6.2 供水管井设计出水量的确定

6.2.1  地下水的开发和利用应贯彻“全面规划、合理开采、开源节流、化害为利”的原则，做到合理开发，可持续开发，保护地下水资源，避免过量开采而产生一系列不良后果(如区域地下水位下降、水质变差、地面沉降、环境恶化等)。因此，本条从数量上规定，井群总出水量应小于开采区的地下水允许开采量。

6.2.2、6.2.3  实践表明，在供水管井设计与生产中，普遍存在的问题是超过管井的出水能力超量抽水。从设计上看，每一眼管井在井结构确定的条件下，有一个最大允许出水量。目前仅依据勘察资料确定出水量，而很少考虑确定的管井结构本身的出水能力是否与之匹配。更严重的是，在管井结构已定的情况下，盲目追求增大出水量，造成许多地区管井涌砂、腐蚀和堵塞的加剧。合理的管井设计出水量需正确地确定两个流速参数：一是地下水从含水层进入井壁的进水流速，二是流经过滤管缝隙(孔隙)的过滤管进水流速。流速过大会把含水层中的细小颗粒带入井内。井壁进水流速是指含水层中的地下水通过井壁界面进入井内时的速度，它可用含水层渗透系数和井壁过水断面处的水力坡度的乘积表示。因此也可称为渗透流速。水力坡度的大小是有一定限度的，因此渗透流速越大，实际流速也越大。松散含水层由不同大小粒径的砂粒组成，在水流的推动下，每一粒径的砂粒都有一个最小能被搬运移动的实际水流速度值。因此在理论上就会有一个确定了的实际水流速度值：在它的推动下被搬运至井内的砂量可被管井设计允许，并且还不会因进入井内的砂粒过多而造成井壁坍塌、管井报废。这一实际的水流速度值由于井壁四周地下水运动的复杂性(紊流和三维流)和边界(井壁)的多变性而难以用严谨的数学解析法求解。不过经大量的试验和统计数据显示，它和含水层的渗透性有密切的关系，并可以用井壁进水流速的相关关系式来表达。这就是吉哈尔特公式、阿勃拉莫夫公式和它们的修正公式。详情见后面的有关论述。而流经过滤管缝隙(孔隙)的流速是实际流速，过大会增大水头损失，破坏地下水化学平衡，使水中的溶解物质析出沉积于过滤管进水缝隙(孔隙)中，加速结垢，导致过滤管堵塞。合理的设计应保证井壁进水流速和过滤管进水流速都不得超过其临界流速的允许值。井壁允许进水流速是井身开采段设计的重要参数。过滤管允许进水流速是过滤管进水面积设计的重要参数。需要指出的是，管井设计时采用的都是其过水断面上的平均流速。对管井设计出水量，本规范第6.1.4条明确规定：“管井设计出水量应小于管井的出水能力。”所谓管井的出水能力，即是某过滤器结构条件下允许通过的最大水量。由于地下水是经过过滤管进入井管内的，因此过滤管的出水能力即是管井的出水能力。其出水能力可根据已确定的过水断面积与过滤管允许进水流速的乘积确定，即式(6.2.2)。实际上，计算过滤管的进水能力即是确定过滤管的进水流速不得超过过滤管的允许进水流速。根据原规范修订时的调查和复核计算，我国大多数生产井的过滤管进水流速都未超过0.03m/s，仅少数出水量大或采用包网过滤器的管井，因过滤管有效进水面积过小而超过此值。因此，第6.2.2条规定过滤管允许进水流速Vg不得大于0.03m/s，正是出于减缓过滤管的堵塞对过滤管进水流速的要求而规定的。

    井壁允许进水流速的确定有各种计算公式，常用的有：

    (1)吉哈尔特公式：德国学者吉哈尔特(W·Sicharde)于1928年根据大量管井试验资料，用数理统计的方法首先建立了允许入井流速与含水层渗透系数的相关关系式：

    式中：K——含水层平均渗透系数(m/s)；

          a——滤料层的滤水系数(一般为15，若滤料颗粒很细时，可取18)，本规范和国内相关文献中取15。

    (2)休斯曼(Huisman)1972年对吉哈尔特公式进行了修正，修正后的关系式为：

    式中：K——含水层平均渗透系数(m/s)。

     该式偏于安全，仅在日本等少数国家得到应用。

    (3)苏联学者阿勃拉莫夫(C·K·AσpaMOB)于1954年根据大量管井试验资料建立的相关关系式：

    式中：K——含水层平均渗透系数(m/d)；

          A——系数(A＝60～70，一般取65，含水层颗粒细取小值，颗粒粗取大值)。我国现行行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120-2012和相关文献中，A取60～65。

    (4)我国陕西机械学院水利系教授赵尔惠1980年对式(5)进行了修正与验证，修正式为：

    式中：K——含水层平均渗透系数(m/d)。

    比较诸式的计算结果：当K≥6m/d时，式(4)＜式(3)＜式(5)＜式(6)；当K＜6m/d时，式(4)＜式(3)＜式(6)＜式(5)。

    在相同条件下，管井的井壁进水流速越大，意味着从含水层进入管井的砂越多，则井水的含砂量亦大。因此，确定管井允许井壁进水流速是与井水含砂量要求密切相关的，彼此匹配的。换言之，井水含砂量的要求越严，则井壁允许进水流速相应的要求越小；井水含砂量的要求越宽，则井壁允许进水流速也可相应大些。原规范修订组从我国生产实践出发，并通过20余例生产井(供水)调查和核算认为，我国生产井(供水)的井壁进水流速均远小于式(5)的计算值，一般为式(5)计算值的1/3～1/2。也就是说，若按式(5)的井壁允许进水流速设计井径，则原井径要缩小2倍～3倍。显然，该式不适合我国供水管井实际，且其原著《机井滤水管》中已说明，式(5)适用范围应限于包网过滤器管井。另外，式(4)实际上是式(3)乘以1/2安全系数的修正式，我国生产井(供水)的井壁进水流速均大于式(4)的计算值，若按该式计算供水管井出水量，则要大大减少原出水量，显然在实际上太偏于安全。据此，供水管井的井壁允许进水流速的计算式推荐采用吉哈尔特公式。通过生产井的实际复核，均与式(3)的计算值接近，符合我国供水管井的实际情况。当为降水管井时，本规范第6.3.5条的井壁允许进水流速的计算式推荐采用式(5)。同时，二者也与我国允许井水含砂量的现状和新制定的井水含砂量标准相匹配。

    当地下水具有侵蚀性和容易结垢时，为减缓过滤管的腐蚀和结垢速度，降低允许过滤管的进水速度，也即降低管井出水量是必要的。具体数据应根据地下水水质的腐蚀性程度确定。

6.2.4  在实际供水工程中，多采用地下水水源地集中供水，常利用井群的形式进行抽水，当井群中的井与井之间的距离过小时，彼此之间的降深和流量都要发生相互影响，可能出现较明显的水井之间的相互干扰。在求解干扰井流定解问题时，依据叠加原理和稳定流、非稳定流的基本原理和方法。叠加原理用于干扰井流的实质，就是将干扰井中各个抽水井单独工作时对某一点产生的水位降深叠加，即等于该点在干扰井流中的水位降深值。

6.2.5  浅层地热能是指蕴藏在地表以下一定深度(一般为200m)范围内的岩土体、地下水中具有开发利用价值的地热资源。对于直接地下水换热系统，回灌过程中的回扬、水回路中产生的负压和沉砂池都避免不了空气和地下水的接触，导致地下水氧化。地下水氧化会产生一系列的水文地质问题，如地质化学变化、生物变化等。虽然井口换热器减少了地下水与空气的接触，并对回路中所用器材做防腐处理，这样可以减轻空气对地下水的污染程度，但是污染后将是一个无法挽回的灾难，从危害程度上来讲，不亚于空气污染的危害性，治理更是无从谈起。所以地下水水源热泵的水源宜采用浅层水，与城市供水水源分开是必要的。