辐射井在浅层松散型地下水资源开发中的应用研究

宋海波，林 慧，马星辰，季小凯，王明霄

(山东省水利勘测设计院有限公司，山东 济南 250013)

地下水作为一种洁净的可利用淡水资源是山东省重要的供水水源，经济社会的发展对其有很高的依赖程度。山东省多年的平均地下水总资源量高达168.9亿 m3，其中地下水资源可开采总量为127.1亿 m3[1]。浅层松散型地下水以砂砾松散介质为调蓄空间的蓄水实体，广泛分布于黄河冲积平原区、山间平原区、山间盆地区以及山前平原区，具有储存量大、调蓄能力强、自我净化能力好、地下水资源供水保证率高等特点[2]。只有合理的开发利用地下水资源才能真正实现其资源价值，其最直接、有效的方法是打井取水，就近使用或输送到其它需水的地区使用。一方面，最大限度地可以将地表水资源转换为地下水水资源进行储存；另一方面，根据地区用水需求将地下水调至需水地区，满足社会需求，从而完成地区水资源配置的合理、优化。

辐射井技术在地下水资源开采方面的应用由来已久，尤其在水资源短缺地区，在上世纪30年代就已经应用于地下水的开发利用中，该技术上世纪70年代在我国西北黄土高原地区的地下水开发中得到推广，但至今该技术的工程应用并不普遍[3]。笔者从地下水水资源的开发利用角度，对辐射井的取水特点及应用进行深入研究，从而为浅层松散型地下水资源开发应用中提供技术支撑，具有重要的推广意义。

1 辐射井取水优势及可行性分析

辐射井是由大口径竖井和按径向由内向外敷设于地下含水层中的水平辐射管(集水管)构成，其作用是使地下水沿水平辐射管汇集至竖井中，利用水泵抽走。辐射井具有以下特点[4-8]：

(1)辐射井素有“浅井之王”美称，由于辐射管向周边延伸，增加了与含水层的接触面积和汇水范围，提高取水井的涌水量。另外其占地面积少，运行管理方便，水井维修便利。

(2)适用于各种地层中，能在任意高程含水层中敷设多层水平辐射管，也可布设于含水层与隔水层分界面处，而且辐射管根据涌水量、工程实际需要，相应调整其数量、长度。

(3)水平辐射管可以敷设在河流河床及滩地地面以下，可以最大限度的来获取最佳富水地区的地下水资源，同时还能够迅速得到地表水体的补给。

(4)在临近地表水体浅层含水层辐射管，不仅可以获取含水层中的地下水水资源，而且可以使地表水水经过松散介质含水层的过滤，由地表水转变为地下水，降低水的浑浊程度，起到净化水质作用。

(5)辐射井可以很好地满足取水要求，可以大幅度降低施工、维护成本以及拆迁成本。另外，可减少地面构筑物拆迁占地的费用，减少管线铺设费用。

(6)辐射管降水以后，形成的地下水降落漏斗多呈平缓碟状，其水位降落曲线坡度远远小于垂直井点等其他降落曲线坡度，因此辐射井在降水过程中可能引起的地面沉降幅度要比一般垂直降水的小，对环境地质问题影响相对弱些。

综上特点，利用辐射井技术取水比其他取水井技术具有明显的优势，在技术上可行，经济上比较合算，生态环境影响也较小。

2 取水井布井原则

辐射井位置的选定十分重要，应根据地下水水源地工程地质、水文地质条件，结合设计、业主要求进行选择。从水文地质角度，可遵循以下原则布设[9-10]：

(1)布设在水源地地下水导水性、富水性比较好的地段，从而保证辐射井的最大的取水量。

(2)尽量临近地表水体进行布井，水平辐射孔深入河床及漫滩滩地下面的含水层中，不仅能最大限度汲取河床渗透水和漫滩滩地地下水，最快的接收到河水的就近补给，而且辐射井距离两边大堤以外咸水边界最远的位置上。使得辐射井在形成最大降落漏斗时，保证下部、外部的咸水一般不会进入到辐射井内，影响取水井水质。

(3)辐射井尽量保证一定的深度，深度越深，含水层厚度越大，透水性越好，取水量越大。

(4)尽量远离地表建筑物、地下构筑物、重要河道堤防、公路以及管网等，避免开采地下水可能产生的环境地质问题。

3 取水量和影响范围分析

3.1 单井涌水量计算公式

辐射井其涌水量、影响范围的计算比较复杂，国内外的学者、专家对其进行了大量的工作，并取得了很多的成果。当前主要采用以下两种计算公式进行计算：

(1)根据《给水工程》中无压含水层、潜水完整井的涌水量计算公式见(1)：

Q=qnα

(1)

(2)

式中：K为渗透系数，m/d；为井外壁动水位至含水层底板高，m；R为影响半径，m；l为辐射管长度，m；H为含水层厚度，m。

(2)等效大口井法经验公式：

(3)

(3)过滤管进水能力

根据《机井技术规范》(GB/T50625-2010)，过滤管的进水能力，应按式(4)计算：

Qg=πβVgDgLg

(4)

式中：Qg为过滤管的进水能力，m3/s；β为过滤管进水面层有效孔隙率；Vg为允许过滤管进水流速，不得大于0.03 m/s；Dg为过滤管外径m；Lg为过滤管有效进水长度，m；宜按过滤管长度的85%计算。

(4)宜井区影响半径计算公式

过量持续性开采，势必使开采区地下水位下降，从而形成区域性降落漏斗，沿水源地水井降落漏斗的影响范围估算公式见式(5)：

(5)

式中：R为影响半径，m；S为潜水含水层降深，m；K为计算断面的加权平均渗透系数，m/d；L为单根水平辐射管长度，m。

3.2 涌水量及影响半径计算成果

依据威海市黄垒河地下水库库区勘察资料及设计方案，辐射井竖井类型为沉井，直径5.0 m；沉井底部布置单层DN150钢滤水管8支，选用管长20 m，设计结构见图1。

图1 辐射井结构图

开采井井间距理论上大于影响半径，大口井内部降深分别为含水层厚度1/3、1/2时的动水位变化时对开采井涌水量进行计算，其计算结果详见表1。利用《给水工程》公式计算结果为等效大口井法经验公式的2.87～2.94倍。

表1 涌水量、影响半径估算成果统计表

3.3 过滤管进水能力

取水井过滤管，布置单层过滤管，数量8根，长度20 m，其孔隙率取值为5%，过滤管外径0.20 m。经上述公式计算，过滤管进水能力0.008 m3/s，取水井进水能力0.064 m3/s，即230 m3/h。

可根据浅水松散型含水层分布，布设一定数目的辐射井，产水量比较客观，实现集中向城区供水是完全可能的。

4 结语

(1)鉴于辐射井的结构对涌水量、影响范围的影响，建议对设计辐射井需做现场单井抽水试验、群井抽水试验，根据涌水量、影响范围调整取水井间距、抽水时间、抽水量以及水泵及电气设备。

(2)辐射井地下水开采过程中，当地下水形成与河流走向平行的长带状降落漏斗区，可促使河水迅速、及时的补给地下水，从而保证辐射井运行处于良性循环状态中。

(3)采用辐射井技术不仅可运用于地下水开发中，也可应用于局部降低地下水水位，解决地下工程长期涌水、潮湿、渗水等工程问题。