昌都市二水厂辐射井在薄含水层地区的运用

侯军，梁宁



昌都市二水厂辐射井在薄含水层地区的运用

侯军，梁宁

（四川省地质矿产勘查开发局九一五水文地质工程地质队，四川 眉山 620000）

昌都市地处高山峡谷红层区，含水层普遍较薄，地下水资源贫乏，水源地需要选在在水文地质条件相对较好的地段，并采用符合当地实际的取水方案。昌都二水厂水源地勘察过程中，首先查清了当地的水文地质条件，其含水层厚度小于12m，但渗透系数多大于100m/d，地下水主要依靠河水下渗补给，具有“就地补给，就近排泄”的特点。根据这些特征，勘查开发中设计了辐射井工程，取得了非常好的效果。通过昌都二水厂的成功经验，认为辐射井适合在类似的高山峡谷区取水，值得推广。

辐射井；薄含水层；运用；昌都二水厂

西藏自治区昌都市位于青藏高原东部，他念他翁山与达马拉山之间的高山峡谷地带，市府所在地位卡若区（原昌都镇），人口约11.3万，原仅有一座规模20 000m3/d的水厂（一水厂），水源为扎曲河水，夏天河水浑浊，悬浮物含量极高，水厂的水量和水质均难以满足城市不断发展的需求。因此昌都市人民政府（原地区行署）拟新建规模为20 000m3/d的第二水厂，来满足日益增长的供水需求，特别要求采用地下水。该项工程面临两个方面的问题：一是昌都地貌属高山峡谷，且是红层地区，含水层极薄（多小于20m），地下水资源匮乏；二是所选定的水源地受峡谷地形的限制，面积很小，取水工程布署困难。

2012年该项目实施后，针对上述问题，在大量的工程实践经验的基础上，结合当地具体的水文地质条件进行了深入研究，认为通过含水层的自净能力可以解决河水泥沙含量过高的问题，辐射井特别适合当地的水文地质条件（含水层薄但渗透性强），并可以有效解决水源地空间狭小的问题。圆满完成勘察任务后，迅速进行了取水工程的设计。二水厂的辐射井于2014年建成，单井取水量达20 000m3/d以上且水质较好，35m外是泥浆般的昂曲河水，井内却是濯濯清水。二水厂工程的意义在于结束了昌都市人民世世代代喝浑浊河水的历史，保障了人民群众的健康，对昌都市社会经济的发展具有重大意义，被中央工作组誉为“昌都奇迹”。

1 自然地理概况

拟建水源地位于卡若区小恩达村西侧的昂曲河谷残留冲积一级阶地，处于澜沧江上游高山峡谷地貌区，该处河谷宽约300m，两侧高山海拔3 600～4 000m，切割深度达300～700m，坡度35°～65°。拟建昌都市二水厂水源地位于昂曲东岸，长约1 000m，宽40～200m，地势较为平坦开阔，坡度一般＜2°，开发前为采砂场用地，距昌都镇（现卡洛区）约4.5km，217国道从旁经过，交通较为便利（图1）。

图1 昌都二水厂水源地全貌

昂曲为澜沧江源头之一，从西北向东南方向径流，在卡若区城区与扎曲汇合，汇合后的河流被称为澜沧江。水源地处河床较宽，水流较缓，最枯水位时，也能达到3～4m水深，水质较好，但常年浑浊，年平均径流量为150m3/s，其中枯水季节流量约为3.4m3/s，丰水季节水流量约为1 730m3/s。水源地下游约300m处有一座重力坝（昌都电站），因此水源地实际上位于昌都电站水库范围内。

2 水文地质特征

2.1 含水层薄、渗透性强

昂曲冲积一级阶地含水层由第四系全新统下段漂卵石（Q4）组成。根据勘探施工的ZK2、ZK3、ZK4、ZK5钻孔资料，水源地含水层特征：

表1 含水层颗分成果表

1）含卵砾石亚粘土层，厚度0~12m，结构较为紧密，且多位于地下水位以上；

2）含砾漂卵石，厚度9.93~11.65m，杂色，结构稍密-中密。其中，漂石约占30%~45%，卵石约20%~30%，砾石约10%，粒径0.2~2cm不等；其他为细砂及少量粉粘粒。据3个钻孔抽水试验，降深为0.35～2.02m时，单井涌水量为672.19m3/d，影响半径为28.90～80.05m。其富水性等级根据钻孔抽水试验计算出的统降涌水量（300mm管径，5m降深）确定。据推算，统降涌水量1 495.60～3 593.01m3/d（表3-3），属水量丰富—极丰富等级。

表2 抽水试验成果统计表

注：带“*”者为初勘孔

3）砂岩、泥质页岩互层，岩石较为完整，微风化—中风化，其节理裂隙多被充填，地下水赋存条件差，为相对隔水层，基本不具供水意义。

2.2 地下水的主要补给源为河水下渗

该处地下水主要接受昂曲河水下渗补给，少量为大气降水入渗补给。初勘ZK2*钻孔施工时间为枯季末期，水库尚未蓄水，实测地表水位为3 240.76m，地下水位为3 239.55m，地表水位高于地下水位1.21m。详勘ZK3钻孔施工时为丰季，水库开始蓄水，实测地表水位为3 243.38m，地下水位为3 241.46m，高于地下水位1.92m。详勘后期群孔抽水时水库已蓄满，实测地表水位为3 244.04m，地下水位为3 242.42m，高于地下水位1.62m，说明是地表水补给地下水。另据我单位1997年监测资料，水源地一带全年均是地表水补给地下水。

地下水基本以潜流的方式顺地形向下游径流，多在下游河流深切、基岩出露的河床排泄，重新转化为地表水，因此水源地地下水径流途径很短，具有“就地补给、就近排泄”的特点。另有少部分地下水潜流到昌都电站大坝处受阻，被阻隔在电站水库范围内。

2.3 水源地仅有西侧为补给边界

二水厂水源地为昂曲残留冲积一级阶地，是一个孤立的小水文地质单元，其北侧和东侧为小恩达积扇，地层渗透性差，水量贫乏，可视为隔水边界，即小恩达沟基本无地下水侧向补给水源地；水源地西侧紧傍昂曲，地表水常年侧渗补给地下水，为河流补给形成的定水头边界；接受补给后的地下水在水源地南侧河岸排泄，重新转化为地表水，为地下水排泄边界。另外，水源地地下水埋藏较浅的地方（＜5m），存在大气降水补给及潜水蒸发排泄，但由于水源地范围小，其补给和排泄量太少，可以忽略不计。

表3 1997年钻孔地下水位变化特征表 单位（m）

表4 干扰抽水降深与单孔抽水降深比较表

2.4 地下水与河水（库水）动态一致

水源地地下水主要受昌都电站水库水（河水）渗漏补给，因此其动态特征与库水位密切相关。雨季库水位急剧上升，库水向阶地大量充水，含水空间增大，水位埋深小；平枯季节随着库水位的缓慢下降，地下水向库内排泄，含水空间缩小，水位埋深增大。因此，孔隙水的动态主要随库水位的波动而波动，与当地降水量的大小关系不密切。从表3中可以看出，总体上水库不蓄水与蓄水后含水层厚度相差3.5m左右（即水位抬高）；ZK3号钻孔在蓄水过程中水位高程为3 241.46m，水库蓄满后，地下水位逐渐增高为3 242.42m，相差0.96m。另据我单位1997年在水源地旁武警三中队实施钻孔的监测资料，地下水位随库水位变化极其迅速，甚至一日之内地下水位都会呈现较为动荡的变化特征。

3 含水层自净去泥沙研究

3.1 含水自净能力区域选择

图2 群孔抽水试验

图3 ZK3 钻孔抽水试验及微生物样采

图4 ZK4 钻孔无法抽清

为了准确的评估地下含水层对河流泥沙的过滤作用，设计了一组勘察试验孔。抽水试验结果，ZK2、ZK3、ZK5号孔水质极为清澈，而ZK4号孔即使经过连续242小时的抽水，水质亦无法达到清澈，分析其原因是与地层岩性相关：4.3~5.2m为泥质卵石，灰黑色，结构较松散；5.2~7.7m为灰黑色细砂，结构松散，夹少量卵石、砾石。抽水时水流加快，上部砂层不断垮塌，细砂通过滤料进入井中。由于细砂分布广，体积大，即使作长时间抽水，水质仍然无法清澈。抽水将井周边砂层抽空，地面甚至出现塌陷，裂缝遍布。通过ZK8、ZK9、ZK10等取芯孔资料，查清了细砂在ZK3-ZK5以南均有分布，厚度1~2m，且多在水位以下，基本呈现由南到北逐渐变浅的规律。

3.2 强富水区自净范围

详勘时进行了ZK3、ZK4、ZK5群孔抽水试验，抽水结果表明：在水量极丰富地带，ZK3、ZK4、ZK5抽水孔的降深与单孔抽水变化不大，说明地下水补给来源极为充足；而ZK2的干扰降深较单孔抽水时大1.44m，说明受洪积扇的阻水作用，地下水补给途径较为不畅，补给量较少。因此，从出水量的角度考虑，布井范围应在ZK2以南。

表5 辐射井取水方案

备注①布井范围内基岩埋深多在16m左右，为了充分利用含水层及施工需要，设计井深17m；ZK5勘探管井作备用井；②拟建水厂取水量20000 m3/d，考虑到相关损耗，水量安全系数1.1。

综合分析，既要达到水量要求，也要保证水质清澈，须将井布设在ZK2以南，ZK3—ZK5以北。

4 取水方案设计

4.1 取水方案比选

表6 辐射井与管井结合布井方案

备注：①勘察期间施工的ZK5作备用井；②管井下部需要设沉淀管；②设计管井深度为20m；③管井井径为650mm，滤水管径为500mm。

表7 管井布井方案

备注①勘察期间施工的ZK5可作备用井；②管井下部需要设沉淀管，因此设计；②井深度为20m；③管井井径为650mm，滤水管径为500mm。

根据水源地具体的水文地质条件，我们对“管井方案”、“辐射井方案”、“辐射井＋管井”等三种取水方案进行了比选。

4.1.1 取水方案简介

1）辐射井取水方案，布井2口，距离河岸35m，单井出水量11 000m3/d，取水总量22 000m3/d。

2）辐射井与管井结合取水方案，布设辐射井1口，距离河岸35m，单井出水量12 000m3/d；管井3眼，距河25m，单井出水量3 500m3/d。取水总量22 500m3/d。

3）管井取水方案，布管井4口，单井出水量5 500m3/d，沿河布设，距河边25m，取水总量22 000m3/d。

4.1.2 取水方案比选及推荐

通过前述计算评价，三种取水方案在昌都电站水库蓄水条件下，出水量均能满足22 000 m3/d的要求，水位降低也符合规范规定的最大允许降深。但是在水库不蓄水时，单纯的辐射井方案及管井方案取水，其水位降深均大于最大允许降深，会出现掉泵现象，损坏抽水设备而无法正常供水。如将辐射井单井取水量调小而增加井数，可能满足要求，但其投资成本过大；如欲通过增大管井的井距而减小开采水位降深，受地形条件限制又没有布井场地。因此，综合考虑技术、地形条件及经济等因素，我们推荐辐射井与管井结合方案为拟建昌都市二水厂的取水方案。由于管井较为常见，下文设计中不作论述。

表8 建议井位坐标及高程

4.2 辐射井设计

辐射井系在大口井内，把辐射管（渗水管）由内向外径向敷设于含水层的大井。常年不断的河（库）水经河床中渗透性较好的漂卵石层过滤下渗转化为地下水，地下水经这些辐射状的渗水管汇集于中心积水井。

图5 辐射井结构示意图

1、机房 2、地平面 3、集水井 4、泵管 5、辐射管 6、静水面

4.3 辐射井出水量计算

4.3.1 单根辐射管出水量计算

辐射管出水量计算公式为：

式中：q-单根辐射管出水量（m3/d）；d-辐射管外径；N0-系数；Z0-河床至辐射管距离；K-渗透系数；S-水位降深；l-辐射管长度；m-含水层厚度。

将二水厂单根辐射管出水量计算概念模型可以概化为图1，其中d设计为0.13m；Z0为10m（河床至地下水位差）；K为151.47m/d（ZK3、ZK4、ZK5平均值）；S取5m；l设计为10m；m为10.72m（ZK3、ZK4、ZK5平均值）。计算结果q=3 288.71 m3/d

4.3.2 辐射管数量设计及出水量计算

辐射井出水总量计算公式：

式中：Q-辐射井出水量（m3/d）；q-单根辐射管出水量，为3288.71m3/d；n-辐射管数量，8根；-互阻系数，根据辐射管夹角确定。

图6 二水厂单根辐射管出水量计算模型

本次工作由于含水层较薄，设计单层辐射管8根，管间夹角15°～20°，按供水水文地质规范，从最安全计考虑取0.4。经计算，二厂水辐射井单井出水量约10 523.87m3/d。

5 地下水开采资源评价

根据水源地水文地质条件分析，地下水可开采量（允许开采量）主要由河（库）水激化补给量组成。昂曲为常年性河流，枯季流量大于3.4m3/s。取水井紧傍河，当水源地地下水开采时，河水就会激化补给地下水，这样就构成了水源地西侧的定水头补给边界。河水激化补给地下水量采用达尔西定律计算。

表9 河水激化补给量计算表

5.1 计算公式

式中：K-渗透系数（m/d）；I-水力坡度；B-补给宽度（m）；H-含水层厚度（m）

5.2 参数确定

渗透系数（K）：取151.47m/d。

补给宽度（B）：根据抽水影响范围确定。1#和2#开采井抽水降深为6.53m，对应的影响半径为520.26m，因此，河水激化范围为520.26×2+45=1 085.52m。

水力坡度（I）：根据河水面高程与抽水后地下水位高程计算获取。实测地表水位为3 244.04m，地下水位为3 242.42m，抽水后辐射井水位降低6.53m，计算得河水位高于地下动水位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。

含水层厚度（H）：为10.72m。

5.3 地下水可开采量评价

从上述计算可以看出，地下水可开采量主要昂曲河(库)水激化补给量组成，总量约224 992.12m3/d，远大于设计开采量（20 000m3/d），说明地下水开采量有充分保证。计算结果见表5-5。

图7 二水厂辐射井（泵房）

6 辐射井的运行效果

西藏昌都市二水厂运行至今4年了，结束了昌都市人民世世代代喝浑浊河水的历史，大大缓解了供水紧张的问题，对昌都市社会经济的发展具有重大意义，其中辐射井的供水量达到了20 000m³/d以上，起到了至关重要的作用。辐射井的管理和维护极其方便，受到水厂干部职工的一致好评。站在水厂内，35m外的昂曲河水如泥浆一般浑浊，而辐射井内的井水则是清澈透亮，反差极大，被中央工作组誉为“昌都奇迹”。

7 结论

1）昌都市二水厂水源地主要的水文地质特征为：含水层薄，渗透性强；地下水主要接受河（库）水的渗漏补给；地下水动态特征与河水一致，地表水的水位高低决定了地下水补给量的多少。

2）根据二水厂水源地特殊的水文地质条件，因地制宜的采用辐射井方案是适宜的。而且从水厂运行的结果看，辐射井取水效果是非常好的。

3）二水厂辐射井的成功经验可以在类似的地区推广，即高山峡谷区，其水源地一般非常狭小，含水层薄但渗透性强。

[1] 温清茂，周明伟, 等．西藏昌都地区昌都镇环境地质综合勘查评价报告[R]. 1997

[2]《供水水文地质勘察规范》（GB50027-2001）[S].

[3]《水文地质钻探规程》(DZ／T0148-94)[S].

[4]《供水水文地质手册》）[S].

[5]《生活饮用水水源水质标准》（CJ3020-1993）[S].

[6]《供水管井技术规范》（GB50296）[S].

[7]《工程测量规范》（GB BV50026-93）[S].

[8]《地下水质量标准》（GB/T 14848-93）[S].

[9]《生活饮用水卫生标准》（GB5497-2006）[S].

[10]《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）[S].

[11]《饮用水水源保护区划分技术规范》(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

侯军（1972-），男，四川眉山人，工程师，研究方向：水文地质工程地质环境地质

P641.7

A

1006-0995（2019）01-0127-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.030