浅层低渗透性咸水含水层取水技术及利用研究

张永旺，宋 涛

(河北省水文工程地质勘查院，河北 石家庄 050020)

0 前 言

河北平原浅层咸水含水层主要岩性为细砂、粉砂及亚砂土，砂层发育程度决定于古河道变迁的规模及持续时间，西南部砂层厚度大，向北东厚度变薄，颗粒变细。针对河北平原浅部咸水层低渗透性特点，研究便于推广应用的水平井、轻型井组、竖井等取水技术[1]，加大地表水与咸水的联合利用，调控地下水质环境，使咸水区的地下水逐渐淡化，既解决了咸水地区的农业灌溉用水问题，又能促进当地生态环境的改善[2-3]。

1 浅层咸水取水方式

1.1 竖 井

现有的浅层咸水开发利用以竖井为主，适宜竖井的地区为含水层的厚度大于5 m，含水层岩性为粉细砂以上。通过控制成井深度、成孔直径、成井材料选取、咸水环境下水井使用寿命及井管耐腐蚀等方面，解决细颗粒地层井内出砂防治、增加单井出水量的问题。

1)孔深：根据区域水文地质条件，可采用地球物理勘查(高密度电阻率法、电测深等)、取芯钻探等工作手段，查明水文地质地层结构，井深原则上要揭穿具有供水意义的含水层。

2)孔径：应能满足预计出水量选用的过滤管直径和填砾间隙的要求。为增大咸水井出水量，可将抽水井孔径设计为700 mm，井径400 mm。

3)耐腐蚀井管：井管由井壁管、过滤管和沉淀管等三部分组成。过滤管安装长度一般应与含水层厚度基本一致，在咸水地区弱含水层透水性很差时，可适当加长。材质可选用具有耐腐蚀性的聚氯乙烯井管、水泥井管等。

1.2 水平井

在沧州东部等地区普遍存在一浅薄层弱渗透微咸水[4]，难以用常规取水管井开采。水平井过滤器可垂直于地下水流向、长距离铺设于含水层中，可获得比垂直井大几倍甚至几十倍的汇水面；同时通过真空负压作用增大抽水井与地层中水头差，进而增加单井出水量[5-7]，解决浅层低渗透性含水层地下水的取水难题。

该井型适用于地下水位埋深小于4 m，10 m以上地层中有2～4 m稳定水平展布砂体。主要建井方式为：以井组方式建井，竖井+2-4眼水平井一组(见图1)，竖井口径400 mm，管材为水泥管；每个水平井水平跨距在200～400 m，井距在200～300 m，水平段埋深根据砂体厚度确定，成井口径在90 mm左右，成井采用PVC-U管材。取水以离心泵+射流泵方式或虹吸方式取水，单组出水量在40～60 m3/h。

(a)水平井与自动取水方式平面布局图

1.3 轻型井

轻型真空井组主要适用于地下水位埋深较小，浅部地层为黏土或者亚黏土、含水砂体较薄的地区。

主要建井方式为：以井组方式建井，一般为线性或者梅花形(见图2)。每组井数为6～10眼，井深9～12 m，口径为75～90 mm，井间距一般不小于20 m，成井采用PVC-U管材；各井管口采用柔性软管链接。每组轻型井布置1眼集水井。

图2 轻型井+集水井组示意图

1.4 大口井-辐射井

大口井-辐射井取水是在一个较大直径的竖井(集水井)中沿井壁向四周的含水层施工辐射井，辐射井滤出的水流入竖井，由竖井内抽取水的方法[8]，可用于增加单井出水量[9-10]。适用于含水层有一定厚度，富水性较差但补给相对充足的河谷地区。深度取决于含水层深度，最深可达几十米。

主要建井方式为：以井组方式建井，竖井+2-4眼水平井为一组，水平井成十字交叉型布设(见图3)，水平跨距为300 m左右，水平段埋深根据砂体厚度确定，成井口径在160 mm左右，成井采用PVC-U管材；竖井成井口径在400 mm左右，成井管材采用加筋水泥管。一般单组出水量在40～60 m3/h。

图3 大口井-辐射井布局方式图

2 咸水的利用方式

河北平原地下浅层咸水的开采利用主要为农业灌溉，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矿化度为2～3 g/L的微咸水，可直接用于农业浇灌。在使用一定矿化度阈值以下的微咸水水源以及正确的田间管理情况下，土壤盐分累积状况不会威胁到作物的生长，且使用一定矿化度值的微咸水灌溉还有可能会改善作物产品的品质[13-14]。

2.2 咸淡水混合灌溉

主要指将高矿化度的咸水与淡水按一定的比例混合，把混合水的矿化度控制在3 g/L以下加以利用。如在河北省南皮县用矿化度为5.33 g/L的咸水与深层碱性淡水混合，浇灌夏谷-小麦-夏谷，取得了良好的增产效果。

2.3 咸淡水交替灌溉

主要在有地表淡水的地区或者深层淡水开采利用区可采用咸淡水轮灌，可以避开农作物耐盐能力低的返青期，又可以将土盐下淋，为咸水的再利用提供了土壤含盐量低的基础。

3 示范工程建设

河北平原地下水超采严重，特别是黑龙港流域地区，已形成了冀枣衡、沧州、南宫等深层地下水的漏斗区[15-16]。为了节约有限的深层淡水资源，防治超采地下水带来的环境负效应，据《河北省地下水超采综合治理五年实施计划(2018-2022年)》，确定到2022年全省地下水压采量达到54亿m3以上，压采率达到90%。

随着压采措施的逐步实施，淡水资源的供需矛盾进一步加大。河北中东部地区浅层地下咸水资源潜力巨大，地表水与浅层微咸水的联合利用是解决区域水资源问题的有效途径[17-19]。

3.1 地表水与微咸水“管道混灌”示范工程

3.1.1 需水量预测

项目区位于衡水市武邑县大紫塔村，灌溉亩数2 400亩(1亩≈666.67 m2)。项目区现状主要种植作物为冬小麦、夏玉米。按照灌溉定额，项目区总净需水量为48.0万m3。田间的低压管道水利用系数采用0.95，田间水的利用系数采用0.90，渠道灌溉水的利用系数采用0.85，计算粮食作物毛需水量合计为56.2万m3。

咸淡水混合的配比关系可按下式进行计算确定：

(1)

式中，M1、M2、M为混合前咸水、淡水、混合水的矿化度，g/L；V1、V2为混合前咸水、淡水的体积，m3。

灌溉系统设计流量为687 m3/h，咸水矿化度4.87 g/L，淡水矿化度0.6 g/L，混合水2.0 g/L，淡咸水混合比例为2.05。综合考虑咸水井最大涌水量、配泵以及咸淡混灌风险情况，咸淡水流量调整为220 m3/h和470 m3/h。

3.1.2 水源条件

示范区地表水源主要是外调水源引黄水。引黄总干渠东风渠自王庄闸引水至清凉江，再经清凉江支流牛河引水至项目区，牛河现状过流能力满足输水要求，灌区供水是可靠的。

示范区内咸水底界埋深在80～100 m。浅层咸水含水层岩性以粉砂、细砂为主(见图4)，单井出水量15 m3/h左右，需布置咸水井15眼。

图4 浅层水水文地质剖面图

3.1.3 利用形式

地表水利用牛河引水闸把引黄水通过渠道自流输送到坑塘，坑塘蓄水通过压力管道与微咸水混合后进入田间管网，浅层咸水采用竖井开采通过管道与地表水混合后进入田间管网，地表水和微咸水在压力管道内通过压力控制混合后由给水栓配送到田间(见图5)。

图5 大紫塔村地表水与微咸水联合灌溉工程平面布置示意图

3.1.4 咸水取水工程建设

通过示范区内施工取芯孔，区内60 m以浅地层岩性为：0～18 m粉土、粉质黏土为主；18～28 m粉砂、细砂为主；28～42.2 m粉质黏土夹细砂；42.2～60.0 m粉土、粉砂为主。

咸水井井深60 m，抽水井口径设计为700 mm，采用一径到底的方法钻进，全孔采用泥浆护壁钻进方法。孔内0～8 m下入直径400 mm水泥耐腐蚀井管8 m，8～56 m下入直径400 mm滤水管48 m，56～60 m下入沉淀管4 m，采用水泥耐腐蚀井管、水泥耐腐蚀垫筋缠丝型滤水管成井(见图6)，用竹板固定。成井管接口焊接牢固，并用钢质拉板加强。填入优质砾料，填料厚度不小于100 mm，滤水管以上用优质黏土封孔。

根据抽水井的抽水试验数据(见表1)，区内浅层咸水井的静水位埋深约14.25～16.07 m，单井涌水量为15.21～16.20 m3/h。

表1 示范区咸水井抽水试验数据统计表

本次武邑示范区均选用竖井成井方式，采用钢筋混凝土井管，滤水管为垫筋缠丝型，裸露钢构件及滤水管的垫筋、缠丝均组防腐处理，可极大延长使用寿命，在水量上较原有井均有提升。按照单亩/年初步估算，可大幅节省成本。

3.2 地表水与微咸水“抽咸补淡”示范工程

3.2.1 工程概况

在沧县大白冢村博兴农业专业合作社建立示范项目区，开展盐渍化农田抽咸补淡示范推广项目。抽咸补淡示范工程从南排河设扬水点引水至田间，替换深井水灌溉并淋洗盐分；通过新建水平井组和轻型井组结合排水沟抽排浅层咸水，从而达到节水压采改良盐碱地的作用。

3.2.2 布井方式

集水竖井+2眼水平井+2排轻型井(3眼/排)施工3组；集水竖井+1眼水平井+2排轻型井(3眼/排、6眼/排)施工1组，共布置4个井组(见图7)。

图7 沧州市沧县大白冢村水平井、轻型井、集水井施工布置

3.2.3 集水井施工

采用常规回转钻机钻进，井深60 m，钻孔口径700 mm，一径到底。终孔换浆，并列下入Ф350 mm防腐水泥井管和Ф75 mm塑料回水测管，汇水测管出口在30 m处与集水井连通。成井时填入粒径1～6 mm砾料，采用黏土球止水。

3.2.4 轻型井施工

采用Ф100 mm铲状合金刮刀钻头钻进，终孔深度12.5 m，再用Ф310 mm刮刀钻头扩孔，冲孔换浆，下入Φ90 mmPVC-U塑料井管、铣缝包网滤水管(缝宽0.7 mm，网布80目)。自上而下井管结构为0～1.5 m井段为实管、1.5～10 m为滤水管、10～12 m为沉淀管。填砾成井(砾料粒径1～6 mm)，机制黏土球(直径15 mm)止水。洗井工作结束后，井内下入9 m长Φ63 mmPVC塑料管做取水管。

3.2.5 水平井施工

施工水平井7眼(见图8)，水平跨距约196 m，水平段井管埋深9.8 m，终孔直径350 mm。采用Φ160 mmPVC-U塑料井管、铣缝包网滤水管成井；在成井铺管时，采用自行降解冲洗液顶驱水平井内的泥浆，便于洗井解淤。

图8 水平成井结构图(单位：m)

井管安装完毕后，在井管内用预留的钢丝绳(直径6 mm)拖入带有Ф75 mm钢制喷头的风管，开启空压机对滤水管逐段进行喷射洗井。洗井工作结束后，在水平井内下入30 m直径63 mm的PVC塑料管做取水管(入土端井口且与集水井相邻)，并直接与管汇连接。

3.2.6 抽水试验

在沧州等地区，浅层弱透水层取水一直是技术难题，通过本次采用的水平井+轻型井的模式，在集水井内下入扬程50 m的3寸潜水泵抽水，启动射流虹吸取水系统，使得水平井、轻型井的水以负压叠加虹吸汇水于集水井中，由集水井内的潜水泵抽水排出。单组出水量可达46～60 m3/h甚至更高(见表2)。

表2 抽水试验结果

4 结 论

1)河北省中东部平原地区浅层咸水以细砂、粉砂为主，采用竖井成井方式取水，在施工中严格控制滤料配给、耐腐蚀井管的选用等过程，可有效提升单井出水量，提升使用寿命。根据咸水的矿化度等条件，在引黄等地表水工程受水区内，可选择地表水与咸水混合灌溉、交替灌溉等利用形式。

2)针对沧州等地区浅部咸水层低渗透性特点，可选用水平井、轻型井组等取水技术解决传统竖井无法取水的难题，与当地地表水通过抽咸补淡的形式，使咸水区的地下水逐渐淡化，既解决了咸水地区的农业灌溉用水问题，又为大面积盐碱地复耕提供技术保障。

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