第7章 地下水取水工程
7.1 地表水取水工程概述 7.1.1地下水水源地的选择
水源地的选择，对于大中型集中供水，关键是确定取水地段的位置与范围；对于小型分散供水而言，则是确定水井的井位。它不仅关系到水源地建设的投资，而且关系到是否能保证水源地长期经济、安全地运转和避免产生各种不良环境地质作用。水源地选择是在地下水勘察基础上，由有关部门批准后确定的。 7.1.1.1集中式供水水源地的选择
进行水源地选择，首先考虑的是能否满足需水量的要求，其次是它的地质环境与利用条件。 1．水源地的水文地质条件 取水地段含水层的富水性与补给条件，是地下水水源地的首选条件。因此，应尽可能选择在含水层层数多、厚度大、渗透性强、分布广的地段上取水。如选择冲洪积扇中、上游的砂砾石带和轴部、河流的冲积阶地和高漫滩、冲积平原的古河床、厚度较大的层状与似层状裂隙和岩溶含水层、规模较大的断裂及其他脉状基岩含水带。
在此基础上，应进一步考虑其补给条件。取水地段应有较好的汇水条件，应是可以最大限度拦截区域地下径流的地段；或接近补给水源和地下水的排泄区；应是能充分夺取各种补给量的地段。例如在松散岩层分布区，水源地尽量靠近与地下水有密切联系的河流岸边；在基岩地区，应选择在集水条件最好的背斜倾没端、浅埋向斜的核部、区域性阻水界面迎水一侧；在岩溶地区，最好选择在区域地下径流的主要径流带的下游，或靠近排泄区附近。
2．水源地的地质环境 在选择水源地时，要从区域水资源综合平衡观点出发，尽量避免出现新旧水源地之间、工业和农业用水之间、供水与矿山排水之间的矛盾。也就是说，新建水源地应远离原有的取水或排水点，减少互相干扰。
为保证地下水的水质，水源地应远离污染源，选择在远离城市或工矿排污区的上游；应远离已污染（或天然水质不良）的地表水体或含水层的地段；避开易于使水井淤塞、涌砂或水质长期混浊的流砂层或岩溶充填带；在滨海地区，应考虑海水入侵对水质的不良影响；为减少垂向污水渗入的可能性，最好选择在含水层上部有稳定隔水层分布的地段。此外，水源地应选在不易引起地面沉降、塌陷、地裂等有害工程地质作用地段上。
3．水源地的经济性、安全性和扩建前景 在满足水量、水质要求的前提下，为节省建设投资，水源地应靠近供水区，少占耕地；为降低取水成本，应选择在地下水浅埋或自流地段；河谷水源地要考虑水井的淹没问题；人工开挖的大口径取水工程，则要考虑井壁的稳固性。当有多个水源地方案可供比较时，未来扩大开采的前景条件，也常常是必须考虑的因素之一。 7.1.1.2小型分散式水源地的选择
以上集中式供水水源地的选择原则，对于基岩山区裂隙水小型水源地的选择，也基本上是适合的。但在基岩山区，由于地下水分布极不普遍和均匀，水井的布置将主要决定于强含水裂隙带的分布位置。此外，布井地段的地下水位埋深，上游有无较大的补给面积，地下水的汇水条件及夺取开采补给量的条件也是确定基岩山区水井位置时必须考虑的条件。 7.1.2地下水的形式及取水构筑物的分类 7.1.2.1地下水的形式
地下水存在于土层和岩层中。各种土层和岩层有不同的透水性。卵石层、砂层和石灰岩等，组织松散，具有众多的相互连通的孔隙，透水性较好，水在其中的流动属渗透过程，故这些岩层叫透水层。粘土和花岗岩等紧密岩层，透水性极差甚至不透水，叫不透水层。如果透水层下面有一层不透水层，则在这一透水层中就会积聚地下水，故透水层又叫含水层。不透水层则称隔水层。地层构造往往就是由透水层和不透水层彼此相间构成，它们的厚度和分布范围各地不同。埋藏在地面下第一个隔水层上的地下水叫潜水。潜水有一个自由水面。潜
水主要靠雨水和河流等地表水下渗而补给。多雨季节，潜水面上升，干旱季节，潜水面下降。我国西北地区气候干旱，潜水埋藏较深，约达50～80m；南方潜水埋深较浅，一般在3～5m以内。
地表水和潜水相互补给。地表水位高于潜水面时，地表水补给地下潜水，相反则潜水补给地表水。
两个下透水层间的水叫层间水。在同一地区，可同时存在几个层间水或含水层。如层间水存在自由水面，称无压含水层；如层间水有压力，称承压含水层。打井时，若承压含水层中的水喷出地面，叫自流水。在适当地形下，在某一出口处涌出的地下水叫泉水。泉水分自流泉和潜水泉，前者由承压地下水补给。这种泉水涌水量稳定，水质好。
地下水在松散岩层中流动称地下径流。地下水的补给范围叫补给区。抽取井水时，补给区内的地下水都向水井方向流动。地下水流动需具备两个条件：岩层透水性和水位差。前者以渗透系数表达，后者以水力坡度表达。地下水流速决定于地层渗透系数和水力坡度，达西定律即表达了这种关系。当地下水流向正在抽水的水井时，其流态也可分为稳定流和非稳定流、平面流和空间流、层流与紊流或混合流等几种情况。 7.1.2.2地下水取水构筑物的分类
由于地下水类型、埋藏深度、含水层性质等各不相同，开采和取集地下水的方法和取水构筑物型式也各不相同。取水构筑物有管井、大口井、辐射井、复合井及渗渠等，其中以管井和大口井最力常见。大口井广泛应用于取集浅层地下水，地下水埋深通常小于12m，含水层厚度在5～20m之内。管井用于开采深层地下水。管井深度一般在200m以内，但最大深度也可达1000m以上。渗渠可用于取集含水层厚度在4~6m、地下水埋深小于2m的浅层地下水，也可取集河床地下水或地表渗透水。渗渠在我国东北和西北地区应用较多。辐射井是由集水井和若干水平铺设的辐射形集水管组成。辐射井一般用于取集含水层厚度较薄而不能采用大口井的地下水。含水层厚度薄、埋深大、不能用渗渠开采的，也可采用辐射井取集地下水，故辐射井适应性较强，但施工较困难。复合井是大口井与管井的组合，上部为大口井，下部为管井。复合井适用于地下水位较高、厚度较大的含水层。有时在已建大口井中再打入管井成为复合井以增加井的出水量和改善水质。
在规模较大的地下水取水工程中，常由很多取水井（管井或大口井）组成一个井群系统。按取水方法和集水方式，井群系统可分自流井井群、虹吸式井群、卧式泵取水井群、深井泵取水井群。自流井井群是当承压含水层的静水位高出地表时，可以用管道将水直接汇集至清水池、加压泵站或直接送入给水管网。虹吸式井群是由虹吸管将各水井水汇入集水井，再由泵输送入清水池或管网。当地下水位较高，井的最低动水位距地面不深时（6~8m），可采用卧式泵取水。当井距不大时，可不用集水井，直接用吸水管或总连接管与各井相联吸水，这种井群系统称为卧式泵取水井群。当井的动水位低于地面10~12m时，一般不能用虹吸管或卧式泵取水，需要用深井泵（包括深井潜水泵）取水，这种井群系统称为深井泵取水井群。 7.1.3地下水井群的合理布置
1．井群的平面布置 水井的平面布置视开采量的组成，地下水的径流条件及含水层的均匀程度而定，在径流条件良好的地区，地下水的开采量以径流量为主要组成，水井布局以充分拦截地下径流为主，并视主径流带过水断面的宽窄和地下径流的多寡，垂直其径流方向布置一至数个井排。若水源地靠近补给边界，应沿边界走向垂直地下水的补给方向布置井群。在地下径流带滞缓的平原区，其开采量以含水层的调节资源或垂向入渗补给为主，故宜用网络状或梅花形、圆形的布置形式。在导水性、贮水性极不均匀的基岩含水层中，水井的平面布局主要受控于含水层富水带的分布，不应拘泥于规则的布置形式。
2．井群的垂向布置 水井的垂向布局是对平面布局的一种补充，目的是为了更有效的开发地下水资源。对于厚度小于30m的疏松含水层和大多数基岩含水层，一般用完整井取水
最合理，不存在垂向布局问题。对于巨厚的多层含水层而言，若采用水井立体布局的分层取水方式，不仅有利于充分开采地下水资源，并在目前上层含水层普遍因污染水质恶化的情况下，可保护下层含水层的优质地下水免受污染，又有利于实行分层供水、量质而用。对于厚度很大的单层含水层，由于水井抽水对含水层的影响深度有限，过滤器的有效长度一般仅30m，因此当岩石颗粒较粗（中砂以上），透水性强、补给条件好时，可谨慎地采用非完整井组的分段取水方式，井组一般由2~3口井组成，呈直线或三角形布置，井间水平距离5~10m，相邻过滤器垂向间距一般为10~20m，可视岩石颗粒粗细而定。对于补给条件较差的水源地，采用分段取水需谨慎，否则会加大含水层的水位降落值，加剧区域地下水位的下降速度，引发环境地质问题。
3．井群的井数和井距 水井（或井组）的数量与井距，应满足需水量要求的前提下，本着技术、经济、安全三原则来确定。井数主要取决于允许开采量（或设计总需水量）、井间距和单井出水量的大小。井间距取决于井间干扰程度，一般要求井间水量减少系数不超过20~25%。 集中式和供水水井的数量和井间距的确定，一般首先根据水源地的水文地质条件、井群的平面布局形式、需水量大小及允许水位降落值等已给定条件，拟定数个不同开采方案；然后选用适宜的公式，计算每一个布局方案的水井总出水量及其水位降落值。最后通过技术经济比较，选取出水量和水位降落值均满足设计要求，井数少、井间干扰强度符合要求，建设投资和开采成本最低的方案。 7.2 管井
管井又称机井，指用凿井机械开凿至含水层中，用井管保护井壁，垂直地面的直井。管井能用于各种岩性、埋深、含水层厚度和多层次含水层，管井是地下水取水构筑物中应用最为广泛的一种形式。管井按揭露含水层的类型划分，有潜水井和承压井；按揭露含水层的程度划分，有完整井和非完整井（如图7－1）。管井直径一般为50~1000mm，井深可达1000m以上。管井常用直径大多小于500mm，井深不超过200m。 含含 水水 层层 不透水层 不透水层 （a） （b） 图7－1 管井 （a）完整井 ；（b）非完整井 7.2.1管井的构造与施工 7.2.1.1管井的构造
常见的管井构造由井室、井壁管、过滤器及沉淀管所组成（如图7－2（a））。当有几个含水层、且各层水头相差不大时，可用如图7－2（b）所示的多层过滤器管井。当抽取结构稳定的岩溶裂隙水时，管井也可不装井管和过滤器，仅在上部覆盖层和基岩风化带设护口井管。此外在有坚硬覆盖层的砂质承压含水层中，也可采用无过滤器管井。