安徽淮北平原节水灌溉机井井水泥砂控制技术研究

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(1．安徽省阜阳市颍泉区水务局，安徽 阜阳 236002；2．安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 区域概况

1.1 机井灌溉概况

安徽淮北平原位于淮河流域中下游，浅层地下水主要含水层组岩性为粉细砂、粉砂、亚砂土层。据在不同水文地质分区布设勘探孔采集含水层原状岩芯颗粒级配分析资料，粒径φ<0.075 mm粉粒重量占15%～45%，φ=0.075～0.15 mm粉砂重量占30%～45%。 80～90年代以来，多龙治水，该区域已打农灌机井20多万眼，但由于缺乏适合本区水文地质条件的机井技术标准，尤其缺乏机井井水泥砂控制技术标准，为追求单井出水量，使用无砂混凝土井管，滤料普通采用碎石子(D50=6～8 mm)或瓜子片，少数采用“米石”(D50=3～5 mm)，洗井或开采时井水非常浑浊，泥砂含量高达6/1 000～12/1 000，井筒附近粉细砂、粉砂、亚砂土等含水层被淘空，导致淤井、塌井、泵毁、井房倾倒等事故频发。淮北平原近些年来农灌机井完好率低于50%，部分农灌机井几乎是前面打后面毁，平均使用“寿命”不到3～5 a。

1.2 地下水主要含水层分区

安徽淮北平原浅层地下水主要含水层组埋藏深度0～50 m。按含水层组岩性、厚度与单井涌水量、单位涌水量大小可划分为富水区、中等富水区、弱富水区及贫水区，见表1。富水区和中等富水区分布于古河道地带，呈条带状、透镜体状分布，面积约1.3万 km2，占淮北平原总面积的35.6%，弱富水～贫水区分布面积2.3万 km2，占总面积的64.4%。

2 高效节水灌溉工程发展及井水泥沙含量控制技术研究目的

随着“农田水利工程高效农业保障区”“特色农业种植区”节水井灌工程建设的蓬勃发展，高效节水井灌工程正在大力推广。现状机井井水泥砂含量高，滴灌、微喷或固定半固定式喷灌工程系统的管网、喷头等易被堵塞，对果蔬等有机农产品产生污染。因此人们对机井井水泥砂含量指标提出了较高的技术要求。《机井技术规范》SL256-2000，提出井水泥砂含量指标δ≤1/20 000，仅适用于中细砂含水层 。本区域浅层地下水含水层组岩性主要为粉细砂、粉砂、亚砂土层，应研究制订适合于本区节水灌溉机井井水泥砂含量指标，以满足本区节水井灌工程的设计、施工、管理部门对井水泥砂含量控制技术及其指标的需求。为此，对井水泥砂含量调控技术及其经济合理的泥砂含量指标，进行了实验研究，取得了初步技术成果。

表1 淮北平原浅层地下水富水性分区标准

3 研究的内容与方法

3.1 研究的主要内容

(1)井深、井径～δ关系研究(δ=泥砂体积/所含泥砂净水体积的百分比)

(2)钻孔直径(Dn)、填滤厚度～δ关系研究

(3)滤料类型～δ关系研究

(4)洗井历时(h)～δ关系研究

(5)洗井流量(Q)大小～δ关系研究

3.2 研究的方法

在阜阳市项目区选择代表性的五个镇(办)12个行政村3类水文地质单元，布设水文地质勘探孔10眼，采集含水层原状岩芯样品进行颗粒级配分析，结合前人研究的相关资料成果，划分水文地质单元。按水文地质单元分区，先后布设35眼实验机井，分组对不同井深、井径、钻孔直径、滤料类型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及混合型)、填滤厚度及不同洗井流量与洗井历时，进行平行、正交组合实验。通过各种组合试验，拟定在定流量持续抽水24﹑48﹑60﹑72﹑90﹑120 h节点，及时采集水样测定井水泥砂含量。滤料类型选择由Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ、Ⅳ型→混合型，填滤厚度由150→200→250→300 mm，逐步深入研究。

本项目研究以地下水稳定流理论方法为依据，现场进行抽水试验，采用单(主)井2个降深、定流量抽水试验与二阶梯流量抽水试验方法相结合。对抽水试验成果和机井井水泥砂含量及时予以分析评价。

项目平行﹑正交实验总体布置及实验参数如表2。

表2 各水文地质单元实验机井布置与实验参数简表

现场实验共完成抽水试验49组，测定S1～Q1，S2～Q2及动、静(止)水位埋深等数据119组。绘制Q～S、S～Dn～Q等曲线；取样测定井水泥砂含量47组；完成实验机井滤料颗粒级配分析成果16组，10眼勘探孔含水层原状岩芯取样及其颗粒级配分析成果15组。

4 主要研究成果

4.1 井深、井径～δ关系研究成果

在一定的水文地质条件下，当Q开值不变，若开采井含水层沿垂向均匀分布，机井打得越深，利用的含水层越厚，安装的过滤管越长，同时井径越大，则开采渗流场内地下水流向井的渗流速度越小，由(1)式表达：

Q开=πDnLV渗

(1)

(1)式中：Dn为机井钻孔直径(m)；L为过滤管长度=含水层厚度(m)；V渗为井筒外侧含水层与滤料界面渗流速度(m/s)。

显然，当Q开值不变时，DnL乘积越大，V渗越小。当V渗≤V允时(V允为松散含水层允许的层流渗流速度)，井水中的泥砂含量自然降到某一稳定的较小值。

若Q开超过开采含水层(或过滤层)稳定的给水能力，或机井过浅，或井径过小，则抽出的井水浑浊，泥砂含量超标。

在伍明镇彭庄村第一组合实验中，同样井径包括钻孔直径相同，滤料相同(为Ⅰ型滤料)，经过相等流量的洗井与抽水试验，井水浑浊度与泥砂含量随井深30→35 m→40→45 m递减，井深40、45 m井水抽洗50 h基本变清，而井深30、35 m抽洗50 h尚未洗清。

考虑到一定区域水文地质条件和节水井灌工程成本的制约，机井设计深度受到限制，淮北平原中南部宜井深度：富水区、中等富水区35～40 m，弱富水～贫水区40～45 m；西北部宜井深度，不同富水性分区宜井深度比中南部对应各增加10 m左右。

4.2 填滤厚度～δ关系研究成果

通过实验研究，在相同水文地质条件及机井其他参数相同时，填滤厚度越大，井水泥砂含量越低。在弱富水～中等富水区，机井填入Ⅱ型滤料厚度150 mm与200 mm相比，洗井历时45～50 h，其井水泥砂含量，前者是后者的3～4倍；而填滤厚度200 mm与250 mm相比，其井水泥砂含量前者是后者的2～3倍。

在弱富水区布设节水灌溉机井时，填滤厚度要比中等富水区大一些，中等富水区填滤厚度以200～250 mm为宜，弱富水区填滤厚度250～300 mm最佳，贫水区要用节水井灌解决问题，机井的填滤厚度应不小于300 mm。

4.3 滤料类型～δ关系研究成果

通过各个水文地质分区分组组合实验得知，在同一富水性小区及井深、井径、钻孔直径相同等条件下，滤料类型由O→Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ型，即由粗→细，颗粒级配愈合理，井水泥砂含量及浑浊度由高变低，井水愈趋近于水清砂尽。

综合上述实验成果：在中等富水区，选择Ⅱ型滤料为宜，弱富水区选择Ⅲ型滤料最佳；在贫水区含水层主要岩性为粉砂、亚砂土，应选用Ⅳ型或亚Ⅲ型滤料(D50=1.40～1.45 mm，D60=1.70～1.80 mm，D10=0.25～0.30 mm)。Ⅲ型、亚Ⅲ型滤料可用Ⅱ型与Ⅳ型滤料，按一定比例混合而成。

4.4 抽水流量大小与井水泥砂含量关系研究成果

在同一实验井中，洗井或开采流量越大，δ随之增大，其增大幅度与机井出水能力、洗井历时有关。机井出水能力大(即在富水～中等富水区)，洗井历时较长，Q增大，对应δ增长幅度较小；在贫～弱富水区，机井出水能力小，洗井历时较短，Q增大，对应δ增长幅度较大。依据地下水动力学原理，地下水流向集水井的运动，当Q开较大时，集水井内外侧产生较大水跃值(即存在较大水头差)，井筒外侧渗流流态由层流→混合流→紊流状态，水流流速大大超出V允，故在紊流状态的水流动能作用下，挟带大量泥砂，进入井内。长期Q开>Q允超采，井筒外侧含水层被淘空，将导致淤井、塌井的事故发生。

现讨论：在管井结构设计合理(考虑足够长度过滤管，确保井筒侧向进水面积，使孔隙中流速V≤V允)，正确施工以及充分洗好井的条件下，只有开采流量Q开≤Q允，才能控制井水泥砂含量在一个合理值区间变动。现来探讨Q允值在不同的富水性分区究竟是多大。

(2)

(2)式中Dn为钻孔直径，M为含水层厚度，n为含水层有效孔隙率，i=1,2……，N为不同含水层数，Vi允为井筒外侧含水层孔隙中允许的水流速度(m/d)，若超过此速度，含水层中细小颗粒将被携带至井中而危及机井寿命。

上式中Vi允=56.67Ki0.411Ki为含水层渗透系数(m/d)。

现针对颍泉区中等富水区的伍明店集村杨庄、周棚办的刘堂村和其他镇村贫水区～弱富水区，分析提出不同含水层岩性相关参数指标如表3。按表3参数由(2)计算给出Q允值，

当井深40～45 m，钻孔直径1 000～1 200 mm，抽水试验降深10 m ，通过计算，实验各区Q允值：中等富水区30～40 m3/h；弱富水区20～30 m3/h，贫水区10～20 m3/h。这就是节水灌溉机井允许的开采流量。控制好Q开≤Q允，就基本控制了井水泥砂含量在一个合理的小区间变动。

表3 实验区与含水层岩性相关的稳定渗流流量参数指标

4.5 洗井历时(h)～δ的关系研究成果

通过相关的实验研究，在其他条件相同的情况下，井水的泥砂含量(δ)随洗井历时的增长而降低，一般持续洗井30 h与50 h相比，泥砂含量降低25%～35%。降低的绝对值随洗井历时的延长而逐渐衰减。贫水～弱富水区要比中等富水区～富水区洗井时间要长10～15 h。但δ值也不是随洗井历时延长而无止境地降低，贫水区，使用Ⅱ型滤料连续洗井120 h，测得δ=3.2/10 000，弱富水区，混合滤料连续洗井80 h，测得δ=2.6/10 000，贫～弱富水区，使用Ⅲ型滤料，连续洗井124 h，测得δ=1.6/10 000。

通过多组合洗井历时实验，在合理选用滤料类型和填滤厚度条件下，中等富水～富水区，洗井流量Q=35～40 m3/h，持续洗井历时一般为35～45 h，贫水～弱富水区，洗井Q=20～30 m3/h，持续洗井历时一般为45～55 h。

5 结语

综合考虑各种因子，淮北平原节水灌溉机井，宜采用标准的无砂砼井管，井径400～500 mm；井深：富水区～中等富水区，以35～45 m为宜，弱富水区～贫水区45～55 m。在富水区，应选用Ⅰ型滤料，钻孔直径900～1 000 mm，填滤厚度150～200 mm；中等富水区，应选用Ⅱ型滤料，钻孔直径1 000～1 100 mm，填滤厚度200～250 mm；弱富水区，应选用Ⅲ型滤料，钻孔直径1 100～1 200 mm；填滤厚度250～300 mm；贫水区钻孔直径应不小于1 200 mm，应选用亚Ⅲ～Ⅳ型滤料，填滤厚度应不小于300 mm。

富水区含水层主要岩性以中粗、中细砂层为主，δ≤1/20 000；中等富水区含水层岩性以细砂粉细砂为主，δ=0.8/10 000～2/10 000；弱富水区含水层以细粉砂及粉砂为主，δ=2/10 000～4/10 000；贫水区含水层以粉砂、亚砂土为主，δ=4/10 000～1/1 000(泥砂含量以体积百分比计)。

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