張永旺，宋 濤

(河北省水文工程地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050020)

0 前 言

河北平原淺層咸水含水層主要巖性為細(xì)砂、粉砂及亞砂土，砂層發(fā)育程度決定于古河道變遷的規(guī)模及持續(xù)時(shí)間，西南部砂層厚度大，向北東厚度變薄，顆粒變細(xì)。針對(duì)河北平原淺部咸水層低滲透性特點(diǎn)，研究便于推廣應(yīng)用的水平井、輕型井組、豎井等取水技術(shù)[1]，加大地表水與咸水的聯(lián)合利用，調(diào)控地下水質(zhì)環(huán)境，使咸水區(qū)的地下水逐漸淡化，既解決了咸水地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水問(wèn)題，又能促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的改善[2-3]。

1 淺層咸水取水方式

1.1 豎 井

現(xiàn)有的淺層咸水開(kāi)發(fā)利用以豎井為主，適宜豎井的地區(qū)為含水層的厚度大于5 m，含水層巖性為粉細(xì)砂以上。通過(guò)控制成井深度、成孔直徑、成井材料選取、咸水環(huán)境下水井使用壽命及井管耐腐蝕等方面，解決細(xì)顆粒地層井內(nèi)出砂防治、增加單井出水量的問(wèn)題。

1)孔深：根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，可采用地球物理勘查(高密度電阻率法、電測(cè)深等)、取芯鉆探等工作手段，查明水文地質(zhì)地層結(jié)構(gòu)，井深原則上要揭穿具有供水意義的含水層。

2)孔徑：應(yīng)能滿(mǎn)足預(yù)計(jì)出水量選用的過(guò)濾管直徑和填礫間隙的要求。為增大咸水井出水量，可將抽水井孔徑設(shè)計(jì)為700 mm，井徑400 mm。

3)耐腐蝕井管：井管由井壁管、過(guò)濾管和沉淀管等三部分組成。過(guò)濾管安裝長(zhǎng)度一般應(yīng)與含水層厚度基本一致，在咸水地區(qū)弱含水層透水性很差時(shí)，可適當(dāng)加長(zhǎng)。材質(zhì)可選用具有耐腐蝕性的聚氯乙烯井管、水泥井管等。

1.2 水平井

在滄州東部等地區(qū)普遍存在一淺薄層弱滲透微咸水[4]，難以用常規(guī)取水管井開(kāi)采。水平井過(guò)濾器可垂直于地下水流向、長(zhǎng)距離鋪設(shè)于含水層中，可獲得比垂直井大幾倍甚至幾十倍的匯水面；同時(shí)通過(guò)真空負(fù)壓作用增大抽水井與地層中水頭差，進(jìn)而增加單井出水量[5-7]，解決淺層低滲透性含水層地下水的取水難題。

該井型適用于地下水位埋深小于4 m，10 m以上地層中有2～4 m穩(wěn)定水平展布砂體。主要建井方式為：以井組方式建井，豎井+2-4眼水平井一組(見(jiàn)圖1)，豎井口徑400 mm，管材為水泥管；每個(gè)水平井水平跨距在200～400 m，井距在200～300 m，水平段埋深根據(jù)砂體厚度確定，成井口徑在90 mm左右，成井采用PVC-U管材。取水以離心泵+射流泵方式或虹吸方式取水，單組出水量在40～60 m3/h。

(a)水平井與自動(dòng)取水方式平面布局圖

1.3 輕型井

輕型真空井組主要適用于地下水位埋深較小，淺部地層為黏土或者亞黏土、含水砂體較薄的地區(qū)。

主要建井方式為：以井組方式建井，一般為線(xiàn)性或者梅花形(見(jiàn)圖2)。每組井?dāng)?shù)為6～10眼，井深9～12 m，口徑為75～90 mm，井間距一般不小于20 m，成井采用PVC-U管材；各井管口采用柔性軟管鏈接。每組輕型井布置1眼集水井。

圖2 輕型井+集水井組示意圖

1.4 大口井-輻射井

大口井-輻射井取水是在一個(gè)較大直徑的豎井(集水井)中沿井壁向四周的含水層施工輻射井，輻射井濾出的水流入豎井，由豎井內(nèi)抽取水的方法[8]，可用于增加單井出水量[9-10]。適用于含水層有一定厚度，富水性較差但補(bǔ)給相對(duì)充足的河谷地區(qū)。深度取決于含水層深度，最深可達(dá)幾十米。

主要建井方式為：以井組方式建井，豎井+2-4眼水平井為一組，水平井成十字交叉型布設(shè)(見(jiàn)圖3)，水平跨距為300 m左右，水平段埋深根據(jù)砂體厚度確定，成井口徑在160 mm左右，成井采用PVC-U管材；豎井成井口徑在400 mm左右，成井管材采用加筋水泥管。一般單組出水量在40～60 m3/h。

圖3 大口井-輻射井布局方式圖

2 咸水的利用方式

河北平原地下淺層咸水的開(kāi)采利用主要為農(nóng)業(yè)灌溉，咸水利用方式主要包括咸水直接灌溉、咸淡水交替灌溉和咸淡水混合灌溉[11-12]。

2.1 咸水的直接灌溉

咸水的直接利用主要指礦化度為2～3 g/L的微咸水，可直接用于農(nóng)業(yè)澆灌。在使用一定礦化度閾值以下的微咸水水源以及正確的田間管理情況下，土壤鹽分累積狀況不會(huì)威脅到作物的生長(zhǎng)，且使用一定礦化度值的微咸水灌溉還有可能會(huì)改善作物產(chǎn)品的品質(zhì)[13-14]。

2.2 咸淡水混合灌溉

主要指將高礦化度的咸水與淡水按一定的比例混合，把混合水的礦化度控制在3 g/L以下加以利用。如在河北省南皮縣用礦化度為5.33 g/L的咸水與深層堿性淡水混合，澆灌夏谷-小麥-夏谷，取得了良好的增產(chǎn)效果。

2.3 咸淡水交替灌溉

主要在有地表淡水的地區(qū)或者深層淡水開(kāi)采利用區(qū)可采用咸淡水輪灌，可以避開(kāi)農(nóng)作物耐鹽能力低的返青期，又可以將土鹽下淋，為咸水的再利用提供了土壤含鹽量低的基礎(chǔ)。

3 示范工程建設(shè)

河北平原地下水超采嚴(yán)重，特別是黑龍港流域地區(qū)，已形成了冀棗衡、滄州、南宮等深層地下水的漏斗區(qū)[15-16]。為了節(jié)約有限的深層淡水資源，防治超采地下水帶來(lái)的環(huán)境負(fù)效應(yīng)，據(jù)《河北省地下水超采綜合治理五年實(shí)施計(jì)劃(2018-2022年)》，確定到2022年全省地下水壓采量達(dá)到54億m3以上，壓采率達(dá)到90%。

隨著壓采措施的逐步實(shí)施，淡水資源的供需矛盾進(jìn)一步加大。河北中東部地區(qū)淺層地下咸水資源潛力巨大，地表水與淺層微咸水的聯(lián)合利用是解決區(qū)域水資源問(wèn)題的有效途徑[17-19]。

3.1 地表水與微咸水“管道混灌”示范工程

3.1.1 需水量預(yù)測(cè)

項(xiàng)目區(qū)位于衡水市武邑縣大紫塔村，灌溉畝數(shù)2 400畝(1畝≈666.67 m2)。項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀主要種植作物為冬小麥、夏玉米。按照灌溉定額，項(xiàng)目區(qū)總凈需水量為48.0萬(wàn)m3。田間的低壓管道水利用系數(shù)采用0.95，田間水的利用系數(shù)采用0.90，渠道灌溉水的利用系數(shù)采用0.85，計(jì)算糧食作物毛需水量合計(jì)為56.2萬(wàn)m3。

咸淡水混合的配比關(guān)系可按下式進(jìn)行計(jì)算確定：

(1)

式中，M1、M2、M為混合前咸水、淡水、混合水的礦化度，g/L；V1、V2為混合前咸水、淡水的體積，m3。

灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為687 m3/h，咸水礦化度4.87 g/L，淡水礦化度0.6 g/L，混合水2.0 g/L，淡咸水混合比例為2.05。綜合考慮咸水井最大涌水量、配泵以及咸淡混灌風(fēng)險(xiǎn)情況，咸淡水流量調(diào)整為220 m3/h和470 m3/h。

3.1.2 水源條件

示范區(qū)地表水源主要是外調(diào)水源引黃水。引黃總干渠東風(fēng)渠自王莊閘引水至清涼江，再經(jīng)清涼江支流牛河引水至項(xiàng)目區(qū)，牛河現(xiàn)狀過(guò)流能力滿(mǎn)足輸水要求，灌區(qū)供水是可靠的。

示范區(qū)內(nèi)咸水底界埋深在80～100 m。淺層咸水含水層巖性以粉砂、細(xì)砂為主(見(jiàn)圖4)，單井出水量15 m3/h左右，需布置咸水井15眼。

圖4 淺層水水文地質(zhì)剖面圖

3.1.3 利用形式

地表水利用牛河引水閘把引黃水通過(guò)渠道自流輸送到坑塘，坑塘蓄水通過(guò)壓力管道與微咸水混合后進(jìn)入田間管網(wǎng)，淺層咸水采用豎井開(kāi)采通過(guò)管道與地表水混合后進(jìn)入田間管網(wǎng)，地表水和微咸水在壓力管道內(nèi)通過(guò)壓力控制混合后由給水栓配送到田間(見(jiàn)圖5)。

圖5 大紫塔村地表水與微咸水聯(lián)合灌溉工程平面布置示意圖

3.1.4 咸水取水工程建設(shè)

通過(guò)示范區(qū)內(nèi)施工取芯孔，區(qū)內(nèi)60 m以淺地層巖性為：0～18 m粉土、粉質(zhì)黏土為主；18～28 m粉砂、細(xì)砂為主；28～42.2 m粉質(zhì)黏土夾細(xì)砂；42.2～60.0 m粉土、粉砂為主。

咸水井井深60 m，抽水井口徑設(shè)計(jì)為700 mm，采用一徑到底的方法鉆進(jìn)，全孔采用泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)方法?？變?nèi)0～8 m下入直徑400 mm水泥耐腐蝕井管8 m，8～56 m下入直徑400 mm濾水管48 m，56～60 m下入沉淀管4 m，采用水泥耐腐蝕井管、水泥耐腐蝕墊筋纏絲型濾水管成井(見(jiàn)圖6)，用竹板固定。成井管接口焊接牢固，并用鋼質(zhì)拉板加強(qiáng)。填入優(yōu)質(zhì)礫料，填料厚度不小于100 mm，濾水管以上用優(yōu)質(zhì)黏土封孔。

根據(jù)抽水井的抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)，區(qū)內(nèi)淺層咸水井的靜水位埋深約14.25～16.07 m，單井涌水量為15.21～16.20 m3/h。

表1 示范區(qū)咸水井抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

本次武邑示范區(qū)均選用豎井成井方式，采用鋼筋混凝土井管，濾水管為墊筋纏絲型，裸露鋼構(gòu)件及濾水管的墊筋、纏絲均組防腐處理，可極大延長(zhǎng)使用壽命，在水量上較原有井均有提升。按照單畝/年初步估算，可大幅節(jié)省成本。

3.2 地表水與微咸水“抽咸補(bǔ)淡”示范工程

3.2.1 工程概況

在滄縣大白冢村博興農(nóng)業(yè)專(zhuān)業(yè)合作社建立示范項(xiàng)目區(qū)，開(kāi)展鹽漬化農(nóng)田抽咸補(bǔ)淡示范推廣項(xiàng)目。抽咸補(bǔ)淡示范工程從南排河設(shè)揚(yáng)水點(diǎn)引水至田間，替換深井水灌溉并淋洗鹽分；通過(guò)新建水平井組和輕型井組結(jié)合排水溝抽排淺層咸水，從而達(dá)到節(jié)水壓采改良鹽堿地的作用。

3.2.2 布井方式

集水豎井+2眼水平井+2排輕型井(3眼/排)施工3組；集水豎井+1眼水平井+2排輕型井(3眼/排、6眼/排)施工1組，共布置4個(gè)井組(見(jiàn)圖7)。

圖7 滄州市滄縣大白冢村水平井、輕型井、集水井施工布置

3.2.3 集水井施工

采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆進(jìn)，井深60 m，鉆孔口徑700 mm，一徑到底。終孔換漿，并列下入Ф350 mm防腐水泥井管和Ф75 mm塑料回水測(cè)管，匯水測(cè)管出口在30 m處與集水井連通。成井時(shí)填入粒徑1～6 mm礫料，采用黏土球止水。

3.2.4 輕型井施工

采用Ф100 mm鏟狀合金刮刀鉆頭鉆進(jìn)，終孔深度12.5 m，再用Ф310 mm刮刀鉆頭擴(kuò)孔，沖孔換漿，下入Φ90 mmPVC-U塑料井管、銑縫包網(wǎng)濾水管(縫寬0.7 mm，網(wǎng)布80目)。自上而下井管結(jié)構(gòu)為0～1.5 m井段為實(shí)管、1.5～10 m為濾水管、10～12 m為沉淀管。填礫成井(礫料粒徑1～6 mm)，機(jī)制黏土球(直徑15 mm)止水。洗井工作結(jié)束后，井內(nèi)下入9 m長(zhǎng)Φ63 mmPVC塑料管做取水管。

3.2.5 水平井施工

施工水平井7眼(見(jiàn)圖8)，水平跨距約196 m，水平段井管埋深9.8 m，終孔直徑350 mm。采用Φ160 mmPVC-U塑料井管、銑縫包網(wǎng)濾水管成井；在成井鋪管時(shí)，采用自行降解沖洗液頂驅(qū)水平井內(nèi)的泥漿，便于洗井解淤。

圖8 水平成井結(jié)構(gòu)圖(單位：m)

井管安裝完畢后，在井管內(nèi)用預(yù)留的鋼絲繩(直徑6 mm)拖入帶有Ф75 mm鋼制噴頭的風(fēng)管，開(kāi)啟空壓機(jī)對(duì)濾水管逐段進(jìn)行噴射洗井。洗井工作結(jié)束后，在水平井內(nèi)下入30 m直徑63 mm的PVC塑料管做取水管(入土端井口且與集水井相鄰)，并直接與管匯連接。

3.2.6 抽水試驗(yàn)

在滄州等地區(qū)，淺層弱透水層取水一直是技術(shù)難題，通過(guò)本次采用的水平井+輕型井的模式，在集水井內(nèi)下入揚(yáng)程50 m的3寸潛水泵抽水，啟動(dòng)射流虹吸取水系統(tǒng)，使得水平井、輕型井的水以負(fù)壓疊加虹吸匯水于集水井中，由集水井內(nèi)的潛水泵抽水排出。單組出水量可達(dá)46～60 m3/h甚至更高(見(jiàn)表2)。

表2 抽水試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

1)河北省中東部平原地區(qū)淺層咸水以細(xì)砂、粉砂為主，采用豎井成井方式取水，在施工中嚴(yán)格控制濾料配給、耐腐蝕井管的選用等過(guò)程，可有效提升單井出水量，提升使用壽命。根據(jù)咸水的礦化度等條件，在引黃等地表水工程受水區(qū)內(nèi)，可選擇地表水與咸水混合灌溉、交替灌溉等利用形式。

2)針對(duì)滄州等地區(qū)淺部咸水層低滲透性特點(diǎn)，可選用水平井、輕型井組等取水技術(shù)解決傳統(tǒng)豎井無(wú)法取水的難題，與當(dāng)?shù)氐乇硭ㄟ^(guò)抽咸補(bǔ)淡的形式，使咸水區(qū)的地下水逐漸淡化，既解決了咸水地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水問(wèn)題，又為大面積鹽堿地復(fù)耕提供技術(shù)保障。

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