第二章 貧水區找水與取水工程技術

第一節 概述

一、研究背景及意義

農村飲用水源包括地表水和地下水兩部分。我國地表水資源開發利用程度相對較高，但開發潛力有限，水質得不到可靠保障。相對而言，地下水分布廣，水量水質相對穩定，但受勘查與開發利用技術方法等因素制約。特別在高氟、高砷、高礦化度等劣質地下水地區和基巖山區可利用淡水開發程度低，居民飲水困難。因此，開展地下水資源勘查與開發利用技術方法研究是解決我國缺水問題的迫切需要。主要體現在以下四個方面：

（1）我國西北內陸盆地部分地區以及濱海地區為咸淡水共存地區，居住在這些地區的農民長期飲用高礦化度苦咸水或高氟、高砷水，導致了嚴重的地方病。在這類地區，地下淡水與高礦化水或氟、砷等對人體有害元素含量較高的劣質水在空間上具有疊置分布特征，需要準確分辨出可飲用地下水與劣質地下水的空間分布特征，實現在打井之前預測地下水礦化度的目的。以往在評價地下水礦化度時，是通過采取地下水的樣品進行分析化驗，確定含水巖組中水的礦化度。或者是利用常規電法測定電阻率值，僅靠經驗，粗略定性評價，未充分考慮各種地質信息，精度不高，造成成井率不高，資金浪費。另外，由于高礦化度、高氟、高砷等地下水含有腐蝕性物質，對成井管材具有較大的損害，開采孔井管被腐蝕造成其使用壽命短。因此，研究咸淡水地區尋找淡水體的勘查技術，開發適合于該類地層的新型環保型成井新材料，是提高勘查精度、解決當地農村飲水困難的關鍵途徑之一，也是緩解居住在劣質水區居民飲水困難的需要。

（2）基巖山區以基巖裂隙水為主，嚴格受地質構造的控制，加之山區地形地貌、地質構造的復雜性，地下水勘查難度較大。針對山區地下水勘查特點，整合遙感、水文地質調查、綜合物探技術等大量信息，將新技術、新方法與常規有效技術方法有機結合，形成準確、高效的山區地下水勘查技術模式，是提高山區成井率和工作效率的需要。

（3）我國許多地區，淡水分布在30～50m以內，含水層較薄，有些地區是多層分布，含水層為弱透水性地層，富水性較差，如華北平原、寧夏、內蒙古等地區。在此類地區利用普通井型，按照常規的施工工藝，特別是無砂混凝土管井，由于洗井限制，井孔壁滲透性降低，出水量較小，且容易淤堵，井使用壽命短。為了增大單井出水量、延長井使用壽命，急需對常規井型進行改進，開發適用于該類含水層的新井型和新型成井材料。

（4）我國北方地區，河流多為季節性河流，常有斷流現象，而河灘地常為穩定的地下水庫，傍河取水可以取得較為穩定的水量；在南方地區，河流常年有水，但河水多少受到污染，而地下水通過地層滲濾，水質好于地表水，以傍河取水的形式開發利用河邊地下水，被廣泛采用。在一些山區，河灘地含水層較薄，利用輻射井技術可以獲取較大的水量，且可利用地層的滲濾作用，達到凈化地表水水質的目的。而目前輻射井應用中還有一些技術沒有突破，如卵石層中水平輻射管鋪設長度不長、濾水管以及水平鉆機未完全定型等，故急需對上述問題進行研究，提出傍河取水的輻射井技術應用模式。

針對我國西北內陸盆地及濱海地區咸淡水共存、居民長期飲用高氟水、苦咸水問題以及基巖山區和內蒙古高原薄層含水層區嚴重缺水問題，研究開發了適用于西北內陸盆地、濱海等咸淡水共存地區、基巖山區和內蒙古高原薄層含水層地區的找水技術模式；開發形成了淺層薄弱透水層地區新型粗骨料井成井技術、新型貼礫濾水管、抗淤堵濾水材料；開發形成了能有效降低地表水濁度的傍河取水工程技術模式，包括井群配置、施工工藝及新型水平鉆機研制等。

二、國內外研究現狀

（一）地下水勘查技術

地下水勘查是合理開發利用地下水源的基礎和前提。目前國內外常用的地下水勘查技術和方法除常規水文地質調查法外，主要包括遙感技術和地球物理勘查技術。

1.遙感技術

遙感技術的發展為地下水勘查提供了先進的技術手段。在以往的水文地質調查中，主要側重對水文地質條件的定性和宏觀研究，如研究地下水分布規律、埋藏深度和大致的礦化度，圈定地下水的補給和排泄地段；描述地下水和地表水的特征及聯系程度、包氣帶的組成和厚度；評價人為和自然因素對地下水動態的影響；判斷巖石的蓄水性和相對滲透性等。隨著衛星傳感器分辨率的提高，圖像處理方法的進步，GIS系統功能的增強，遙感技術在地下水勘查中的應用由定性到定量，由人工判讀到人機交互解譯，再到信息自動提取，建立實用化的遙感找水技術模型。目前的發展趨勢主要集中在以下四點：

（1）微波和熱紅外遙感。微波遙感因具有全天候、全天時數據獲取能力，是遙感技術重要的發展方向之一。隨著2004年加拿大Rardarsat-2和日本ALOS雷達遙感衛星的發射，使微波遙感多波段、多極化向極化干涉雷達方向發展，對于定量化雷達水文地質遙感的研究有重要的意義。極化干涉SAR是在干涉和極化的理論技術和方法有充分發展和積累的情況下，通過融合而產生的一種新型的對地觀測技術。

植被是地下水勘查中重要的水文景觀之一。極化干涉雷達在提取地表植被垂直結構信息方面比單獨的干涉和極化雷達有更大的優越性和更高的精度。為區分植被類型、定量化植被參數提供物理數據，Cloude等將極化干涉與相干散射理論相結合，提出了極化干涉SAR雙基線植被高度參數反演算法。極化干涉雷達SAR能生成尋找地下水所用的地形、地貌景觀信息參數DEM，比起單純極化和干涉雷達DEM高程精度有明顯的提高。

熱紅外遙感在水文地質研究中一直起著重要作用，在尋找地下水、古河道，發現泉眼等方面有獨特的優勢。應用熱紅外遙感數據反演地下水分布的經驗模型，可以有效地反映干旱區富水帶的信息。熱慣量填圖近年來得到了很大發展，主要用于水文地質、工程地質和其他環境調查，根據熱慣量填圖資料可以繪制土壤濕度圖，確定淺部含水層的位置，測定與地質構造有關的淺層地下水。

（2）3S技術集成。隨著空間技術、傳感器技術的進步，高分辨率的遙感數據將為地理信息系統（GIS）數據庫提供信息源，以保證GIS的現勢性和可運行性。遙感已成為GIS中最主要、最及時的動態信息來源，GIS需要大量的遙感數據和其他的輔助數據（GPS定位等），通過反演與地下水相關的遙感數據，認識地下水補給、徑流、排泄規律。

目前遙感信息提取（包括識別和分類），是以遙感圖像的光譜特征為基礎的。這種單一信息源的分析方法，未能充分考慮地物背景、環境景觀條件的復雜性和不穩定性給遙感信息提取帶來的影響，識別和分類的精度十分有限，不能滿足定量化的要求。雖然遙感數據大幅度的提高空間、時間和光譜分辨率，為遙感信息提取精度創造了條件，但還需GIS提供解譯所需的判讀標志和依據，進而將遙感和GIS中的數據復合在一起，增加遙感數據的“濾波”通道，提高遙感數據識別與分類的特征維數，消除和減弱遙感探測的誤差，逐步實現遙感信息提取的解析化和數字化。

3S技術在尋找地下水方面的應用正處在發展階段，由于遙感信息的復雜性及各種數據源的屬性差異，面對多種GIS平臺的選擇，往往一個專題多種模式，缺乏統一的規范。

（3）遙感信息定量化。遙感技術的發展，最終目標是解決實際應用問題。遙感信息定量化是通過實驗或物理模型將遙感信息與地下水參量聯系起來，利用遙感信息定量地反演地下水分布、埋深等，使遙感信息的定量分析與應用成為現實。遙感信息定量化研究涉及遙感器性能指標的評價，大氣參量的計算與大氣校正方法和技術、對地定位和地形校正方法和技術、計算機圖像處理與算法實現、地面輻射和幾何定標場的設置以及各種遙感應用模型和方法。遙感信息定量化，將使不同種類遙感數據信息復合技術發生質的飛躍，使復合后的信息不僅達到空間分辨率的歸一化，而且其輻射值仍保持著目標結構和成分的物理信息，這將在水文地質調查應用研究中具有重要意義。通過遙感信息的定量化，將定量反演的地物光譜與實測值相比較，可對空中遙感器性能進行校驗，如波長漂移、增益、信噪比等性能，以及對遙感數據的精度進行全面的評價。使遙感定量分析專題應用模型（土壤濕度模型等），具有高質量的定量遙感數據，作為輸入參數加以推廣和應用。

（4）遙感解譯。遙感圖像信息只有通過正確的理解和解譯才能為地下水調查提供專題信息。目視判讀一直是遙感圖像解譯、特別是從航空影像上提取各種專題信息的主要方法和技術手段。計算機輔助分類技術通常用于從衛星多光譜圖像中提取地物信息。與計算機分類相比，傳統目視判讀工作量大，效率低，難以滿足實時處理大量信息的要求。而計算機輔助分類在遙感應用中具有越來越重要的地位。目前常規計算機分類采用的仍是在統一分類模式下，識別遙感影像上所反映的各類地物，由于地表景物的復雜多樣，統一分類模式下的分類難以識別和分類出各種景物，往往也達不到實際需要的精度。因此，許多新的分類方法相繼提出，如人工神經網絡、遺傳算法、分形理論、模糊分類等。同時，還發展了一些專用的遙感圖像判讀專家系統或遙感影像理解系統。但是，這些新的圖像判讀方法多處于試驗研究階段，有待于進一步提高和完善。

2.地球物理勘查技術

地下水地球物理勘查技術在半個多世紀的發展歷程中，大致經歷了三個主要階段。20世紀50—60年代地球物理方法已被應用于地下水勘查領域，方法有直流電測深、激發極化法，勘探的目標主要為第四系松散巖類孔隙水，方法成熟簡單，目前許多地勘單位仍以其為主要勘查手段。20世紀70—80年代期間，找水工作開始面向勘查難度較大的基巖裂隙水、巖溶水，相應的物探技術方法也有了新的發展。音頻大地電場法、甚低頻法、放射性法、綜合測井等方法的應用，取得了明顯的效果，并形成有特色的系列找水技術。從20世紀90年代至今，由于地下水勘查的內容和范圍不斷擴大，研究的問題更加深入，更具有針對性，所采用的技術方法以綜合物探手段為主，包括常規手段以及先進的電磁法、高分辨率地震技術等。目前地球物理勘查技術發展現狀主要表現在以下兩點。

（1）電磁法勘查技術是地球物理勘查技術的主要手段。國外物探技術發展迅速，電法已經從直流電阻率法發展到儀器輕便、分辨率高的電磁法，包括頻率測深、音頻大地電磁測深、瞬變電磁測深、可控源大地電磁測深等高靈敏度方法。美國、俄羅斯、澳大利亞、加拿大等國先后研制了多系列的電磁法儀器。德國、法國、日本等國在非洲、南亞地區有專門從事地下水勘探的地球物理公司，應用的方法主要為電磁剖面法、甚低頻法、頻率域電磁測深法、瞬變電磁法等。另外，由俄羅斯和法國生產的核磁共振直接找水技術更是地下水地球物理勘查技術的一大進步，其實質也屬電磁法勘探范疇。它不僅能直接反映地下含水層的特點，而且還能提供如孔隙度、滲透率、導水性等水文地質參數，是地下水勘查工作最具有發展潛力的一種新技術。

我國在地下水地球勘查方面，也經歷了從直流電法到電磁法的發展過程，目前擁有相當數量的上述大型電磁法勘查設備，均為引進設備，自行研制能力較差。但在應用研究的深度、廣度方面均在世界前列，先后開展了多項專項技術研究，如《音頻大地電場儀及找水研究》《綜合物探技術尋找基巖裂隙水應用研究》《西北沙漠和黃土地區EH-4電導率成像系統勘查地下水技術研究》《西北嚴重缺水地區地下水勘查戰略研究》《中國南方巖溶石山地區地下水找水新方法、新技術研究》等都是以電磁法為主流。另外，在應用研究方面以電磁法為主開展了找水難度大、地質條件復雜、地質環境惡劣的不同類型的地下水勘查工作，如羅布泊及塔里木盆地的松散類孔隙水、西部山地基巖裂隙水、西部深埋巖溶水及西南巖溶石山地區淺層巖溶水的勘查等。

上述國內外地球物理勘查技術的發展現狀表明：信息量大、分辨率高、勘探深度大的電磁法勘查技術是地球物理勘查技術的主要手段，在地下水資源勘查中發揮著重要的作用。

（2）綜合物探勘查技術是提高勘查成果質量的重要手段。現代地下水勘查手段已由單一的物探手段向綜合手段發展，如電法、放射性、地震、遙感及“3S”技術的綜合。其涉及的學科也不再是單一的地球物理學，而是集地質學、水文地質學、計算機學、信息學等多學科為一體的綜合應用。近幾年我國利用綜合物探技術，先后在西北的塔克拉瑪干沙漠、鄂爾多斯盆地、河西走廊、準噶爾盆地、柴達木盆地等不同地質單元開展了不同類型的地下水勘查工作，取得了較好的成果。采用的綜合手段有音頻大地電磁法、核磁共振法、淺層高分辨率地震法、高密度電阻率法、瞬變電磁法、遙感、地理信息系統等。

（二）地下水取水技術

地下水取水技術方法一般包括管井（機井）、滲流井、大口井、輻射井、集水廊道和引泉引流等，目前應用較多的有管井、大口井、輻射井。

1.管井

在水井工程設計方面，國外許多專業公司都有自己的規范和手冊。如美國的Ingersoll-Rand公司、日本全國地質調查業協會等均在水井結構、套管、濾水管、防腐處理、水力及流速等設計上有著科學嚴格的要求和標準。在我國，水利部農村水利司編寫了《機井技術手冊》，1999年建設部發布了《供水管井技術規范》（GB 50296），2000年水利部發布了《機井技術規范》（SL 256），2011年《機井技術規范》（GB/T 50625）開始實行。

在井管材料方面，國外井管普遍采用不銹鋼管和塑料管，特別是塑料井管有其優良的綜合性能，逐步成為主要的井管材料，代替傳統的金屬管材等。在美國、德國等國家，70%的機井工程都采用PVC-U塑料井管。我國常用的井管有混凝土類井管（包括鋼筋混凝土井管、混凝土井管、無砂混凝土井管等）、鋼制井管（包括無縫鋼管井管、直縫鋼管井管、螺旋鋼管井管）、鑄鐵井管等。20世紀90年代以后，橋式濾水管、塑料井管開始應用，目前應用越來越廣。貼礫濾水管系將篩選的渾圓形干凈石英質礫石，采用高度防水的黏結材料，緊緊粘貼在穿孔或纏絲骨架管的外圍構成的濾水管，貼礫厚度為15～35mm，具有透水性能好、濾砂可靠、降低成井成本、節省填礫時間、使用方便等優點，目前已在許多國家大量采用，我國是在20世紀70年代末開始研制并推廣使用。

在鉆孔機械和鉆進方法方面，國外水井鉆機型號多，由淺至深已成系列化，并且鉆機結構先進，性能優良。先進的全液壓傳動系統，頂部驅動裝置等已全面采用。水井鉆機除能滿足水井鉆探外，還可滿足地質巖芯鉆探、地熱鉆探和基礎工程施工鉆探的要求。國外的鉆進設備發展較早，為了適應不同地層和提高鉆進效率，發展了多種鉆進工藝，例如正循環鉆進、空氣鉆進、反循環鉆進等。美國、德國、日本等國家主要以氣舉反循環、沖擊回轉潛孔錘等方式來實現破巖和成孔，俄羅斯95%的水文水井鉆探工作采用正循環回轉鉆進設備。多工藝空氣鉆進技術具有鉆進效率高、成本低、鉆進不用水或用水少、對含水層損害小等優點，在國外特別是工業發達國家已成為干旱缺水地區進行水文水井鉆鑿最有效、應用最廣泛的鉆進手段。我國以泵吸反循環、正循環泥漿鉆進、沖擊鉆進為主，先后又發展了氣舉鉆探、泡沫鉆進、潛孔錘反循環等鉆進新工藝，先后研制了SJDC-300型多功能空氣鉆機、系列雙壁鉆桿、潛孔錘取芯和擴孔鉆具、潛孔錘跟管鉆具、貫通式潛孔錘等機具。研制成功了泡沫劑、空氣鉆進固化用化學漿液等一批空氣鉆進材料。

在成井工藝方面，國外對包括下管、填礫、止水、洗井、水井滅菌等成井工藝進行了深入研究。國外還開展了對含水層激發或刺激技術的研究，除對傳統的酸處理技術、炸藥爆破技術等進行研究外，已成功地將石油工業中的水力壓裂技術應用于增加水井出水量中。含水層的激發、刺激技術，國內現有的方法有酸處理法、真空作業法和井內爆破法。但這些技術均不夠完善，處理效果也不穩定。陜西省地質調查院進行了高能氣體壓裂技術（爆破）的試驗研究，取得了較理想的效果。中國地質調查局先后研發了水井水力壓裂技術及相關設備并在基巖山區地下水開發利用中得到成功應用。

此外，分層止水、分層采樣技術是開展地下水監測、地下水化學和水動力學研究的有效手段，在國外已被廣泛研究和應用。采樣工具和采樣方法多種多樣，如可應用于松散淺層地下水分層采樣的打入錐面法和水文穿孔器法，適用于各種泥漿鉆進的快速采樣法和地下水分層采樣法等。國內的供水井以混合水井為主，所采水樣幾乎全為混合水樣。隨著對地下水污染的重視，為滿足地下水污染監測的需要，分層采樣技術研究已開始起步。

2.輻射井

輻射井是由大直徑的集水井和自集水井內的任一高程沿水平方向向含水層打進具有一定長度的多層、數根至數十根水平輻射管組成。因水平輻射管分布成輻射狀，故稱為輻射井。

輻射井產生于20世紀30年代，美國人里奧蘭尼（Lea Ranney）為開發地層淺部的地下石油而發明，在搜集殘余石油受到限制后，利用該原理集取地下水。1934年遇到倫敦嚴重缺水，Ranney說服城市供水局建造這種新井。以后在歐洲逐漸開始應用。

日本清水鉆井公司，于1938年在我國大連建造了一眼輻射井，其是打在砂礫石含水層中，豎井用沖抓錐沉井法成井，直徑6m左右。輻射管是用直徑為25～1000mm的無縫鋼管，每根濾水管長1.375m，開孔率約為11.45%。水平輻射管敷設采用頂進加高頻振沖推進，每眼井在井下部厚1m含水層范圍內，分多層交錯布置約60根水平管，每根水平管的長度10～20m，單井出水量400～1000m³/h。

我國的輻射井研究與應用起步較晚，20世紀60年代以前僅在鐵路、城建方面有所嘗試，主要用于在河流階地的粗顆粒含水層中取水。1969年10月，陜西省在黃土塬區試驗施工輻射井，1971年完成。1979年，河北省采用類似于陜西黃土塬區打輻射井的辦法，在沖積濱海平原黏土和亞黏土的含水層中打輻射井，取得了一定的經驗，但仍沒有解決在粉細砂層、細砂層含水層中輻射井成井的技術問題。1981年河北省在東光縣采用歐美輻射井水平管的施工辦法，在粉細層中施工水平管，但未獲得成功。

進入20世紀80年代，中國水利水電科學研究院開始針對輻射井技術進行系統研究，并重點研究了以粉土、亞黏土、粉砂、粉細砂為主的松散弱透水性含水層的成井工藝。通過多年努力，輻射井技術已在農田灌溉排水、城鎮和工礦企業供水、工民建基坑降水、尾礦壩和灰壩降低壩體浸潤線、防治地質災害等方面得到廣泛應用。