最新地下水资源的开发地下水资源的保护地下水资源的ppt课件.ppt
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1、水文地质勘察水文地质勘察7/9/20221 1 地下水资源的开发地下水资源的开发o供水水文地质勘察的任务,除查明水源地地下水的形成,进行水质与水量评价外,还应研究合理地开发和保护地下水资源,以及加强科学管理工作,以利于长期正常地开采利用地下水资源。o地下水的水量和水质,都有各自的形成规律。在天然条件下,绝大多数地区地下水的水量与水质均处于相对平衡状态之中。有时,它们也可能随着某种自然因素的变化而变化,但其变化过程一般是非常缓慢的。因此,只要能正确地认识它们的形成规律,就基本上可以做到在不破坏原有均衡关系的条件下,充分利用地下水资源为人类造福。但是,如果违背这些规律,盲目、恣意地开采地下水资源,
2、就会破坏其均衡关系,给人类的生活、生产、环境及自然界的生态平衡带来种种严重后果。水文地质勘察水文地质勘察水文地质勘察水文地质勘察水文地质勘察水文地质勘察水文地质勘察水文地质勘察水文地质勘察水文地质勘察水文地质勘察水文地质勘察水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o水源地的范围和取水建筑物的类型确定之后,怎样合理地布置取水建筑物,才能最有效地开采地下水并防止有害后果的产生,就成为最重要的工作。合理布局主要指取水井平面和剖面上的布置(排列)形式及井间距离与井数等的确定。o1水井的平面布局o水井的平面布局主要决定于地下水可开采量的组成性质及其运动形式。1 地下水资源的开发地下水资源的开发三、取水建
3、筑物的合理布局三、取水建筑物的合理布局水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o在地下径流条件良好的地区,为充分拦截地下径流,水井应布置成垂直地下水流向的并排形式,视地下径流量的大小,可布置一个或几个井排。例如,我国许多山前冲洪积扇中、上部的水源地,主要是靠上游地下径流补给的河谷水源地,以及由一些巨大的阻水界面所形成的裂隙一岩溶水源地,多采用上述水井布置形式。如水源地的主要补给水源可能是地表水体时,则开采井排应平行于地表水体的延伸方向布置。当含水层四周被透水边界包围时,开采井也可以布置成环形、三角形、矩形等集中孔组形式。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/202
4、2o在地下径流滞缓的平原区,当开采量以含水层的储存量或垂向入渗补给量为主时,则开采井群一般布置成网格状、梅花形或圆形的形式。在以大气降水或河流季节补给为主、纵向坡度很缓的河谷潜水区,其开采井则应沿着河谷方向布置,视河谷宽度布置一到数个井排。o在岩层导、储水性能分布很不均匀的基岩裂隙水分布区,水井的平面布局主要受富水带分布位置的控制,应把水井布置在补给条件最好的强含水裂隙带上,而不必拘束于布井规则要求的布置形式。农田灌溉水井的布局,则均匀分布在整个灌区。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o2水井的垂向布局o对于厚度大(大于30m)的含水层或含水组,是采用
5、完整井开采,还是用非完整井分段分层多井开采,尚需研究和试验。而对于厚度不大(小于30m)的松散含水层和大多数基岩含水层,一般采用完整井开采最合理,因此不存在垂向布局问题。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o西安某水源地为大厚度冲、湖积含水层,通过分段抽水试验得到过滤器长度(L)与水井出水量(Q)的关系曲线(图11l)。由图可见,出水量随着滤水管长度的增大而急剧加大,但其增长强度(QL)愈来愈小(见图112)。o当滤水管增加到一定长度后,出水量已基本不再增加了。进行供水管井设计时,一般取QL0.5的滤水管长度(La)作为分段取水设计的依据,将这个La称“
6、过滤器的合理长度”,它约占整个井出水量的90一95。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o过滤器的合理长度还与水位降深、含水层厚度、渗透性、过滤器直径等因素有关,可根据抽水试验或用经验公式计算确定,一般为2030m之间。o为了充分汲取大厚度含水层整个厚度上的水资源,可以在含水层不同深度上采取分段(或分层)取水的方式。一般采用井组形式取水,多由23口水井组成,可布置成三角形或直线形。井间距一般为3一5m即可。当含水层颗粒较细或水井封填质量不好时,为防止深、浅水井间水流串通,可把孔距增大到6一l0m。相邻取水段之间的垂向间距(图113中的a段)的确定原则是:
7、既要减少垂向上的干扰强度,又能充分汲取整个含水层厚度上的地下水资源。表112列出了在不同含水层厚度条件下分段取水的垂向间距(a)等的经验数据。实践经验表明,滤水管垂向间距在 510m时,其垂向水量干扰系数一般都小于25,完全可以满足设计的要求。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022表111 常用的地下水取水建筑物及适用条件水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o实践证明,在进水性较好(中砂以上)的大厚度含水层中分段(层)取水,既可有效地开发地下水资源,提高单位面积产水量,又可节省建井投资(不用扩建或新建水源地),并
8、能减轻浅部含水层的开采强度。据北京、西安、兰州等市20多个水源地统计,由于采用了井组分段取水方法,水源地的产水量都获得了成倍增加。当然,井组分段(层)取水也是有一定条件的。如果采用分段取水,又不相应地加大井组之间的距离,将会大大增加单位面积上的取水强度,从而加大含水层的水位降深或加剧区域地下水位的下降速度。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o3井数和井间距离的确定o两者的确定原则是:在满足设计需水量的前提下,本着技术上合理,且经济、安全的原则确定水井(井组)的数量与井间距离。取水地段范围确定之后,井数主要决定于该地段的允许开采量或设计总需水量和井间距离
9、,以及单井出水量的大小。o集中式供水水井的数量与井间距,一般是用解析法井流公式计算确定的。即首先根据水源地的水文地质条件、井群的平面布局形式、需水量的大小及设计允许水位降深等已给定的条件,拟定出几个不同井数和井间距的开采方案,然后选用适合的公式计算每一布井方案的水井总出水量和指定点或指定时刻的水位降深,最后优选出水量和指定点水位降深均满足设计要求、井数最少、井间干扰强度不超过要求(一般要求水量减少系数小于20一25%)、建设投资和开采成本最低的布井方案,即技术、经济最合理的井数与井距方案。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o农田灌溉供水井的布局,主要是
10、确定合理的井间距离。考虑的主要原则是:单位面积上的灌水量必须与该范围内地下水的可采量相平衡。力求将开采地下水时的井间干扰减到最小,以节省设备和动力,降低开采成本,充分发挥单井效益。如果井距太小,井数增多,井间干扰增大,单井出水量就会减小。这不仅会增加投资和消耗动力,甚至能引起区域地下水位持续下降使开采条件恶化。井距太大,虽然井间干扰减少,单井出水量较大,但其需要控制的灌水面积增大,单井出水量难以满足灌水定额要求。因此,需要兼顾上述的两个方面确定合理的井距。其方法有以下几种。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o(1)单井灌溉面积法:当地下水资源较丰富,能
11、满足灌溉需水量要求,单井出水量又较大时,则可简单地根据需水量来确定井数与井距。首先,根据单井出水量计算单井灌溉面积F(亩):o式中:Q单井出水量(m3h);oT一次灌溉所需的天数(d);ot每天抽水时间(h);oW灌水定额(m3亩);o渠系水的有效利用系数。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o如果水井按正方网状布置,则水井间距离D(m)应为:o如果水井按等边三角形排列,则井间距为:o整个灌区内应布置的水井数(n)为:o式中:A灌区的总面积(亩);o土地利用率(%);oF单井控制的灌溉面积(亩)667F1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文
12、地质勘察7/9/2022o从以上公式可见,用这种方法计算的井数和井距,主要决定于单井所控制的面积。在单井水量一定的条件下,单井控制面积大小决定于灌水定额。因此,应从平整土地、减少渠道渗漏、改进灌溉技术等方面来降低灌水定额。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o(2)开采模数法:在地下水资源不太丰富的地区,为了保护地下水资源不至枯竭,须保持灌区内地下水量的收支平衡。因此,只能根据允许开采量来计算井数和井距,但不一定能保证满足全部土地灌溉所需的水量,不足部分,可用地表水或其他方法解决。o如果已知该区含水层的允许开采模数Mb(m3(km2h))时,则每平方公里
13、面积上的平均井数(N)为:o式中:T1为每年采水天数(d);t为每天采水时数(h);Q为单井出水量(m3h)。其合理井间距D为(按正方形):N D2=100021000m2D1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o(3)根据抽水(或开采)试验确定井距:以上两种计算方法是用于地下水资源量已查明的情况下。实际上,一个地区在开采地下水的初期阶段,水资源状况往往尚未完全查明。在这种情况下,可进行抽水试验或开采试验,根据互相干扰影响的程度确定合理的井距,至少应将井距限制在多孔干扰抽水的出水量减少值不超过单井出水量的20一25,据此得出最小井距,指导地区打井。河北衡水
14、地区确定的允许最小井距列入表11一3中。如果按允许的最小井距布井后,开采水量若大于允许开采量,则须人工补给地下水或地表水与地下水综合利用,或限量开采,以避免因消耗永久储存量引起地下水位持续下降,导致开采条件恶化和水资源枯竭等环境地质问题的发生。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o一个已选定的地下水源地,能否实现预期的产水量,除了与水井的合理布局有关外,还与水井的结构密切相关。因此,水文地质人员应具有管井结构设计的基本知识。o生产用管井的结构与勘探阶段抽水试验钻孔结构相似,但也有一些不同之处。两者相似之处是,井身的基本结构和各部分的功用相同,即都是由井壁
15、管、滤水管(过滤器)和沉淀管三部分构成。其主要的差别是,抽水试验孔主要是为了满足取得含水层的某些水文地质计算参数或取得水位降深与钻孔出水量关系的资料,故其井径无须太大,且试验结束后需起拔井管;而供水管井则主要是为了取得足够的水量,故一般口径较大,同时要求能长期安全运转。这些特点就是供水管井设计时必须考虑的因素。1 地下水资源的开发地下水资源的开发四、管井的结构设计四、管井的结构设计水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o1井身的结构o当供水管井的深度不大时,为了使整个井身保持较大的直径,以增加进水量、便于下入水泵和为了节省管材,以及施工方便,设计时应尽量简化井身结构。对孔深小于100m的浅供
16、水井,一般采用同径到底的井身结构;对于100m以上较深的水井,为了在维修时易于起拔井管,或受凿井设备能力的限制和为了节省管材,可考虑采用变径的井身结构。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o2井径(钻孔直径)o井径的大小主要决定于管井的设计取水量,凿井设备的能力,所用井管、滤水管的口径和人工填砾的厚度。据供水管井设计规范的要求,井径应比所选用的过滤器外径大50mm(填砾较厚时,应大150200mm)。如为基岩井,则要求井径比抽水设备标定的井管内径大50mm。此外,在确定松散含水层中的管井井径时,还须用允许入井渗透流速(V允)复核。这是为了减少水流经过过滤
17、器的摩阻损失,为此必须降低水流进井的速度。如果该速度过大,不仅会大大增加水头损失(因水头损失与流速的平方成正比),而且将带动井外的细砂等逐渐聚集、堵塞在过滤器外表。随着井的开采,堵塞将逐渐严重,使井的出水量显著减少;严重时可使井出水量减少到20以下。因此,水井的直径应满足下式要求:o式中:D设计的管井井径(m);oQ设计的取水量(m3/s);oL过滤器工作部分长度(m);oV允允许入井渗透流速,可查规范中的经验数值(ms)。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o3井管的种类和规格o井管包括井壁管、过滤管和沉淀管。对于临时性的抽水试验井来说,由于在下入和起
18、拔井管时需要承受较大的压力和拉力,故要求井管材料应有较大的强度,一般多用无缝钢管。而对于供水井的井管材料强度,不必有太高的要求。但由于井管长期埋置地下。故要求有较强的抗腐蚀性能,一般可采用造价较便宜的铸铁管、水泥管、塑料管及陶瓷管等。当水井深度较大时,则应采用抗压、抗拉强度较大的钢管或玻璃钢管。o如果仅仅从井径与水井出水量的关系来看,根据北京水文地质队的试验,井管(指过滤管)的口径大于203.2mm就不会过多地影响管井的出水量。因此,在设计中主要是根据所选用的抽水设备类型和规格确定井管的口径。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o设计时,要求井管的内径应
19、比抽水设备要求的井管公称内径大50mm。同时,亦应根据设计的取水量,用允许入管水流速度进行复核,即过滤管的外径应满足于下式要求:o式中:D过滤管外径(缠丝过滤管,应算至缠丝外表)(m);oQ设计取水量(m3s);oL过滤管的工作部分长度(m);on过滤管表层进水面的有效孔隙率();ov允允许入管水流速度,其值可按表114确定(ms)。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o常用井管类型、口径,钻孔直径、深度的配合关系,如表115所示。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o4过滤器类型的选择o正确选择过滤器类型,是保证
20、供水并取得最大出水量、消除涌砂、延长水井使用年限的关键。在实际工作中,往往因过滤器类型(或材料)选择不当,造成水井大量涌砂,或因地下水的化学、微生物腐蚀结垢作用造成水井淤塞或滤水孔(网)被堵,使水井出水量减少,甚至完全失去出水能力。有时,大量涌砂,会导致地面产生塌陷。o为了增大钻孔的出水量,必须设法使地下水流向钻孔的各种阻力减少到最低限度。在各种阻力中,以紊流摩阻和地下水流经滤水断面时的摩阻损失最大。为了减少这些摩阻损失,就必须用人工方法加大井管外围的渗透性能。目前,最有效的办法就是采用填砾过滤器,并尽可能增大填砾层的厚度,并选用与含水层性质相适应的填砾规格。1 地下水资源的开发地下水资源的开
21、发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o选择过滤器类型时,对于松散孔隙含水层,主要考虑的是含水层的颗粒大小及分选程度;对基岩含水层(带),则既要考虑岩石的稳固程度,又要考虑孔洞、裂隙中疏松充填物质的粒度和分选程度。适于不同含水层的过滤器种类及规格及井的出水量列于表116中。过滤器的材料,主要是根据地下水有无侵蚀性来选择。因此,要求在钻进和抽水试验过程中,及时采取土样、水样,进行颗粒的筛分和水质侵蚀指标的分析,以便正确设计过滤器。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o管井的成井工艺,包括从钻进开始直至下管、回填、
22、洗井等多道工序。其中的任何一道工序处理不当或完成质量不高,都会影响水井的成井质量。轻则影响水井的出水量,减少水井使用年限;严重时,可使水井报废。故水文地质人员必须对成井工艺有所了解,并予以重视,与钻探人员配合,共同保证成井质量。由于有关成井工艺的详细要求,在各种钻井技术规程或手册中均有论述,本教材对成井工艺的一般流程和要求,仅列表说明(见表117)。这里着重介绍对成井质量影响较大的洗井方法。1 地下水资源的开发地下水资源的开发五、管井的成井工艺五、管井的成井工艺水文地质勘察水文地质勘察7/9/20221 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022水文地质勘察水文地
23、质勘察7/9/2022水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o洗井工作是管井成井工艺中最后和最重要的一道工序。洗井的好坏对管井出水量有很大的影响。洗井的目的、任务及技术要求已列于表117中。o洗井的方法基本上可分为机械洗井和化学洗井两大类。前者目前普遍使用,而后者最有发展前途。o1机械洗井法o目前使用最广泛的是活塞洗井法和空压机洗井法;其次是水泵抽压洗井法、冲孔器洗井法和各种联合洗井法。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o机械洗井法的共同原理是:通过洗井设备在井中产生的强大抽、压作用和冲击振荡作用,加大井内外的水压力差和加快地下水流速,从而破除井壁泥
24、皮、带出阻塞于含水层空隙与过滤器中的细粒物质,以达到疏通含水层、增加水井出水量的目的。o活塞洗井法所需设备少,方法简单,洗井成本较低,洗井效率亦高。但当井管强度不高时,易被活塞拉坏;在细粒含水层中洗井时,可能引起大量进砂。o空压机洗井具有工作安全、洗井干净等优点,但洗井成本较高,且受地下水位深度限制。因此,动水位过深或井深较浅的水井,皆不适于空压机洗井。o当条件适合时,用空压机与活塞联合洗井,可以取得很好的洗井效果。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o2化学洗井法o它是近代国内、外正在发展的一种新式洗井方法。这种方法操作简便,成本低廉,对于因化学或生物
25、化学结垢作用而堵塞的水井,化学洗井效果远比机械洗井为佳;而在某些碳酸盐岩含水层中,化学洗井还可起到扩大含水层裂隙、溶隙通道的作用。我国目前已推广的化学洗井技术有:o(1)多磷酸钠盐洗井法:目前在洗井中使用的多磷酸钠盐有:六偏磷酸钠(NaPO3)6、三聚磷酸钠(Na5P3O10)、焦磷酸钠(Na4P2O7)和磷酸三钠(Na3PO4)等。现以洗井中经常使用的工业用焦磷酸钠(即无水焦磷酸盐)为例,说明其原理及使用方法。1 地下水资源的开发地下水资源的开发水文地质勘察水文地质勘察7/9/2022o无水焦磷酸钠为白色粉末状,易溶于水,呈碱性(pH9.2),无毒,对钢材腐蚀性较弱。由于其价格比较便宜,故宜
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