輻射井技術在濱州市黃河灘地地下淡水資源開發中的應用

張利紅，魏俊芳，董 睿

（1.濱州市水文水資源勘測局，山東 濱州 256609；2.濱州市海河管理局，山東 濱州 256609）

山東省濱州市位于黃河三角洲腹地，地處退海之地，地下水受海水影響顯著，除局部存在少量的地下淡水外，絕大部分地下水體是富含鹽堿的苦咸水，不具備飲用水功能，是山東省地下淡水資源最緊缺的地區之一。多年來，濱州市工農業生產和居民日常生活用水主要依靠黃河客水，雖有徒駭河、馬頰河、德惠新河、沙河、潮河、小清河等多條河流，但河道以排澇、排堿、排污為主，地表水污染嚴重，常年為Ⅴ類水質，失去飲用水功能。在黃河不斷流、準許引水的情況下，濱州市的供水是有一定保障的，但如果遇到特殊干旱年份或黃河突發污染事故時，濱州市的飲用水安全將會受到較大的威脅，而且上世紀90年代以來，黃河流域因上中游引水量激增，黃河來水量日益減少，已經成為阻礙濱州市經濟社會快速發展和居民生活水平提高的重要因素。因此，進行黃河灘地地下淡水資源的開發利用，用于濱州市城區及附近村莊居民的生活用水，對減少當地調蓄水量的消耗、降低地下水開采量、緩解濱州市水資源供需矛盾具有重要的經濟和現實意義，必將帶來較大經濟和社會效益。

黃河河床及其灘地下面埋藏的淡水資源常年接受黃河水的補給，是一個穩定的地下水庫，是較好的飲用水源。在黃河灘地開采利用地下水，有利于地表水的補給，同時避開了水質污染，能夠提高飲用水供給的保障能力。但是，開發利用地下水資源必須選擇正確的取水構筑物，才能發揮出好的效益。以下就濱州市沿黃河灘地及河床淺層地下淡水資源開發利用的取水方式和產水量分別加以分析計算。

1 取水工藝

1.1 取水方式的選擇

傍河取水屬于淺層取水，除管井之外，還有滲渠、截流和輻射井等方式。在黃河下游的灘地上，由于特殊的水文地質條件，用管井等傳統的取水方式開發淺層淡水資源是不適宜的，因為這里含水砂層顆粒細，最粗的是細砂；淡水體埋深淺，下部又有咸水，最深處為40～50 m。用管井取水受到深度和管徑的限制，水量不會太大，達不到供水的目的和要求。以往施工的管井有許多在成井過程中不是水量少就是涌砂嚴重而報廢。少數成功的水源井，由于其深度已經接近下部咸水層，抽水時間加長后，也會出現水質變咸的現象。

在黃河灘地上由于地下水水力坡度很小，進行潛水截流不但投資大，而且效益很低，所以不能采用。

在河床及灘地上修筑滲渠，需要開挖的土方量非常大，水下開挖土方難度也很大，深度也只有3～5m，而且必須在黃河斷流期間進行，鋪設大口徑墊筋包網式的濾水管，管外填充數量很大的礫料。黃河來水時容易把礫料沖走，造成滲渠報廢。1992年6—7月，勝利油田在墾利縣路家莊修筑的滲渠就出現了上述情況。修筑滲渠費時費工，造價昂貴，容易失敗，所以不能采用。

輻射井是由大口徑混凝土豎井管和堅井內含水層位置處水平方向布設的多根輻射管組成，由于水平管呈輻射狀分布，故稱輻射井。輻射井具有單井出水量大、使用壽命長、管理維修方便、占地少、成本低、適用地層廣等特點。在黃河灘地利用輻射井進行傍河取水，可以完全克服管井、截流及滲渠的各項缺點。在淡水體埋深范圍之內，輻射井集水井的深度可以任意選擇，以便避開下部咸水的影響。水平輻射管設在河床及灘地下面，能夠最大限度地提取最佳部位的淡水資源，還能夠最快地得到黃河水的補給。水平輻射管的長度可以盡最大努力延長，增加進水面積，提高產水量，輻射井比同深度的管井水量可以大幾倍、幾十倍。所以，在黃河灘地利用輻射井傍河取水比其他取水構筑物具有明顯的優勢，在技術上可行，經濟上也比較合算。

1.2 輻射井位置選擇原則

進行傍河取水，輻射井位置的選定十分重要。如果井位選擇不好，會直接造成水量小，滿足不了需水要求，同時還會出現水質變咸，使供水水質達不到水質標準，情況嚴重者還會使輻射井無效而報廢。因此，位置布設應根據水源地水文地質條件分析，遵循以下原則布設：

（1）輻射井要布設在導水性富水性最好的地段，保證輻射井的最大涌水量。

（2）盡量靠近河床布井，水平輻射管深入河床及灘地下面的含水層中，這樣不僅能最大限度地汲取河床滲透水和灘地地下水，最快地接收到黃河水的激發補給，還使輻射井處在距離兩邊大堤以外咸水邊界最遠的位置上。輻射井形成最大降落漏斗時，下部及外部的咸水一般不會進入到輻射井中使水質變咸。

1.3 井深井距設計

根據水文地質條件，研究范圍內地面12～16 m以下為粉細砂含水層，以上為粉土、粉質粘土層。井的深度越深，含水層透水性越好，水量越大。但是，根據物探測定，研究范圍地面以下50 m左右為咸淡水分界面，以上為淡水，以下為暫時不能利用的咸水。開采上部淡水，如果不慎很容易使下部咸水入侵，使井內水質變壞，水源井報廢。另外，目前輻射井的技術水平還不能在很深的集水井中施工水平輻射管，若在水頭壓力過大的集水井內施工則容易發生井噴?？紤]上述問題，設計井深不宜超過35 m，水平輻射管層次和根數以砂層厚度為原則，水平輻射管長度以技術能力為原則，力求越長越好。輻射井旁可設1～3 眼滲水井，井深 30～40 m，井徑 800～1 000 mm，主要用于打穿含水層上部的粘土層，使地面水順利滲入含水層中補充地下水。

2 輻射井產水量分析

2.1 輻射井涌水量計算方法

輻射井出水量和其周圍水位變化的計算是十分復雜的，國內外的學者對輻射井出水量的研究做了大量的工作，并取得了一定的成果。從現有的資料看，關于輻射井涌水量的計算公式有20多個，大致分為兩類，一是經驗公式，二是半理論半經驗公式。目前，國內多數采用等效大口徑法進行計算，這種公式簡單方便，雖然有一定的誤差，但作為黃河灘地進行地下水開發利用輻射井涌水量的初步估算是可以的。計算公式分別如下：

（1）潛水完整井出水量的計算公式為：

式中：Q為輻射井出水量 （m3/d）；K為滲透系數（m/d）；S0為水位降深（m）；H 為含水層厚度（m）；R 為輻射井影響半徑 （m），按經驗公式計算，取R＝10S0+L；rf為等效大口井半徑（m），當水平輻射管等長度時取rf=0.251/nL，當水平輻射管不等長度時取rf=2ΣL/3n；n為水平輻射管根數；L為單根水平輻射管長度（m）。

（2）承壓井出水量的計算公式為：

式中：M為承壓含水層厚度 （m）；其余符號意義同上。

（3）潛水非完整井出水量的計算公式為：

式中：m為水平輻射管距不透水頂部的距離（m）；其余符號意義同上。

2.2 輻射井產水量分析

根據1999年勝利油田已建成的兩口輻射井的抽水實驗資料結果可知，一口井在降深17m時，出水量為 154 m3/h（3 696 m3/d），單位出水量 9.06 m3/（h·m）；一口井在降深27 m時，出水量為268.9 m3/h（6 453 m3/d），單位出水量 9.96 m3/（h·m）。兩眼輻射井如果控制降深在28 m左右，則出水量均超過6 000 m3/d。這一數字遠遠大于用其他井型同深度井所得到的最大水量。

由此可見，根據黃河灘區含水層分布布設一定數目的輻射井，產水量達到供水要求和實現集中向城區供水是完全可能的。

3 黃河灘地地下水開發利用方式可行性及效益分析

由于黃河灘地含水層埋深淺、顆粒細、厚度薄、富水性弱，所以不宜采用傳統的取水方法。因為輻射井具有單井出水量大、使用壽命長、管理維修方便、占地少、成本低、適用地層廣等特點，特別是輻射井是靠由水平方向埋設的水平輻射管取水，在黃河下游灘地和周圍都是咸水的地區，只有輻射井既能很好地控制井深，防止咸水入侵，又能有效地開采地下水，所以輻射井是黃河下游灘地淺層地下水開發利用的理想井型。利用輻射井技術開發黃河灘地淺層地下淡水資源是可行的有效方法，是值得推廣的。

用黃河水作為供水水源，要修筑平原水庫，將黃河水通過渠道引入水庫內進行沉淀、凈化和消毒后供給用戶，其投資數量很大，而利用輻射井傍河取水工程取水（包括水文地質勘察、輻射井工程建設、地面供水及消毒設施的配套）總投資不到水庫供水投資額的1/4。由此可見，黃河灘地輻射井傍河取水的經濟效益是十分可觀的，而且這樣取水使地下水通過地層自然過濾后其水質比地表凈化水要好得多。

4 建議

進一步提高輻射井的施工工藝，加強輻射井的運行管理。加強水平輻射管打進長度和口徑加大的研究，并進一步研究水井布局、打井深度及運行措施的合理性。開采過程中，輻射井的運行要使地下水形成與河流方向平行的長條形漏斗，才能促使河水激發補給量加大，保證輻射井運行處于良性狀態中。