水位為3 242.42m，高于地下水位1.62m，說明是地表水補(bǔ)給地下水。另據(jù)我單位1997年監(jiān)測資料，水源地一帶全年均是地表水補(bǔ)給地下水。

地下水基本以潛流的方式順地形向下游徑流，多在下游河流深切、基巖出露的河床排泄，重新轉(zhuǎn)化為地表水，因此水源地地下水徑流途徑很短，具有“就地補(bǔ)給、就近排泄”的特點(diǎn)。另有少部分地下水潛流到昌都電站大壩處受阻，被阻隔在電站水庫范圍內(nèi)。

2.3 水源地僅有西側(cè)為補(bǔ)給邊界

二水廠水源地為昂曲殘留沖積一級階地，是一個(gè)孤立的小水文地質(zhì)單元，其北側(cè)和東側(cè)為小恩達(dá)積扇，地層滲透性差，水量貧乏，可視為隔水邊界，即小恩達(dá)溝基本無地下水側(cè)向補(bǔ)給水源地；水源地西側(cè)緊傍昂曲，地表水常年側(cè)滲補(bǔ)給地下水，為河流補(bǔ)給形成的定水頭邊界；接受補(bǔ)給后的地下水在水源地南側(cè)河岸排泄，重新轉(zhuǎn)化為地表水，為地下水排泄邊界。另外，水源地地下水埋藏較淺的地方（＜5m），存在大氣降水補(bǔ)給及潛水蒸發(fā)排泄，但由于水源地范圍小，其補(bǔ)給和排泄量太少，可以忽略不計(jì)。

表3 1997年鉆孔地下水位變化特征表 單位（m）

表4 干擾抽水降深與單孔抽水降深比較表

2.4 地下水與河水（庫水）動(dòng)態(tài)一致

水源地地下水主要受昌都電站水庫水（河水）滲漏補(bǔ)給，因此其動(dòng)態(tài)特征與庫水位密切相關(guān)。雨季庫水位急劇上升，庫水向階地大量充水，含水空間增大，水位埋深??；平枯季節(jié)隨著庫水位的緩慢下降，地下水向庫內(nèi)排泄，含水空間縮小，水位埋深增大。因此，孔隙水的動(dòng)態(tài)主要隨庫水位的波動(dòng)而波動(dòng)，與當(dāng)?shù)亟邓康拇笮￡P(guān)系不密切。從表3中可以看出，總體上水庫不蓄水與蓄水后含水層厚度相差3.5m左右（即水位抬高）；ZK3號鉆孔在蓄水過程中水位高程為3 241.46m，水庫蓄滿后，地下水位逐漸增高為3 242.42m，相差0.96m。另據(jù)我單位1997年在水源地旁武警三中隊(duì)實(shí)施鉆孔的監(jiān)測資料，地下水位隨庫水位變化極其迅速，甚至一日之內(nèi)地下水位都會(huì)呈現(xiàn)較為動(dòng)蕩的變化特征。

3 含水層自凈去泥沙研究

3.1 含水自凈能力區(qū)域選擇

圖2 群孔抽水試驗(yàn)

圖3 ZK3 鉆孔抽水試驗(yàn)及微生物樣采

圖4 ZK4 鉆孔無法抽清

為了準(zhǔn)確的評估地下含水層對河流泥沙的過濾作用，設(shè)計(jì)了一組勘察試驗(yàn)孔。抽水試驗(yàn)結(jié)果，ZK2、ZK3、ZK5號孔水質(zhì)極為清澈，而ZK4號孔即使經(jīng)過連續(xù)242小時(shí)的抽水，水質(zhì)亦無法達(dá)到清澈，分析其原因是與地層巖性相關(guān)：4.3~5.2m為泥質(zhì)卵石，灰黑色，結(jié)構(gòu)較松散；5.2~7.7m為灰黑色細(xì)砂，結(jié)構(gòu)松散，夾少量卵石、礫石。抽水時(shí)水流加快，上部砂層不斷垮塌，細(xì)砂通過濾料進(jìn)入井中。由于細(xì)砂分布廣，體積大，即使作長時(shí)間抽水，水質(zhì)仍然無法清澈。抽水將井周邊砂層抽空，地面甚至出現(xiàn)塌陷，裂縫遍布。通過ZK8、ZK9、ZK10等取芯孔資料，查清了細(xì)砂在ZK3-ZK5以南均有分布，厚度1~2m，且多在水位以下，基本呈現(xiàn)由南到北逐漸變淺的規(guī)律。

3.2 強(qiáng)富水區(qū)自凈范圍

詳勘時(shí)進(jìn)行了ZK3、ZK4、ZK5群孔抽水試驗(yàn)，抽水結(jié)果表明：在水量極豐富地帶，ZK3、ZK4、ZK5抽水孔的降深與單孔抽水變化不大，說明地下水補(bǔ)給來源極為充足；而ZK2的干擾降深較單孔抽水時(shí)大1.44m，說明受洪積扇的阻水作用，地下水補(bǔ)給途徑較為不暢，補(bǔ)給量較少。因此，從出水量的角度考慮，布井范圍應(yīng)在ZK2以南。

表5 輻射井取水方案

備注①布井范圍內(nèi)基巖埋深多在16m左右，為了充分利用含水層及施工需要，設(shè)計(jì)井深17m；ZK5勘探管井作備用井；②擬建水廠取水量20000 m3/d，考慮到相關(guān)損耗，水量安全系數(shù)1.1。

綜合分析，既要達(dá)到水量要求，也要保證水質(zhì)清澈，須將井布設(shè)在ZK2以南，ZK3—ZK5以北。

4 取水方案設(shè)計(jì)

4.1 取水方案比選

表6 輻射井與管井結(jié)合布井方案

備注：①勘察期間施工的ZK5作備用井；②管井下部需要設(shè)沉淀管；②設(shè)計(jì)管井深度為20m；③管井井徑為650mm，濾水管徑為500mm。

表7 管井布井方案

備注①勘察期間施工的ZK5可作備用井；②管井下部需要設(shè)沉淀管，因此設(shè)計(jì)；②井深度為20m；③管井井徑為650mm，濾水管徑為500mm。

根據(jù)水源地具體的水文地質(zhì)條件，我們對“管井方案”、“輻射井方案”、“輻射井＋管井”等三種取水方案進(jìn)行了比選。

4.1.1 取水方案簡介

1）輻射井取水方案，布井2口，距離河岸35m，單井出水量11 000m3/d，取水總量22 000m3/d。

2）輻射井與管井結(jié)合取水方案，布設(shè)輻射井1口，距離河岸35m，單井出水量12 000m3/d；管井3眼，距河25m，單井出水量3 500m3/d。取水總量22 500m3/d。

3）管井取水方案，布管井4口，單井出水量5 500m3/d，沿河布設(shè)，距河邊25m，取水總量22 000m3/d。

4.1.2 取水方案比選及推薦

通過前述計(jì)算評價(jià)，三種取水方案在昌都電站水庫蓄水條件下，出水量均能滿足22 000 m3/d的要求，水位降低也符合規(guī)范規(guī)定的最大允許降深。但是在水庫不蓄水時(shí)，單純的輻射井方案及管井方案取水，其水位降深均大于最大允許降深，會(huì)出現(xiàn)掉泵現(xiàn)象，損壞抽水設(shè)備而無法正常供水。如將輻射井單井取水量調(diào)小而增加井?dāng)?shù)，可能滿足要求，但其投資成本過大；如欲通過增大管井的井距而減小開采水位降深，受地形條件限制又沒有布井場地。因此，綜合考慮技術(shù)、地形條件及經(jīng)濟(jì)等因素，我們推薦輻射井與管井結(jié)合方案為擬建昌都市二水廠的取水方案。由于管井較為常見，下文設(shè)計(jì)中不作論述。

表8 建議井位坐標(biāo)及高程

4.2 輻射井設(shè)計(jì)

輻射井系在大口井內(nèi)，把輻射管（滲水管）由內(nèi)向外徑向敷設(shè)于含水層的大井。常年不斷的河（庫）水經(jīng)河床中滲透性較好的漂卵石層過濾下滲轉(zhuǎn)化為地下水，地下水經(jīng)這些輻射狀的滲水管匯集于中心積水井。

圖5 輻射井結(jié)構(gòu)示意圖

1、機(jī)房 2、地平面 3、集水井 4、泵管 5、輻射管 6、靜水面

4.3 輻射井出水量計(jì)算

4.3.1 單根輻射管出水量計(jì)算

輻射管出水量計(jì)算公式為：

式中：q-單根輻射管出水量（m3/d）；d-輻射管外徑；N0-系數(shù)；Z0-河床至輻射管距離；K-滲透系數(shù)；S-水位降深；l-輻射管長度；m-含水層厚度。

將二水廠單根輻射管出水量計(jì)算概念模型可以概化為圖1，其中d設(shè)計(jì)為0.13m；Z0為10m（河床至地下水位差）；K為151.47m/d（ZK3、ZK4、ZK5平均值）；S取5m；l設(shè)計(jì)為10m；m為10.72m（ZK3、ZK4、ZK5平均值）。計(jì)算結(jié)果q=3 288.71 m3/d

4.3.2 輻射管數(shù)量設(shè)計(jì)及出水量計(jì)算

輻射井出水總量計(jì)算公式：

式中：Q-輻射井出水量（m3/d）；q-單根輻射管出水量，為3288.71m3/d；n-輻射管數(shù)量，8根；-互阻系數(shù)，根據(jù)輻射管夾角確定。

圖6 二水廠單根輻射管出水量計(jì)算模型

本次工作由于含水層較薄，設(shè)計(jì)單層輻射管8根，管間夾角15°～20°，按供水水文地質(zhì)規(guī)范，從最安全計(jì)考慮取0.4。經(jīng)計(jì)算，二廠水輻射井單井出水量約10 523.87m3/d。

5 地下水開采資源評價(jià)

根據(jù)水源地水文地質(zhì)條件分析，地下水可開采量（允許開采量）主要由河（庫）水激化補(bǔ)給量組成。昂曲為常年性河流，枯季流量大于3.4m3/s。取水井緊傍河，當(dāng)水源地地下水開采時(shí)，河水就會(huì)激化補(bǔ)給地下水，這樣就構(gòu)成了水源地西側(cè)的定水頭補(bǔ)給邊界。河水激化補(bǔ)給地下水量采用達(dá)爾西定律計(jì)算。

表9 河水激化補(bǔ)給量計(jì)算表

5.1 計(jì)算公式

式中：K-滲透系數(shù)（m/d）；I-水力坡度；B-補(bǔ)給寬度（m）；H-含水層厚度（m）

5.2 參數(shù)確定

滲透系數(shù)（K）：取151.47m/d。

補(bǔ)給寬度（B）：根據(jù)抽水影響范圍確定。1#和2#開采井抽水降深為6.53m，對應(yīng)的影響半徑為520.26m，因此，河水激化范圍為520.26×2+45=1 085.52m。

水力坡度（I）：根據(jù)河水面高程與抽水后地下水位高程計(jì)算獲取。實(shí)測地表水位為3 244.04m，地下水位為3 242.42m，抽水后輻射井水位降低6.53m，計(jì)算得河水位高于地下動(dòng)水位8.15m。因此最大水力坡度I＝8.15/35＝0.239，最小水力坡度I＝8.15/520.26＝0.016，平均0.128。

含水層厚度（H）：為10.72m。

5.3 地下水可開采量評價(jià)

從上述計(jì)算可以看出，地下水可開采量主要昂曲河(庫)水激化補(bǔ)給量組成，總量約224 992.12m3/d，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)開采量（20 000m3/d），說明地下水開采量有充分保證。計(jì)算結(jié)果見表5-5。

圖7 二水廠輻射井（泵房）

6 輻射井的運(yùn)行效果

西藏昌都市二水廠運(yùn)行至今4年了，結(jié)束了昌都市人民世世代代喝渾濁河水的歷史，大大緩解了供水緊張的問題，對昌都市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重大意義，其中輻射井的供水量達(dá)到了20 000m3/d以上，起到了至關(guān)重要的作用。輻射井的管理和維護(hù)極其方便，受到水廠干部職工的一致好評。站在水廠內(nèi)，35m外的昂曲河水如泥漿一般渾濁，而輻射井內(nèi)的井水則是清澈透亮，反差極大，被中央工作組譽(yù)為“昌都奇跡”。

7 結(jié)論

1）昌都市二水廠水源地主要的水文地質(zhì)特征為：含水層薄，滲透性強(qiáng)；地下水主要接受河（庫）水的滲漏補(bǔ)給；地下水動(dòng)態(tài)特征與河水一致，地表水的水位高低決定了地下水補(bǔ)給量的多少。

2）根據(jù)二水廠水源地特殊的水文地質(zhì)條件，因地制宜的采用輻射井方案是適宜的。而且從水廠運(yùn)行的結(jié)果看，輻射井取水效果是非常好的。

3）二水廠輻射井的成功經(jīng)驗(yàn)可以在類似的地區(qū)推廣，即高山峽谷區(qū)，其水源地一般非常狹小，含水層薄但滲透性強(qiáng)。

[1] 溫清茂，周明偉, 等．西藏昌都地區(qū)昌都鎮(zhèn)環(huán)境地質(zhì)綜合勘查評價(jià)報(bào)告[R]. 1997

[2]《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50027-2001）[S].

[3]《水文地質(zhì)鉆探規(guī)程》(DZ／T0148-94)[S].

[4]《供水水文地質(zhì)手冊》）[S].

[5]《生活飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ3020-1993）[S].

[6]《供水管井技術(shù)規(guī)范》（GB50296）[S].

[7]《工程測量規(guī)范》（GB BV50026-93）[S].

[8]《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848-93）[S].

[9]《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5497-2006）[S].

[10]《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）[S].

[11]《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ-T338-2007)[S].

The Application of Radial Well to the Thin Aquifer Region

HOU Jun LIANG Ning

(No. 915 Hydrogeological and Engineering Geological Team, BGEEMRSP, Meishan, Sichuan 620010)

Changdu City lies in the alpine canyon red layer area characterized by thin aquifer and poor in groundwater resources. Hydrogeological condition of the second water plant site of Changdu City is characterized by aquifer thickness of less than 12 m, river recharge with a filtration coefficient of more than 100 m/d. Accordingly, radial wells are designed for hydrogeological exploration of the second water plant of Changdu City, obtaining good results.

radial well; thin aquifer; application; the second water plant of Changdu City

2018-12-31

侯軍（1972-），男，四川眉山人，工程師，研究方向：水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)

P641.7

A

1006-0995（2019）01-0127-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.030