龚孟梨

（山西省西山提黄灌溉工程建设管理中心 山西太原 030002）

0 引言

我国古人很早就开始使用水井开发利用地下水，历年抗旱斗争表明，井灌（垂直取水工程）是我国北方地区发展的重要水利措施之一。在垂直取水工程中，按井径的大小可分为管井及大口井，一般适用于家庭生活用水和灌溉用水。在《机井技术规范》（GB/T50625-2010）中，定义管井为井较深，井径较小，由井口、井壁管、过滤器及沉淀管组成的水井。定义大口井为井径大于2 m的水井。

管井宜布局在平原、高原、山区、沙漠、阶地等地区，可用于开采各种埋藏深度的地下水。大口井是傍河取水方式中一种较为常见的取水方式，主要应用在以下几个方面：1）含水层薄、渗透性好、地下水补给丰富，河漫滩、山前浅层地下水洪积扇及一级阶地、干枯河床及古河道地段；2）地下水埋藏较浅、比较厚的基岩风化裂隙层、有丰富的补给源地段；3）含水层为中细砂、采用其他取水建筑物容易侵蚀沙地的地段；4）浅层地下水含有较高含量的铁、锰及腐蚀性二氧化碳等对井管高度腐蚀作用的地区。与其他取水方式相比，大口井具有水量稳定、水质保证、项目投资少、使用寿命长、运行费用低、耐腐蚀等优点，具有较大的优越性。

以管井为关键词进行搜索，2010年至今共有128篇相关文献；以大口井为关键词进行搜索，2010年至今共有30篇相关文献。研究学习发现，垂直取水工程已经在多领域得到了有效应用。符勇等人在郭滩水源进行了大口井和傍河取水方式的尝试，实践表明如果水文地质条件允许，大口井可用于对水质要求比较高的居民生活用水[1]。梁雪坷通过一系列计算表明，白湾集镇外部引水工程的水源点地形陡峭，采用大口井取水型式有效地兼具了沉沙作用，可在山区工程中推广应用[2]。王科新等通过试验表明修建无砂混凝土大口井在无客水来源，且地下水位埋藏较浅、含水层渗透性较强的丘陵、山区具有较好的使用价值和推广价值[3]。

1 垂直取水工程的研究进展

1.1 管井

在2002年，张锡范通过对大量管井的调查，对供水管井进水流速的定义及其计算进行了探讨，并进行了复核计算，提出并论证了与我国工程实际情况相符的允许过滤管进水流速计算公式、允许井壁进水流速计算公式[4]。在2004年张锡范通过对供水管井井水含砂量标准的制订依据、标准制订的影响因素进行探讨，进一步提出了“井水含沙量历时曲线”；在对我国管井施工及运行进行大量调查的基础上，提出了我国供水管井井水含沙量的新标准[5]。2005年，张锡范又针对管井过量抽水的问题，首次提出了过滤管进水能力和井壁进水能力的确定方法，并明确了管井出水能力、管井设计出水量的概念[6]。2010年，高海东分别计算了考虑井损以及忽略井损情况下的承压水和潜水抽水井的贮水率、渗透系数和给水度，并得出结论：考虑井损的各参数值比忽略井损的各参数值大，同时井损对承压水的抽水试验比潜水的影响小[7]。

1.2 大口井

1994年，柳理华等先后通过一系列实验推导出大口井不同井型的流量计算公式，研究表明进水断面是影响出水量的重要因素，长方形井型结构下的单井出水量、储水量与进水断面均呈正比关系，长方形大口井与截流工程相结合的取水方式，可以扩大进水断面，具有出水量大、节省用地和减少投资等特点[8-9]。1999年，沈纲从自然条件、设计情况到运行管理方面，分别论述了对大口井出水量的影响，对大口井的管理提出了建议，给出了取水的有力条件[10]。

研究学习发现，早些年对于管井及大口井研究主要集中在对抽取地下水出水量的确定方面，包括渗透系数、给水度、流速、出水量等。作为傍河最常用的取水方式，大口井的工程设计以及水量计算方法已经较为成熟，成为傍河各种取水工程取水量评估的主要方法。近年来，在人口密集的地区地下水被过度开采，导致地下水位持续下降，地下水位漏斗不断扩大，甚至在部分地区已经出现了地面沉降以及裂缝等较为严重的地质环境问题。目前国内外众多学者主要研究方向正在转向新型取水技术，即集取河床渗透水的大口井，大部分是将天然河床作为滤床，达到净化水资源的目标，并利用天然河床渗流取水工程，拦截由河流水体底部含水层渗入的渗率水，从而将地表水转化为地下水，以此获得良好水质的地下水。

傅勇等结合项目实际情况表明，大口径管井水质好，水量大，可定期供水，是解决生活用水的有效途径。

符勇等结合工程项目实际情况，论证了大口径管井水量能够得到周期性补给，且取水水质好，水量大，是解决生活用水的有效途径[1]。张丽萍等对傍河取水工程中用定降深公式计算的出水量及模型预测大口井出水量进行了对比，研究表明采用模型对大口井出水量的预测更为准确[11]。王允麒等通过对隔水边界附近取水井集水流网与集取河床渗透水大口井集水流网的对比分析，应用渗流理论的镜像法与势流叠加原理，得到了适用于集取河床渗透大口井的出水量计算模型[12]。王全金利用有限单元法和解析法对层状含水层条件下大口井出水量进行了计算，结果表明有限单元法计算大口井出水量精度高，并且可适用于各种不同介质渗流和复杂边界条件[13]。王新娟等人在水文地质概念模型的基础上研究建立了三维地下水流数值模拟模型，并模拟计算出了大口井回灌的水位变化情况，结果表明建立的模型可用于大口井回灌的水位预报[14]。

1.3 大口辐射井

一系列的实践经验证明，大口井运用一定时间后，会有不同程度的淤塞，从而出水量会大大降低。众多水文地质学家已经通过大量的理论探讨和工作时间证明：大口径辐射井技术可以用于增加单井出水量。大口井辐射井是以传统的大口井为基础，在井下部的井筒中增加了多个集水管，并将其整个径向延伸到蓄水层中，使地下水流入集水管中并最终进入取水井中。

罗向东等通过在原有大口井中打辐射管将其变为大口辐射井的方式，使得改造后涌水量接近设计涌水量，提高其供水能力[15]。刘庆华通过试验表明大口辐射井的单井出水量比同类型大口井增加1.5～2.0倍，且出水量稳定，水质良好，并根据已有大口井条件，增加辐射管，建立数学计算公式，得到多组辐射管长度与取水量的计算结果[16]。胡兴义运用辐射管与管棚护壁的新方式，通过抽水试验得到最大允许开采量远远大于居民用水需求，并且由该种取水方式得到的水质清洁，满足用水标准[17]。薛宏智等针对大口辐射井三维渗流的特点，建立了针对单层辐射管均匀布设辐射井的抽水降落曲面模型，并将其运用到陕西乾县试验区，用抽水试验的实测资料进行了检验，拟合效果良好，可以较真实的反映实际地下水分布情况[18]。陈鹏等通过分析大口辐射井的井流特征，建立了“渗流-管流耦合取水模型”，结合陕西府谷墙头水源地的水文地质结构及有关参数，对大口辐射井的模拟效果进行了分析，确定了最终开采方案及允许开采量[19]。潘治霖通过室内砂槽模拟得到的取水效果，建立了“渗流-管流耦合模型”，得到了不同的取水条件，各因素与辐射井取水量的关系曲线，表示在饱和情况下，竖井降深与取水量呈线性关系[20]。

2 建议与展望

通过对国内传统管井、大口井及大口辐射井的研究文献进行系统分析，可以发现：传统管井的管径小，单井出水量较小，一般用于灌溉及生活用水，比较适合分散开采；大口径辐射井的管径大，单井出水量较大，可满足大多数情况下的供水需求，主要用于灌溉、生活及工业用水，比较适合集中管理。目前，垂直取水项目的研究主要集中在工艺研究和水量计算这两个方面，水量计算多是采用以地下渗流理论为基础的水量计算法。

采用傍河取水的方式开采地下水时，可以采用人工滤料来净化河水，通过研究含水层的淤塞机理、水流状态、滤料渗透性的影响、水质发生改善的机理等，探讨技术可靠，成本较低的净水工艺技术，不仅是净水理论和技术发展的需要，更具有重要的经济价值和社会意义。而针对地表水转化为地下水的净化机理、渗流场特征、渗流场变化规律、天然河床及滤层的淤塞机理、预测及防治等方面缺乏较为系统的研究，需要在逐步应用中得到进一步研究。