辐射井技术在滨州市黄河滩地地下淡水资源开发中的应用

张利红，魏俊芳，董 睿

（1.滨州市水文水资源勘测局，山东 滨州 256609；2.滨州市海河管理局，山东 滨州 256609）

山东省滨州市位于黄河三角洲腹地，地处退海之地，地下水受海水影响显著，除局部存在少量的地下淡水外，绝大部分地下水体是富含盐碱的苦咸水，不具备饮用水功能，是山东省地下淡水资源最紧缺的地区之一。多年来，滨州市工农业生产和居民日常生活用水主要依靠黄河客水，虽有徒骇河、马颊河、德惠新河、沙河、潮河、小清河等多条河流，但河道以排涝、排碱、排污为主，地表水污染严重，常年为Ⅴ类水质，失去饮用水功能。在黄河不断流、准许引水的情况下，滨州市的供水是有一定保障的，但如果遇到特殊干旱年份或黄河突发污染事故时，滨州市的饮用水安全将会受到较大的威胁，而且上世纪90年代以来，黄河流域因上中游引水量激增，黄河来水量日益减少，已经成为阻碍滨州市经济社会快速发展和居民生活水平提高的重要因素。因此，进行黄河滩地地下淡水资源的开发利用，用于滨州市城区及附近村庄居民的生活用水，对减少当地调蓄水量的消耗、降低地下水开采量、缓解滨州市水资源供需矛盾具有重要的经济和现实意义，必将带来较大经济和社会效益。

黄河河床及其滩地下面埋藏的淡水资源常年接受黄河水的补给，是一个稳定的地下水库，是较好的饮用水源。在黄河滩地开采利用地下水，有利于地表水的补给，同时避开了水质污染，能够提高饮用水供给的保障能力。但是，开发利用地下水资源必须选择正确的取水构筑物，才能发挥出好的效益。以下就滨州市沿黄河滩地及河床浅层地下淡水资源开发利用的取水方式和产水量分别加以分析计算。

1 取水工艺

1.1 取水方式的选择

傍河取水属于浅层取水，除管井之外，还有渗渠、截流和辐射井等方式。在黄河下游的滩地上，由于特殊的水文地质条件，用管井等传统的取水方式开发浅层淡水资源是不适宜的，因为这里含水砂层颗粒细，最粗的是细砂；淡水体埋深浅，下部又有咸水，最深处为40～50 m。用管井取水受到深度和管径的限制，水量不会太大，达不到供水的目的和要求。以往施工的管井有许多在成井过程中不是水量少就是涌砂严重而报废。少数成功的水源井，由于其深度已经接近下部咸水层，抽水时间加长后，也会出现水质变咸的现象。

在黄河滩地上由于地下水水力坡度很小，进行潜水截流不但投资大，而且效益很低，所以不能采用。

在河床及滩地上修筑渗渠，需要开挖的土方量非常大，水下开挖土方难度也很大，深度也只有3～5m，而且必须在黄河断流期间进行，铺设大口径垫筋包网式的滤水管，管外填充数量很大的砾料。黄河来水时容易把砾料冲走，造成渗渠报废。1992年6—7月，胜利油田在垦利县路家庄修筑的渗渠就出现了上述情况。修筑渗渠费时费工，造价昂贵，容易失败，所以不能采用。

辐射井是由大口径混凝土竖井管和坚井内含水层位置处水平方向布设的多根辐射管组成，由于水平管呈辐射状分布，故称辐射井。辐射井具有单井出水量大、使用寿命长、管理维修方便、占地少、成本低、适用地层广等特点。在黄河滩地利用辐射井进行傍河取水，可以完全克服管井、截流及渗渠的各项缺点。在淡水体埋深范围之内，辐射井集水井的深度可以任意选择，以便避开下部咸水的影响。水平辐射管设在河床及滩地下面，能够最大限度地提取最佳部位的淡水资源，还能够最快地得到黄河水的补给。水平辐射管的长度可以尽最大努力延长，增加进水面积，提高产水量，辐射井比同深度的管井水量可以大几倍、几十倍。所以，在黄河滩地利用辐射井傍河取水比其他取水构筑物具有明显的优势，在技术上可行，经济上也比较合算。

1.2 辐射井位置选择原则

进行傍河取水，辐射井位置的选定十分重要。如果井位选择不好，会直接造成水量小，满足不了需水要求，同时还会出现水质变咸，使供水水质达不到水质标准，情况严重者还会使辐射井无效而报废。因此，位置布设应根据水源地水文地质条件分析，遵循以下原则布设：

（1）辐射井要布设在导水性富水性最好的地段，保证辐射井的最大涌水量。

（2）尽量靠近河床布井，水平辐射管深入河床及滩地下面的含水层中，这样不仅能最大限度地汲取河床渗透水和滩地地下水，最快地接收到黄河水的激发补给，还使辐射井处在距离两边大堤以外咸水边界最远的位置上。辐射井形成最大降落漏斗时，下部及外部的咸水一般不会进入到辐射井中使水质变咸。

1.3 井深井距设计

根据水文地质条件，研究范围内地面12～16 m以下为粉细砂含水层，以上为粉土、粉质粘土层。井的深度越深，含水层透水性越好，水量越大。但是，根据物探测定，研究范围地面以下50 m左右为咸淡水分界面，以上为淡水，以下为暂时不能利用的咸水。开采上部淡水，如果不慎很容易使下部咸水入侵，使井内水质变坏，水源井报废。另外，目前辐射井的技术水平还不能在很深的集水井中施工水平辐射管，若在水头压力过大的集水井内施工则容易发生井喷。考虑上述问题，设计井深不宜超过35 m，水平辐射管层次和根数以砂层厚度为原则，水平辐射管长度以技术能力为原则，力求越长越好。辐射井旁可设1～3 眼渗水井，井深 30～40 m，井径 800～1 000 mm，主要用于打穿含水层上部的粘土层，使地面水顺利渗入含水层中补充地下水。

2 辐射井产水量分析

2.1 辐射井涌水量计算方法

辐射井出水量和其周围水位变化的计算是十分复杂的，国内外的学者对辐射井出水量的研究做了大量的工作，并取得了一定的成果。从现有的资料看，关于辐射井涌水量的计算公式有20多个，大致分为两类，一是经验公式，二是半理论半经验公式。目前，国内多数采用等效大口径法进行计算，这种公式简单方便，虽然有一定的误差，但作为黄河滩地进行地下水开发利用辐射井涌水量的初步估算是可以的。计算公式分别如下：

（1）潜水完整井出水量的计算公式为：

式中：Q为辐射井出水量 （m3/d）；K为渗透系数（m/d）；S0为水位降深（m）；H 为含水层厚度（m）；R 为辐射井影响半径 （m），按经验公式计算，取R＝10S0+L；rf为等效大口井半径（m），当水平辐射管等长度时取rf=0.251/nL，当水平辐射管不等长度时取rf=2ΣL/3n；n为水平辐射管根数；L为单根水平辐射管长度（m）。

（2）承压井出水量的计算公式为：

式中：M为承压含水层厚度 （m）；其余符号意义同上。

（3）潜水非完整井出水量的计算公式为：

式中：m为水平辐射管距不透水顶部的距离（m）；其余符号意义同上。

2.2 辐射井产水量分析

根据1999年胜利油田已建成的两口辐射井的抽水实验资料结果可知，一口井在降深17m时，出水量为 154 m3/h（3 696 m3/d），单位出水量 9.06 m3/（h·m）；一口井在降深27 m时，出水量为268.9 m3/h（6 453 m3/d），单位出水量 9.96 m3/（h·m）。两眼辐射井如果控制降深在28 m左右，则出水量均超过6 000 m3/d。这一数字远远大于用其他井型同深度井所得到的最大水量。

由此可见，根据黄河滩区含水层分布布设一定数目的辐射井，产水量达到供水要求和实现集中向城区供水是完全可能的。

3 黄河滩地地下水开发利用方式可行性及效益分析

由于黄河滩地含水层埋深浅、颗粒细、厚度薄、富水性弱，所以不宜采用传统的取水方法。因为辐射井具有单井出水量大、使用寿命长、管理维修方便、占地少、成本低、适用地层广等特点，特别是辐射井是靠由水平方向埋设的水平辐射管取水，在黄河下游滩地和周围都是咸水的地区，只有辐射井既能很好地控制井深，防止咸水入侵，又能有效地开采地下水，所以辐射井是黄河下游滩地浅层地下水开发利用的理想井型。利用辐射井技术开发黄河滩地浅层地下淡水资源是可行的有效方法，是值得推广的。

用黄河水作为供水水源，要修筑平原水库，将黄河水通过渠道引入水库内进行沉淀、净化和消毒后供给用户，其投资数量很大，而利用辐射井傍河取水工程取水（包括水文地质勘察、辐射井工程建设、地面供水及消毒设施的配套）总投资不到水库供水投资额的1/4。由此可见，黄河滩地辐射井傍河取水的经济效益是十分可观的，而且这样取水使地下水通过地层自然过滤后其水质比地表净化水要好得多。

4 建议

进一步提高辐射井的施工工艺，加强辐射井的运行管理。加强水平辐射管打进长度和口径加大的研究，并进一步研究水井布局、打井深度及运行措施的合理性。开采过程中，辐射井的运行要使地下水形成与河流方向平行的长条形漏斗，才能促使河水激发补给量加大，保证辐射井运行处于良性状态中。