第二章 贫水区找水与取水工程技术
第一节 概述
一、研究背景及意义
农村饮用水源包括地表水和地下水两部分。我国地表水资源开发利用程度相对较高，但开发潜力有限，水质得不到可靠保障。相对而言，地下水分布广，水量水质相对稳定，但受勘查与开发利用技术方法等因素制约。特别在高氟、高砷、高矿化度等劣质地下水地区和基岩山区可利用淡水开发程度低，居民饮水困难。因此，开展地下水资源勘查与开发利用技术方法研究是解决我国缺水问题的迫切需要。主要体现在以下四个方面：
（1）我国西北内陆盆地部分地区以及滨海地区为咸淡水共存地区，居住在这些地区的农民长期饮用高矿化度苦咸水或高氟、高砷水，导致了严重的地方病。在这类地区，地下淡水与高矿化水或氟、砷等对人体有害元素含量较高的劣质水在空间上具有叠置分布特征，需要准确分辨出可饮用地下水与劣质地下水的空间分布特征，实现在打井之前预测地下水矿化度的目的。以往在评价地下水矿化度时，是通过采取地下水的样品进行分析化验，确定含水岩组中水的矿化度。或者是利用常规电法测定电阻率值，仅靠经验，粗略定性评价，未充分考虑各种地质信息，精度不高，造成成井率不高，资金浪费。另外，由于高矿化度、高氟、高砷等地下水含有腐蚀性物质，对成井管材具有较大的损害，开采孔井管被腐蚀造成其使用寿命短。因此，研究咸淡水地区寻找淡水体的勘查技术，开发适合于该类地层的新型环保型成井新材料，是提高勘查精度、解决当地农村饮水困难的关键途径之一，也是缓解居住在劣质水区居民饮水困难的需要。
（2）基岩山区以基岩裂隙水为主，严格受地质构造的控制，加之山区地形地貌、地质构造的复杂性，地下水勘查难度较大。针对山区地下水勘查特点，整合遥感、水文地质调查、综合物探技术等大量信息，将新技术、新方法与常规有效技术方法有机结合，形成准确、高效的山区地下水勘查技术模式，是提高山区成井率和工作效率的需要。
（3）我国许多地区，淡水分布在30～50m以内，含水层较薄，有些地区是多层分布，含水层为弱透水性地层，富水性较差，如华北平原、宁夏、内蒙古等地区。在此类地区利用普通井型，按照常规的施工工艺，特别是无砂混凝土管井，由于洗井限制，井孔壁渗透性降低，出水量较小，且容易淤堵，井使用寿命短。为了增大单井出水量、延长井使用寿命，急需对常规井型进行改进，开发适用于该类含水层的新井型和新型成井材料。
（4）我国北方地区，河流多为季节性河流，常有断流现象，而河滩地常为稳定的地下水库，傍河取水可以取得较为稳定的水量；在南方地区，河流常年有水，但河水多少受到污染，而地下水通过地层渗滤，水质好于地表水，以傍河取水的形式开发利用河边地下水，被广泛采用。在一些山区，河滩地含水层较薄，利用辐射井技术可以获取较大的水量，且可利用地层的渗滤作用，达到净化地表水水质的目的。而目前辐射井应用中还有一些技术没有突破，如卵石层中水平辐射管铺设长度不长、滤水管以及水平钻机未完全定型等，故急需对上述问题进行研究，提出傍河取水的辐射井技术应用模式。
针对我国西北内陆盆地及滨海地区咸淡水共存、居民长期饮用高氟水、苦咸水问题以及基岩山区和内蒙古高原薄层含水层区严重缺水问题，研究开发了适用于西北内陆盆地、滨海等咸淡水共存地区、基岩山区和内蒙古高原薄层含水层地区的找水技术模式；开发形成了浅层薄弱透水层地区新型粗骨料井成井技术、新型贴砾滤水管、抗淤堵滤水材料；开发形成了能有效降低地表水浊度的傍河取水工程技术模式，包括井群配置、施工工艺及新型水平钻机研制等。
二、国内外研究现状
（一）地下水勘查技术
地下水勘查是合理开发利用地下水源的基础和前提。目前国内外常用的地下水勘查技术和方法除常规水文地质调查法外，主要包括遥感技术和地球物理勘查技术。
1.遥感技术
遥感技术的发展为地下水勘查提供了先进的技术手段。在以往的水文地质调查中，主要侧重对水文地质条件的定性和宏观研究，如研究地下水分布规律、埋藏深度和大致的矿化度，圈定地下水的补给和排泄地段；描述地下水和地表水的特征及联系程度、包气带的组成和厚度；评价人为和自然因素对地下水动态的影响；判断岩石的蓄水性和相对渗透性等。随着卫星传感器分辨率的提高，图像处理方法的进步，GIS系统功能的增强，遥感技术在地下水勘查中的应用由定性到定量，由人工判读到人机交互解译，再到信息自动提取，建立实用化的遥感找水技术模型。目前的发展趋势主要集中在以下四点：
（1）微波和热红外遥感。微波遥感因具有全天候、全天时数据获取能力，是遥感技术重要的发展方向之一。随着2004年加拿大Rardarsat-2和日本ALOS雷达遥感卫星的发射，使微波遥感多波段、多极化向极化干涉雷达方向发展，对于定量化雷达水文地质遥感的研究有重要的意义。极化干涉SAR是在干涉和极化的理论技术和方法有充分发展和积累的情况下，通过融合而产生的一种新型的对地观测技术。
植被是地下水勘查中重要的水文景观之一。极化干涉雷达在提取地表植被垂直结构信息方面比单独的干涉和极化雷达有更大的优越性和更高的精度。为区分植被类型、定量化植被参数提供物理数据，Cloude等将极化干涉与相干散射理论相结合，提出了极化干涉SAR双基线植被高度参数反演算法。极化干涉雷达SAR能生成寻找地下水所用的地形、地貌景观信息参数DEM，比起单纯极化和干涉雷达DEM高程精度有明显的提高。
热红外遥感在水文地质研究中一直起着重要作用，在寻找地下水、古河道，发现泉眼等方面有独特的优势。应用热红外遥感数据反演地下水分布的经验模型，可以有效地反映干旱区富水带的信息。热惯量填图近年来得到了很大发展，主要用于水文地质、工程地质和其他环境调查，根据热惯量填图资料可以绘制土壤湿度图，确定浅部含水层的位置，测定与地质构造有关的浅层地下水。
（2）3S技术集成。随着空间技术、传感器技术的进步，高分辨率的遥感数据将为地理信息系统（GIS）数据库提供信息源，以保证GIS的现势性和可运行性。遥感已成为GIS中最主要、最及时的动态信息来源，GIS需要大量的遥感数据和其他的辅助数据（GPS定位等），通过反演与地下水相关的遥感数据，认识地下水补给、径流、排泄规律。
目前遥感信息提取（包括识别和分类），是以遥感图像的光谱特征为基础的。这种单一信息源的分析方法，未能充分考虑地物背景、环境景观条件的复杂性和不稳定性给遥感信息提取带来的影响，识别和分类的精度十分有限，不能满足定量化的要求。虽然遥感数据大幅度的提高空间、时间和光谱分辨率，为遥感信息提取精度创造了条件，但还需GIS提供解译所需的判读标志和依据，进而将遥感和GIS中的数据复合在一起，增加遥感数据的“滤波”通道，提高遥感数据识别与分类的特征维数，消除和减弱遥感探测的误差，逐步实现遥感信息提取的解析化和数字化。
3S技术在寻找地下水方面的应用正处在发展阶段，由于遥感信息的复杂性及各种数据源的属性差异，面对多种GIS平台的选择，往往一个专题多种模式，缺乏统一的规范。
（3）遥感信息定量化。遥感技术的发展，最终目标是解决实际应用问题。遥感信息定量化是通过实验或物理模型将遥感信息与地下水参量联系起来，利用遥感信息定量地反演地下水分布、埋深等，使遥感信息的定量分析与应用成为现实。遥感信息定量化研究涉及遥感器性能指标的评价，大气参量的计算与大气校正方法和技术、对地定位和地形校正方法和技术、计算机图像处理与算法实现、地面辐射和几何定标场的设置以及各种遥感应用模型和方法。遥感信息定量化，将使不同种类遥感数据信息复合技术发生质的飞跃，使复合后的信息不仅达到空间分辨率的归一化，而且其辐射值仍保持着目标结构和成分的物理信息，这将在水文地质调查应用研究中具有重要意义。通过遥感信息的定量化，将定量反演的地物光谱与实测值相比较，可对空中遥感器性能进行校验，如波长漂移、增益、信噪比等性能，以及对遥感数据的精度进行全面的评价。使遥感定量分析专题应用模型（土壤湿度模型等），具有高质量的定量遥感数据，作为输入参数加以推广和应用。
（4）遥感解译。遥感图像信息只有通过正确的理解和解译才能为地下水调查提供专题信息。目视判读一直是遥感图像解译、特别是从航空影像上提取各种专题信息的主要方法和技术手段。计算机辅助分类技术通常用于从卫星多光谱图像中提取地物信息。与计算机分类相比，传统目视判读工作量大，效率低，难以满足实时处理大量信息的要求。而计算机辅助分类在遥感应用中具有越来越重要的地位。目前常规计算机分类采用的仍是在统一分类模式下，识别遥感影像上所反映的各类地物，由于地表景物的复杂多样，统一分类模式下的分类难以识别和分类出各种景物，往往也达不到实际需要的精度。因此，许多新的分类方法相继提出，如人工神经网络、遗传算法、分形理论、模糊分类等。同时，还发展了一些专用的遥感图像判读专家系统或遥感影像理解系统。但是，这些新的图像判读方法多处于试验研究阶段，有待于进一步提高和完善。
2.地球物理勘查技术
地下水地球物理勘查技术在半个多世纪的发展历程中，大致经历了三个主要阶段。20世纪50—60年代地球物理方法已被应用于地下水勘查领域，方法有直流电测深、激发极化法，勘探的目标主要为第四系松散岩类孔隙水，方法成熟简单，目前许多地勘单位仍以其为主要勘查手段。20世纪70—80年代期间，找水工作开始面向勘查难度较大的基岩裂隙水、岩溶水，相应的物探技术方法也有了新的发展。音频大地电场法、甚低频法、放射性法、综合测井等方法的应用，取得了明显的效果，并形成有特色的系列找水技术。从20世纪90年代至今，由于地下水勘查的内容和范围不断扩大，研究的问题更加深入，更具有针对性，所采用的技术方法以综合物探手段为主，包括常规手段以及先进的电磁法、高分辨率地震技术等。目前地球物理勘查技术发展现状主要表现在以下两点。
（1）电磁法勘查技术是地球物理勘查技术的主要手段。国外物探技术发展迅速，电法已经从直流电阻率法发展到仪器轻便、分辨率高的电磁法，包括频率测深、音频大地电磁测深、瞬变电磁测深、可控源大地电磁测深等高灵敏度方法。美国、俄罗斯、澳大利亚、加拿大等国先后研制了多系列的电磁法仪器。德国、法国、日本等国在非洲、南亚地区有专门从事地下水勘探的地球物理公司，应用的方法主要为电磁剖面法、甚低频法、频率域电磁测深法、瞬变电磁法等。另外，由俄罗斯和法国生产的核磁共振直接找水技术更是地下水地球物理勘查技术的一大进步，其实质也属电磁法勘探范畴。它不仅能直接反映地下含水层的特点，而且还能提供如孔隙度、渗透率、导水性等水文地质参数，是地下水勘查工作最具有发展潜力的一种新技术。
我国在地下水地球勘查方面，也经历了从直流电法到电磁法的发展过程，目前拥有相当数量的上述大型电磁法勘查设备，均为引进设备，自行研制能力较差。但在应用研究的深度、广度方面均在世界前列，先后开展了多项专项技术研究，如《音频大地电场仪及找水研究》《综合物探技术寻找基岩裂隙水应用研究》《西北沙漠和黄土地区EH-4电导率成像系统勘查地下水技术研究》《西北严重缺水地区地下水勘查战略研究》《中国南方岩溶石山地区地下水找水新方法、新技术研究》等都是以电磁法为主流。另外，在应用研究方面以电磁法为主开展了找水难度大、地质条件复杂、地质环境恶劣的不同类型的地下水勘查工作，如罗布泊及塔里木盆地的松散类孔隙水、西部山地基岩裂隙水、西部深埋岩溶水及西南岩溶石山地区浅层岩溶水的勘查等。
上述国内外地球物理勘查技术的发展现状表明：信息量大、分辨率高、勘探深度大的电磁法勘查技术是地球物理勘查技术的主要手段，在地下水资源勘查中发挥着重要的作用。
（2）综合物探勘查技术是提高勘查成果质量的重要手段。现代地下水勘查手段已由单一的物探手段向综合手段发展，如电法、放射性、地震、遥感及“3S”技术的综合。其涉及的学科也不再是单一的地球物理学，而是集地质学、水文地质学、计算机学、信息学等多学科为一体的综合应用。近几年我国利用综合物探技术，先后在西北的塔克拉玛干沙漠、鄂尔多斯盆地、河西走廊、准噶尔盆地、柴达木盆地等不同地质单元开展了不同类型的地下水勘查工作，取得了较好的成果。采用的综合手段有音频大地电磁法、核磁共振法、浅层高分辨率地震法、高密度电阻率法、瞬变电磁法、遥感、地理信息系统等。
（二）地下水取水技术
地下水取水技术方法一般包括管井（机井）、渗流井、大口井、辐射井、集水廊道和引泉引流等，目前应用较多的有管井、大口井、辐射井。
1.管井
在水井工程设计方面，国外许多专业公司都有自己的规范和手册。如美国的Ingersoll-Rand公司、日本全国地质调查业协会等均在水井结构、套管、滤水管、防腐处理、水力及流速等设计上有着科学严格的要求和标准。在我国，水利部农村水利司编写了《机井技术手册》，1999年建设部发布了《供水管井技术规范》（GB 50296），2000年水利部发布了《机井技术规范》（SL 256），2011年《机井技术规范》（GB/T 50625）开始实行。
在井管材料方面，国外井管普遍采用不锈钢管和塑料管，特别是塑料井管有其优良的综合性能，逐步成为主要的井管材料，代替传统的金属管材等。在美国、德国等国家，70%的机井工程都采用PVC-U塑料井管。我国常用的井管有混凝土类井管（包括钢筋混凝土井管、混凝土井管、无砂混凝土井管等）、钢制井管（包括无缝钢管井管、直缝钢管井管、螺旋钢管井管）、铸铁井管等。20世纪90年代以后，桥式滤水管、塑料井管开始应用，目前应用越来越广。贴砾滤水管系将筛选的浑圆形干净石英质砾石，采用高度防水的黏结材料，紧紧粘贴在穿孔或缠丝骨架管的外围构成的滤水管，贴砾厚度为15～35mm，具有透水性能好、滤砂可靠、降低成井成本、节省填砾时间、使用方便等优点，目前已在许多国家大量采用，我国是在20世纪70年代末开始研制并推广使用。
在钻孔机械和钻进方法方面，国外水井钻机型号多，由浅至深已成系列化，并且钻机结构先进，性能优良。先进的全液压传动系统，顶部驱动装置等已全面采用。水井钻机除能满足水井钻探外，还可满足地质岩芯钻探、地热钻探和基础工程施工钻探的要求。国外的钻进设备发展较早，为了适应不同地层和提高钻进效率，发展了多种钻进工艺，例如正循环钻进、空气钻进、反循环钻进等。美国、德国、日本等国家主要以气举反循环、冲击回转潜孔锤等方式来实现破岩和成孔，俄罗斯95%的水文水井钻探工作采用正循环回转钻进设备。多工艺空气钻进技术具有钻进效率高、成本低、钻进不用水或用水少、对含水层损害小等优点，在国外特别是工业发达国家已成为干旱缺水地区进行水文水井钻凿最有效、应用最广泛的钻进手段。我国以泵吸反循环、正循环泥浆钻进、冲击钻进为主，先后又发展了气举钻探、泡沫钻进、潜孔锤反循环等钻进新工艺，先后研制了SJDC-300型多功能空气钻机、系列双壁钻杆、潜孔锤取芯和扩孔钻具、潜孔锤跟管钻具、贯通式潜孔锤等机具。研制成功了泡沫剂、空气钻进固化用化学浆液等一批空气钻进材料。
在成井工艺方面，国外对包括下管、填砾、止水、洗井、水井灭菌等成井工艺进行了深入研究。国外还开展了对含水层激发或刺激技术的研究，除对传统的酸处理技术、炸药爆破技术等进行研究外，已成功地将石油工业中的水力压裂技术应用于增加水井出水量中。含水层的激发、刺激技术，国内现有的方法有酸处理法、真空作业法和井内爆破法。但这些技术均不够完善，处理效果也不稳定。陕西省地质调查院进行了高能气体压裂技术（爆破）的试验研究，取得了较理想的效果。中国地质调查局先后研发了水井水力压裂技术及相关设备并在基岩山区地下水开发利用中得到成功应用。
此外，分层止水、分层采样技术是开展地下水监测、地下水化学和水动力学研究的有效手段，在国外已被广泛研究和应用。采样工具和采样方法多种多样，如可应用于松散浅层地下水分层采样的打入锥面法和水文穿孔器法，适用于各种泥浆钻进的快速采样法和地下水分层采样法等。国内的供水井以混合水井为主，所采水样几乎全为混合水样。随着对地下水污染的重视，为满足地下水污染监测的需要，分层采样技术研究已开始起步。
2.辐射井
辐射井是由大直径的集水井和自集水井内的任一高程沿水平方向向含水层打进具有一定长度的多层、数根至数十根水平辐射管组成。因水平辐射管分布成辐射状，故称为辐射井。
辐射井产生于20世纪30年代，美国人里奥兰尼（Lea Ranney）为开发地层浅部的地下石油而发明，在搜集残余石油受到限制后，利用该原理集取地下水。1934年遇到伦敦严重缺水，Ranney说服城市供水局建造这种新井。以后在欧洲逐渐开始应用。
日本清水钻井公司，于1938年在我国大连建造了一眼辐射井，其是打在砂砾石含水层中，竖井用冲抓锥沉井法成井，直径6m左右。辐射管是用直径为25～1000mm的无缝钢管，每根滤水管长1.375m，开孔率约为11.45%。水平辐射管敷设采用顶进加高频振冲推进，每眼井在井下部厚1m含水层范围内，分多层交错布置约60根水平管，每根水平管的长度10～20m，单井出水量400～1000m3/h。
我国的辐射井研究与应用起步较晚，20世纪60年代以前仅在铁路、城建方面有所尝试，主要用于在河流阶地的粗颗粒含水层中取水。1969年10月，陕西省在黄土塬区试验施工辐射井，1971年完成。1979年，河北省采用类似于陕西黄土塬区打辐射井的办法，在冲积滨海平原黏土和亚黏土的含水层中打辐射井，取得了一定的经验，但仍没有解决在粉细砂层、细砂层含水层中辐射井成井的技术问题。1981年河北省在东光县采用欧美辐射井水平管的施工办法，在粉细层中施工水平管，但未获得成功。
进入20世纪80年代，中国水利水电科学研究院开始针对辐射井技术进行系统研究，并重点研究了以粉土、亚黏土、粉砂、粉细砂为主的松散弱透水性含水层的成井工艺。通过多年努力，辐射井技术已在农田灌溉排水、城镇和工矿企业供水、工民建基坑降水、尾矿坝和灰坝降低坝体浸润线、防治地质灾害等方面得到广泛应用。