地下水应用(6篇)

地下水应用篇1

关键词地下水修复技术应用

中图分类号：P641.13文献标识码：A

一、国内地下水环境质量现状

1.1地下水资源分布和开发利用状况

我国地下水资源地域分布不均。据调查，全国地下水资源量多年平均为8218亿立方米，其中，北方地区（占全国总面积的64%）地下水资源量2458亿立方米，约占全国地下水资源量的30%；南方地区（占全国总面积的36%）地下水资源量5760亿立方米，约占全国地下水资源量的70%。总体上，全国地下水资源量由东南向西北逐渐降低。

近几十年来，随着我国经济社会的快速发展，地下水资源开发利用量呈迅速增长态势，由20世纪70年代的570亿立方米/年，增长到80年代的750亿立方米/年，到2009年地下水开采总量已达1098亿立方米，占全国总供水量的18%，三十年间增长了近一倍。北方地区65%的生活用水、50%的工业用水和33%的农业灌溉用水来自地下水。全国655个城市中，400多个以地下水为饮用水源，约占城市总数的61%。地下水资源的长期过量开采，导致全国部分区域地下水水位持续下降。2009年共监测全国地下水降落漏斗240个，其中浅层地下水降落漏斗115个，深层地下水降落漏斗125个。华北平原东部深层承压地下水水位降落漏斗面积达7万多平方公里，部分城市地下水水位累计下降达30-50米，局部地区累计水位下降超过100米。部分地区地下水超采严重，进一步加大了水资源安全保障的压力。

1.2地下水质量分类与监测

（1）地下水质量分类

《地下水质量标准---GB/T14848-93》依据我国地下水水质现状、人体健康基准值及地下水质量保护目标，并参照了生活饮用水、工业、农业用水水质最高要求，将地下水质量划分为五类。

Ⅰ类主要反映地下水化学组分的天然低背景含量。适用于各种用途。

Ⅱ类主要反映地下水化学组分的天然背景含量。适用于各种用途。

Ⅲ类以人体健康基准值为依据。主要适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水。

Ⅳ类以农业和工业用水要求为依据。除适用于农业和部分工业用水外，适当处理后可作生活饮用水。

Ⅴ类不宜饮用，其他用水可根据使用目的选用。

（2）地下水水质监测

各地区应对地下水水质进行定期检测。检验方法，按国家标准GB5750《生活饮用水标准检验方法》执行。

各地地下水监测部门，应在不同质量类别的地下水域设立监测点进行水质监测，监测频率不得少于每年二次(丰、枯水期)。

监测项目为：pH、氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、挥发性酚类、氰化物、砷、汞、铬(六价)、总硬度、铅、氟、镉、铁、锰、溶解性总固体、高锰酸盐指数、硫酸盐、氯化物、大肠菌群，以及反映本地区主要水质问题的其它项目。

1.3地下水环境质量状况

根据2000-2002年国土资源部“新一轮全国地下水资源评价”成果，全国地下水环境质量“南方优于北方，山区优于平原，深层优于浅层”。按照《地下水质量标准》（GB/T14848-93）进行评价，全国地下水资源符合Ⅰ类－Ⅲ类水质标准的占63%，符合Ⅳ类－Ⅴ类水质标准的占37%。南方大部分地区水质较好，符合Ⅰ类－Ⅲ类水质标准的面积占地下水分布面积的90%以上，但部分平原地区的浅层地下水污染严重，水质较差。北方地区的丘陵山区及山前平原地区水质较好，中部平原区水质较差，滨海地区水质最差。根据对京津冀、长江三角洲、珠江三角洲、淮河流域平原区等地区地下水有机污染调查，主要城市及近郊地区地下水中普遍检测出有毒微量有机污染指标。2009年，经对北京、辽宁、吉林、上海、江苏、海南、宁夏和广东等8个省（区、市）641眼井的水质分析，水质Ⅰ类－Ⅱ类的占总数2.3%，水质Ⅲ类的占23.9%，水质Ⅳ类－Ⅴ类的占73.8%，主要污染指标是总硬度、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、铁和锰等。2009年，全国202个城市的地下水水质以良好－较差为主，深层地下水质量普遍优于浅层地下水，开采程度低的地区优于开采程度高的地区。根据《全国城市饮用水安全保障规划（2006－2022年）》数据，全国近20%的城市集中式地下水水源水质劣于Ⅲ类。部分城市饮用水水源水质超标因子除常规化学指标外，甚至出现了致癌、致畸、致突变污染指标。

1.4地下水环境质量变化趋势

据近十几年地下水水质变化情况的不完全统计分析，初步判断我国地下水污染的趋势为：由点状、条带状向面上扩散，由浅层向深层渗透，由城市向周边蔓延。南方地区地下水环境质量变化趋势以保持相对稳定为主，地下水污染主要发生在城市及其周边地区。北方地区地下水环境质量变化趋势以下降为主，其中，华北地区地下水环境质量进一步恶化；西北地区地下水环境质量总体保持稳定，局部有所恶化，特别是大中城市及其周边地区、农业开发区地下水污染不断加重；东北地区地下水环境质量以下降为主，大中城市及其周边和农业开发区污染有所加重，地下水污染从城市向周围蔓延。

二、地下水污染防治法规及规划

2.1国内外地下水保护法规

（1）国内地下水保护法规

目前,我国并没有地下水保护的专门法律，有关地下水资源保护的相关法律制度主要在《中华人民共和国水污染防治法》、《水污染防治法实施细则》、《中华人民共和国水法》等中有着不同程度的规定。《取水许可和水资源费征收管理条例》规定了对地下水开采实施总量控制同时通过水资源费征收机制控制地下水的开采；《饮用水水源保护区污染防治管理规定》专章规定了生活饮用水地下水源保护区的划分和防护。此外,一些关于保护地下水的地方性立法,如《河北省取水许可制度管理办法》、《北京市城市自来水厂地下水源保护管理办法》、《关于在苏锡常地区限期禁止开采地下水的决定》等。

（2）国外地下水保护法规

英国地下水资源保护的主要法律法规,如下：

2.2我国地下水污染防治规划

(1)规划目标

到2015年，基本掌握地下水污染状况，全面启动地下水污染修复试点，逐步整治影响地下水环境安全的土壤，初步控制地下水污染源，全面建立地下水环境监管体系，城镇集中式地下水饮用水水源水质状况有所改善，初步遏制地下水水质恶化趋势。

到2022年，全面监控典型地下水污染源，有效控制影响地下水环境安全的土壤，科学开展地下水修复工作，重要地下水饮用水水源水质安全得到基本保障，地下水环境监管能力全面提升，重点地区地下水水质明显改善，地下水污染风险得到有效防范，建成地下水污染防治体系。

（2）主要任务

开展地下水污染状况调查

保障地下水饮用水水源环境安全

严格控制影响地下水的城镇污染

强化重点工业地下水污染防治

分类控制农业面源对地下水污染

加强土壤对地下水污染的防控

有计划开展地下水污染修复

建立健全地下水环境监管体系

三、地下水修复技术

根据其主要工作原理地下水修复技术可大致归并为4类，即物理技术、化学技术、生物技术和复合技术。物理技术包括水动力控制法、流线控制法、屏蔽法、被动收集法等；化学技术包括有机粘土法和电化学动力修复技术；生物修复的方法有包气带生物曝气、循环生物修复、生物注射法、地下水曝气修复、抽提地下水系统和回注系统相结合法、生物反应器法等；复合法修复技术兼有以上2种或多种技术属性，例如抽出处理法同时使用了物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术，综合各种技术优点，在修复地下水时更加有效。

3.1物理修复法

物理法修复技术是以物理规律起主导作用的技术，主要包括以下几种方法：水动力控制法、流线控制法、屏蔽法、被动收集法、水力破裂处理法等。其中屏蔽法、被动收集法多数应用在地下水污染物治理初期，作为一种临时控制方法。

水动力控制法

其原理是建立井群控制系统，通过人工抽取地下水或向含水层内注水的方式，改变地下水原来的水力梯度，进而将受污染的地下水体与未受污染的清洁水体隔开。井群的布置可以根据当地的具体水文地质条件确定。因此，又可分为上游分水岭法和下游分水岭法。上游分水岭法是在受污染水体的上游布置一排注水井，通过注水井向含水层注入清水，使得在该注水井处形成一个地下分水岭，从而阻止上游清洁水体向下补给已被污染水体；同时，在下游布置一排抽水井将受污染水体抽出处理。下游分水岭法则是在受污染水体下游布置一排注水井注水，在下游形成一个分水岭以阻止污染羽向下游扩散，同时在上游布置一排抽水井，将初期抽出的清洁水送到下游注入，最后将抽出的污染水体进行处理。

流线控制法

流线控制法没有一个抽水廊道、一个抽油廊道（没在污染范围的中心位置）、两个注水廊道分布在抽油廊道两侧。首先从土面的抽水廊道中抽取地下水，然后把抽出的地下水注入相邻的注水廊道内，以确保最大限度地保持水力梯度。同时在抽油廊道中抽取污染物质，但要注意抽油速度不能高，要略大于抽水速度。

屏蔽法

屏蔽法是在地下建立各种物理屏障，将受污染水体圈闭起来，以防止污染物进一步扩散蔓延。常用的灰浆帷幕法是用压力向地下灌注灰浆，在受污染水体周围形成一道帷幕，从而将受污染水体圈闭起来。

被动收集法

被动收集法是在地下水流的下游挖一条足够深的沟道，在沟内布置收集系统，将水面漂浮的污染物质如油类污染物等收集起来，或将所有受污染的地下水收集起来以便处理的一种方法。

3.2化学法修复技术

有机粘土法

这是一种新发展起来的处理污染地下水的化学方法，有机粘土可以扩大土壤和含水层的吸附容量，从而加强原位生物降解，因此可以利用有机粘土有效去除有毒化合物。利用土壤和蓄水层物质中含有的粘土，注入季铵盐阳离子表面活性剂，使其形成有机粘土矿物，用来截住和固定有机污染物，防止地下水进一步污染，并配合生物降解等手段，永久地消除地下水污染。

电化学动力修复技术

电化学动力修复技术是利用土壤、地下水和污染电动力学性质对环境进行修复的新技术，它的基本原理是将电极插入受污染的地下水及土壤区域，通直流电后，在此区域形成电场。在电场的作用下水中的离子和颗粒物质沿电力场方向定向移动，迁移至设定的处理区进行集中处理；同时在电极表面发生电解反应，阳极电解产生氢气和氢氧根离子，阴极电解产生氢离子和氧气。近年来电化学动力修复技术开始用以去除地下水中的有机污染物，这种方法用于去除吸附性较强的有机物效果也比较好。电化学动力修复技术非常适合作为一项现场修复技术，安装和操作容易，既可用于饱和土壤水层，也可用于含气层土壤，不受深度限制，不破坏现场生态环境。

加药法

通过井群系统向受污染水体灌注化学药剂，如灌注中和剂以中和酸性或碱性渗滤液，添加氧化剂降解有机物或使无机化合物形成沉淀等。

渗透性处理床

渗透性处理床主要适用于较薄、较浅含水层，一般用于填埋渗滤液的无害化处理。具体做法是在污染羽流的下游挖一条沟，该沟挖至含水层底部基岩层或不透水粘土层，然后在沟内填充能与污染物反应的透水性介质，受污染地下水流入沟内后与该介质发生反应，生成无害化产物或沉淀物而被去除。常用的填充介质有：a.灰岩，用以中和酸性地下水或去除重金属；b.活性炭，用以去除非极性污染物和CCl4、苯等；c.沸石和合成离子交换树脂，用以去除溶解态重金属等。

冲洗法

对于有机烃类污染，可用空气冲洗，即将空气注入到受污染区域底部，空气在上升过程中，污染物中的挥发性组分会随空气一起溢出，再用集气系统将气体进行收集处理；也可采用蒸汽冲洗，蒸汽不仅可以使挥发性组分溢出，还可以使有机物热解；另外，用酒精冲洗亦可。在理论上，只要整个受污染区域都被冲洗过，则所有的烃类污染物都会被去除。

3.3生物法修复技术

生物修复是指利用天然存在的或特别培养的生物（植物、微生物和原生动物）在可调控环境条件下将有毒污染物转化为无毒物质的处理技术。微生物修复利用土著的、引入的微生物及其代谢过程，或其产物进行的消除或富集有毒物的生物学过程。

生物修复的方法有包气带生物曝气、循环生物修复、空气注射法、地下水曝气修复、抽提地下水系统和回注系统相结合法、生物反应器法等。由于深埋于地下，地下水生物修复技术的实施一般应结合污染的具体情况，采取不同的方法。

循环生物修复

对于受污染的地下水，可以向地下水层钻井注入空气，提供氧气，同时利用回收井，抽取地下水，进行循环，通过渗透，提供微生物需要的各种营养。从水井抽提地下水，还可以控制污染带的迁移。

地下水曝气修复

对于饱和带或者地下水，将压缩气体注入地下水饱和区，由于密度差等原因，空气会穿透地下水饱和区上升到非饱和区中，在上升过程中可使挥发性污染物进入压缩空气并被压缩空气带到非饱和区排出。

空气注射法

它主要是将加压后的空气注射到污染地下水的下部，气流加速地下水和土壤中有机物的挥发和降解，这种方法主要是抽提、通气并用，并通过增加及延长停留时问促进生物降解，提高修复效率。

植物修复技术

植物修复技术是利用天然植物生长代谢原理吸收和降解水或土壤中的污染物，因其具有成本低、不破坏地质结构、适于大范围修复等优点，广泛用于土壤及地下水中的有机物、重金属、微量元素的降解。由于特定的超累积植物生长速度慢，受到气候、土壤等环境条件限制，很难得到广泛应用、目前大量研究集中在基因转移技术与植物修复的结合与应用以及植物修复的影响因素和植物修复的机理上。影响植物修复的因素主要有环境因素、污染物浓度、性质和根系分布等。

3.4复合法修复技术

复合法修复技术是兼有以上两种或多种技术属性的污染处理技术，其关键技术同时使用了物理法、化学法和生物法中的两种或全部。

（1）抽出处理修复技术

在处理抽出水时同时使用了物理法、化学法和生物法，是最常规的污染地下水治理方法。该方法根据多数有机物由于密度小而浮于地下水面附近，参照地下水被污染的大致范围，通过抽取含水层中地下水面附近的地下水，把水中的有机污染物质带回地表，然后用地表污水处理技术处理抽取出的被污染的地下水，为了防止由于大量抽取地下水而导致地面沉降，或海（成）水入侵，还要把处理后的水注入地下水中，同时可以加速地下水的循环流动，从而缩短地下水的修复时间。

（2）渗透性反应屏修复技术

PRB（permeablereactivewalltechnology，可渗透反应墙技术）是近年来迅速发展的一种地下水污染的原位修复技术，它正在逐步取代运行成本高昂的抽出-处理(P/T)技术，成为地下水修复技术发展的新方向。目前在欧美已进行了大量的工程及试验研究，已开始商业化应用，并逐步取代运行成本高昂的抽出处理技术，成为目前地下水修复技术最重要的发展方向之一。

从广义上来讲，PRB是一种在原位对污染的羽状体进行拦截、阻断和补救的污染处理技术。它将特定反应介质安装在地面以下，通过生物或非生物作用将其中的污染物转化为环境可接受的形式，但不破坏地下水流动性和改变地下水的水文地质。可渗透反应墙如图1所示。

图1可渗透反应墙示意图

PRB主要由透水的反应介质组成。通常置于地下水污染羽状体的下游。与地下水流相垂直。污染物去除机理包括生物和非生物两种．污染地下水在自身水力梯度作用下通过PRB时，产生沉淀、吸附、氧化还原和生物降解反应，使水中污染物能够得以去除，在PRB下游流出处理后的净化水。它要求捕捉污染羽状体的污染物的“走向”，即把可渗透反应墙安装在含有此污染物羽状体地下水走向的下游地带含水层，从而使污染物顺利进入可渗透反应墙装置与反应材料进行有效接触，使其污染物能转化为环境可接受的另一种形式，实现使污染物浓度达到环境标准的目标。此法可去除地下水溶解的有机物、金属、放射性物质及其他的污染物质。

（2）注气-土壤气相抽提(AS-SVE)技术

注气-土壤气相抽提技术室空气扰动技术及土壤气相抽提技术的结合，空气扰动技术（或称空气注入技术，airsparging，AS），其作用介质是饱和区土壤，通过将空气或氧气注入到受污染的含水层中，被注入的空气在土体缝隙中发生水平或垂直移动，使污染物与土壤发生剥离反应，从而通过挥发作用清除掉土壤中的挥发性和半挥发性有机物。注入的空气会将污染物扩散到非饱和区，因此常结合土壤气相抽提技术（soilvaporextraction，SVE）去除包气带中的气相污染物。土壤气相抽提技术是通过特制的抽提井，利用抽真空产生的动力迫使土壤气体发生流动，从而将土壤中的挥发性和半挥发性有机物驱出，达到清除土壤气体中的挥发性有机物的目的。对于以挥发性有机物为主要污染物的场地，SVE是应用最为广泛的工程修复技术，可进行原位或异位处理。

目前,发达国家已经将其与相关的修复技术结合起来,形成了互补的增强技术。国内研究起步较晚,实验室土柱通风实验的研究目前已做了不少工作,但对场址调查、现场试验性测试、中试研究工作做的不够。

（3）各复合修复法的优缺点

四、地下水修复工程典型案例

4.1国外地下水修复工程实例

（1）Regenesis公司工程实例

加利福尼亚洲的一个名为Regenesis的基础公司研制出一系列从地下水中快速降解和分离污染物的产品，其降解速度远大于固有衰减。其中最有名的产品是氧释放化合物（ORC）和氢释放化合物（HRC），它们能有效地促进燃料、溶剂和许多其它类型地下水污染物的固有衰减。在世界范围内已有9000多个项目正在使用这两种产品。

Regenesis公司产品的优势在于，通过使用工业标准钻机和设备可进行场地修复。可通过使用不同的技术进行场地修复，如直接推进注入和钻孔回填。其它方法包括坑道和过滤保护套应用，最普遍的使用方法是直接注入。这种应用过程包括用中空钻杆把液态ORC和HRC化合物直接泵入处理区。该方法简单、快捷、有应用价值并可在多个位置使用。使用直接注入法可把ORC和HRC化合物应用于更难达到的位置，包括一些裂隙基岩或邻近大型建筑物的地下污染区。在这些位置常需要特殊的设备，如定向钻进钻机和在有效位置使用双层封隔器。实际上，在水平/定向钻进应用中也可把ORC化合物用作钻探泥浆。

在美国华盛顿第四平原服务站，由于其地下石油储蓄罐泄漏而产生了大量BTEX化学物质，包括易挥发的单芳香碳氢化合物、甲苯、苯乙烷和二甲苯，通常在汽油和其它石油产品中可发现这些化学物质。地下含水层主要由沙子和砾石组成，这表明在这些污染物中进行的自然生物降解速度会很慢，通过提供额外的氧可加速自然生物降解过程。最高管理者决定使用ORC化合物来增强生物降解速度，因为ORC化合物在6个月内预期的降解了含水层中超过50％的污染物。在此修复过程中通过15个土壤钻孔用ORC化合物对污染羽进行降解。每个钻孔被回填60磅的ORC浆液，150天后整个BTEX污染羽被降解58％。使用ORC化合物的成本为4万美元，而使用常规的泵抽－处理系统需要约25万美元。

在美国加利福尼亚洲Hollister的一个军工厂，其地下含水层受到多种化合物的污染。其中主要污染物为高氯酸盐－火箭推进剂的主要成分，从健康角度来看它能损坏甲状腺功能；六价铬(铬－6)，它是一种人们公认的致癌物；冷却剂1,1,2—三氯—1,2,2—三氯甲烷，它是一种能损耗大气臭氧层的环境污染物。其含水层主要由粉砂组成，地下水以每天约0.07英尺的速度向西北方向流动。在探索研究中通过25个注入点把600磅的HRC化合物注入污染区。取样网覆盖面积约为1200平方英尺。对其监测79天后发现高氯化物浓度被减弱88％，而六价铬几乎被完全降解。

一个由俄勒冈州环境质检部门管理的清洁区，其地下水中PCE浓度达到10万微克/每升，这表明在该地区存在DNAPLs残留物，在该位置通过5个定向注入点把700磅的HRC－X注入地面，通过水井JEMW－4来监测HRC－X化合物的影响效果，结果清楚地表明HRC－X化合物促进了PCE的降解速度和原位吸附。使用HRC－X化合物处理DNPALs残留物的总费用为2万美元，通过使用直接注入技术把HRC－X化合物注入含水层。无需昂贵的现场设备、相关工作和维修与保养费用。目前,在英国和一些欧洲国家已有很多项目正在使用Regenesis公司的产品，它能有效地促进或加速自然衰减过程。当使用正确时能有效地加速降解速度。

（2）Orica公司澳大利亚Botany地下水处理项目

Orica公司采用抽出处理修复技术建立地下水污水处理厂对地下水进行处理，利用空气吹脱法去除氯代烃类，并用热氧化技术处理尾气；吹脱后的污水采用常规污水处理法进行处理，部分出水采用反渗透技术对出水进行回用。该项目建设期两年，总花费1.67亿美元，每天处理水量为6000m3。该项目于2007年正式运营，其基本流程见下图：

该处理工艺的核心——地下水污水处理厂平面布置图如下图所示：

其工艺流程图如下：

4.2国内地下水修复工程实例

（1）常化厂地块污染场地土壤及地下水修复工程项目

项目建设地点位于常州市天宁区南部中吴大道以南，和平中路以东，大通河以北，龙游河以西，投资总额1亿元人民币，项目总占地面积100公顷，其中需要修复的两个区域是原常化厂厂区和原实验工厂厂区，共需修复土壤面积24600平方米，污染土壤总量13.7万吨，需修复地下水面积71300平方米，共需抽取污染地下水总量为62万立方米。

该项目2009年至2010年上半年开始实地调研，对土地进行分区布点，提取土壤和地下水样本，摸清土地污染程度和范围。在完成科学实验后，制定出相应的治理方案。2010年9月正式启动常化厂污染场地土壤及地下水修复工程，工程实施过程中首先掘地2-6米，把污染区约33万吨的土壤全部移走后，重新以优质的新土填充。其次，抽出60万立方地下水，进行深度处理后，再回灌地下，确保不影响地质结构，2012年底修复工程结束。

（2）广华新城地下水污染治理工程项目

2012年8月6日，五建承建的国家首例地下水污染治理工程——中央国家机关公务员住宅建设服务中心广华新城地下水污染治理工程项目开工。此次地下水污染治理项目是我国尝试性大面积地下水污染治理的先河，工程施工工期为730天，目前尚未完工。

五、地下水与地表水的联合运用

5.1水资源的联合运用

为促进一个流域、地区或灌区的水资源供需平衡，对地表水和地下水进行合理的统一开发利用和管理。在农田灌溉中，联合运用的主要形式是井渠结合。有些地区兴建了大规模的引水、调水工程，与原有的井灌区联成一个系统；而在一些大型自流灌区，由于地表水资源不足，又在灌区进行机井建设。美国加利福尼亚州的中央河谷、巴基斯坦的印度河平原、印度的恒河平原和中国的黄淮海平原，都是大面积地表水和地下水联合运用的地区。

水资源联合运用的优点

①调蓄地表径流。利用含水层的蓄水功能，蓄存丰水时期的多余地表水量，供枯水时期使用。

②改善地下水质。调蓄地表径流水量，对含盐量较高的地下水可以起到稀释作用。巴基斯坦和以色列的一些灌区，曾采用这样的方法减少地下水的含盐量。中国黄淮海平原的黑龙港地区，对浅层矿化地下水也进行过"抽咸换淡"。在荷兰，还把夏天温度较高的水回灌地下，到冬天抽出灌溉对水温要求较高的温室花卉和蔬菜。

③调控地下水位。大型水库和灌区的兴建，增加了对地下水的补给,引起地下水位升高,导致灌溉土地渍涝和次生盐碱化。在这些地区，开采利用地下水可降低地下水位，配合地面排水，进行旱、涝、盐碱综合治理；但地下水超量开采会引起地下水位下降，使水井建设费用和抽水费用增加。长期超采会形成大面积地下水位降落漏斗，招致地面沉陷和滨海地区海水入侵等危害。在这种情况下可引进地表水，以减少地下水开采量，并对地下水进行回灌，以调控地下水位。

5.2水污染物总量联合控制

流域水污染物总量控制作为水资源保护管理的重要途径，正逐渐受到广泛重视。地表水与地下水作为水资源系统的重要组成部分，两者之间相互转化，密切联系，即要实现地表水与地下水污染防治的密切结合，做到统筹规划，统一评价，整体保护。开展地表水与地下水污染物总量联合控制应用研究，对从整体上保护流域水资源和水环境具有重要意义。

广东省环境科学研究院以郑州市为研究对象，从地表水与地下水联合水功能区划分、环境容量核算、污染物总量联合控制、水污染防治对策与措施4个方面入手，把地表水系统与地下水系统联合起来开展水污染物总量控制研究。研究认为：地表水与地下水作为水资源系统的重要组成部分，两者之间相互转化，密切联系，需要统一管理和保护，为保障郑州市水污染物总量控制目标的实现，须采取工程与非工程措施进行有效控制。

参考文献

[1]全国地下水污染防治规划（2011-2022年）

[2]中国地质调查局.中国地下水资源与环境调查报告.2005

[3]范宏喜.我国地下水资源与环境现状综述.水文地质工程地质.2009,(2):I~III

[4]杨梅，费宇红.地下水污染修复技术的研究综述.勘察科技技术.2008,(4):12~16

地下水应用篇2

关键词：GPS-RTK；点校正；RMS；后处理；延迟校正；回放

收稿日期：2009-01-14

作者简介：黄军明（1964―），男，湖北孝感人，工程师，主要从事水利水电工程测量的研究和实践。

中图分类号：P228.1文献标识码：A文章编号：1005-569X(2009)02-0053-05

1GPSRTK的工作原理

1.1RTK技术简介

常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法。它采用了载波相位动态实时差分（Real-timekinematic）方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、大比例尺地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了在外作业的工作效率。

在RTK作业模式下，基准站（也称参考站，其坐标精确已知）实时地将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标等通过无线电传送给运动中的流动站。流动站不仅通过无线电接收机接收基准站发射的信息，同时，也要采集GPS卫星观测数据，并在系统内将载波相位观测值实时进行差分处理，得到基准站和流动站基线向量(X、Y、Z)，基线向量加上基准站坐标得到流动站每个点WGS-84坐标，通过坐标转换得出流动站每个点的三维坐标X、Y、Z。

1.2GPS-RTK测量基本原理

GPS-RTK测量过程一般包括：基准站选择和设置、流动站设置、中断站的设立(必要时)。在基准站设置完成，可启动GPS-RTK，开始测量并通过电台发送数据；接着进行流动站设置；完成以后，

便可以启动GPS-RTK流动站，开始按RTK流动站工作方式进行实时载波相位差分定位。具体计算定位原理如下：

1.2.1观测量

基准站和流动站之间的差分载波相位等随机观测量（一般采用双差分处理载波相位观测量）。

1.2.2未知参数

随机的动态点坐标、非随机的载波相位整周未知数。关键是求解初始相位的整周模糊度。

1.2.3平差原理

使用最小二乘的平差计算方法：

将双差分观测方程按泰勒级数分元展开：

V=A1×X1+A2×X2－f

其中X1=（dx、dy、dz）为基线矢量，X2=（NiJ…）为载波相位的整周模糊度。

按最小二乘原理VTPV=min，可用消元法先消去X1，求出X2模糊度。

若不将模糊度整数化，代入法方程求出X1，此解称为浮点解，其精度为分米级。若将模糊度整数化，代入法方程求出X1，此解称为固定解，精度为厘米级。

设（X0、Y0、Z0）为基准站坐标，则流动站坐标为：

XiYiZiWGS-84=X0Y0Z0WGS-84+dxdydz

1.2.4坐标转换

通过坐标转换参数转换为用户坐标系统下的坐标。

1.2.5精度评定

由于GPS-RTK定位的数据处理过程属于计算基准站和流动站之间基线向量（坐标差）的过程，不存在网平差处理。所以精度评定跟静态测量基线处理的精度评定相似，故一般采用以下指标：

(1)载波相位的整周模糊度是否固定。GPS-RTK测量规范规定流动站与基准站的距离不能超过15km，是因为在15km之内RTK数据处理的载波相位的整周模糊度能得到固定解，这样定位精度才能达到厘米级。

(2)均方根RMS（RootMeanSquare）。RMS在这里表示RTK定位点的观测值精度，它是包括大约70%的定位数据的误差圆的半径。RTK测量中用距离单位(m)表示RMS。

实质RMS表明了观测值的质量，观测值质量越好，RMS越小；反之，观测值质量越差，则RMS越大，它不受观测条件（观测期间卫星分布图形）好坏的影响。

只有点位观测值精度达到需求时，载波相位的整周模糊度才能够得到固定解，坐标精度才能满足精度要求。一般使用平面和高程两种均方根：

平面均方根HRMS表示平面坐标定位精度。

高程均方根VRMS表示高程坐标定位精度。

1.3RTK主要设置

1.3.1基准站电站选择与设置

（1）由于电台信号传播属于直线传播，所以为使基准站和流动站数据传输距离更远，基准站应该选择在地势比较高的测点上，数据传输距离和测站高度关系式为：

传输距离（km）=4.24×（h基(m)+h流(m)）

其中：h基、h流分别是基准站和流动站的GPS天线高度比工作地区地面高出的部分，单位是m，传输距离单位为km。

（2）基准站电站的功率越大越好，常用的功率为10W、25W、35W。

（3）电台频率应该选择本地区无线电使用较少的频率，并且要求使用频率和本地区常用频率差值较大。故而要对本工作地区进行无线电使用频率调查。

（4）根据对本工作地区无线电频率的了解，选择理想的无线电工作频率，流动站与基准站必须使用同一个。基准站电台频率可通过显示面板和计算机进行设置。

1.3.2基准站的系统设置

基准站的设置包括：建立项目和坐标系统管理、基准站电台频率的选择、GPS-RTK工作方式的选择、基准站坐标输入、基准站工作启动等，这些设置都是通过电子手薄来完成。

1.3.3流动站GPS的设置

建立项目和坐标系统管理、完成流动站电台频率的选择和GPS-RTK工作方式的选择，流动站RTK工作启动。特别注意的是：流动站和基准站必须使用同一个频率，否则无法接收来自基准站电台发射的差分定位信号。

以上设置完毕后就可以开始测量。

1.4点校正

在一个新测区，一般是无法了解当地的WGS-84坐标转换为用户使用地方坐标之间的转换参数，为了保证测图精度，故在开始测图前都要作点校正。

1.4.1前提及过程

（1）至少应当有4个控制点的三维已知地方坐标（平面坐标X、Y和高程H）。

（2）手薄中建立的坐标系统为WGS-84坐标系统，无投影、无转换。表示直接求取WGS-84坐标系统到地方坐标系统的所有参数，一般求三参数即可。

（3）根据校正内容可以选择格网坐标中平面坐标或高程坐标或全部。

（4）选择的已知控制点将测区包围起来。

表1是在实际工作中点校正前后所测控制点数据及误差：

表1点校正前后残差

点号点校正前点校正后

水平残差垂直残差水平残差垂直残差

大院子0.2150.2200.0150.018

上孝Ⅰ0.1920.2040.0140.022

新滩南0.2180.2320.0160.019

SK040.2120.2260.0110.012

从表中可以看出，在进行了点校正后，RTK测量精度在厘米级完全能够满足图根控制点的精度要求，但是由于测区属带状地形，呈东西向，点校正后X方向误差大于Y方向误差，这与实际情况吻合。因此，我们在以后的工作中，所选择进行点校正的控制点一定要将整个测区包围起来，以提高RTK测量精度。

1.4.2基本模型

GPS-RTK测量是在WGS-84坐标系中进行的，而各种工程测量和定位是在当地的地方坐标系或旧北京-54坐标系上进行的，这之间存在坐标转换的问题。GPS-RTK是用于实时测量的，要求立即给出当地的坐标，这使得坐标转换工作更显得重要。

坐标转换的必要条件是：至少三个以上的大地点分别有WGS-84坐标和北京-54坐标或当地坐标，利用布尔莎（Bursa）模型解求7个转换参数。布尔莎（Bursa）模型为：

XiYiZiLocal=X0Y0Z0+(1+δμ)XiYiZiWGS-84

+0EZ-EY-EZ0EXEY-EX0XiYiZiWGS-84

式中:X0,Y0,Z0是两个坐标系统的平移参数；EX,EY,EZ是两个坐标系统的旋转参数；δμ是两个坐标系统的尺度比。在计算转换参数时，要注意下列几点：

(1)已知控制点最好选在测区四周及中心，均匀分布。能有效的控制测区。如果选在测区的一端，应计算出满足给定的精度和控制的范围。不可从一端无限制地向另一端外推。

(2)为了提高精度，最好选3个以上的点利用最小二乘法求解转换参数。为了校验转换参数的精确度和正确性，还可以选用几个点不参与计算，而带入公式起校验作用，经过校验满足要求的转换参数是可靠的。

(3)在不考虑7参数中尺度比和旋转参数时，可以现场求定三个平移参数，令δμ=1，EX,EY,EZ均为0即可。其简化公式为：XiYiZiLocal=X0Y0Z0+XiYiZiWGS-84

即仅求出3个平移参数。仍可以满足一定精度要求的转换参数。

2回声测深仪的工作原理

回声测深仪作为水下测量的主要测深工具，它从上世纪20年代问世以来，经过几十年的开发和发展，其测量的深度和精度均已达到水下地形测量的精度要求。

2.1回声测深仪原理

回声测深仪是利用水声换能器垂直向水下发射声波并接收水底回波，根据其回波时间来确定被测点的水深。当测量船在水上航行时，船上的测深仪可测得一条连续的水深线。

测深仪在一定的水温，一定的盐度(在淡水河流内，盐度可视为0)，换能器垂直向水下发射一定频率的声波脉冲，以一定的声速C在水中传播到水底，经水底界面反射或散射返回被接收。测定水底反射波到达时间t就可确定换能器表面至水底的距离Z为：

Z=C×t/2

令水面到换能器表面的深度(换能器的吃水)为D，故而有测量点的水深H为：

H=Z+D

2.2声速

前已述及，声速C对水深测量的极为重要。故而在测求海(淡)水声速时，可用仪器直接测量，或者用经验公式计算。使用声速仪直接测量，可适时地获得当时当地的声速，有利于实施测量自动化，但需要专用仪器和设备。运用经验公式进行计算，首选必须获得影响水中声速的各种因素的数值，然后再运用声速与各因素之间的确切的函数表达式，即经验公式，进行计算。目前应用较多的经验公式为：

C=1449.2+4.6t-0.055t2+0.00029t3+(1.34-0.01)(S-35)+0.168P

式中：t为温度；S为盐度；P为静水压力。

从公式中可知，声速随着水介质的温度、盐度及静水压力增加而增加。不难看出，对声速影响最大的系海(淡)水的温度的变化，盐度其次，静水压力对声速的影响最小。因此，在测量水下地形时，须先对声速进行测定。

2.3声系统的延迟校正

由于数据传输延迟RTK数据链传输的延迟及不同仪器之间协调的时差影响，导致GPS的定位数据和测深仪的测深数据有时间差dt，在运动测船上测量时，就会产生水深移位，具体表现为大比例尺（如1∶500）水深图出现等深线锯齿状。加入dt改正后可以消除这一现象。

延迟差dt可以采用经验数据（0.2～0.5s），最好实测得到，测定方法如下：

（1）选一河底坡度较大的区域。

（2）垂直与等深线方向，以相同的船速V（m/s），往返进行测量，测4～10条线。

（3）将测得的线经后处理成图，并生成等深线。

（4）量取等深线的平均扭曲摆度为Sm。

（5）则延迟改正量为SV-1/2。注意，位置滞后水深取正值，位置超前水深取负值。

3RTK技术在水下地形测量中的实际应用

在进行水下地形测量时，传统的施测方法如前方交会法、全站仪极坐标法等作业效率低下，而且精度低，测量和定标很难同步，RTK技术的出现为高效测量水下地形提供了一个新的方向。真正实现外业数据采集、内业数据处理及成图自动化。

3.1仪器配置

Trimble5700双频GPS两台套，其动态平面定位精度为10mm±2ppm，高程定位精度为20mm±2ppm；25W数传电台一套；HD―17型数字测深仪一台，如图1其测深精度±2cm+1‰•H；笔记本电脑一台；

测船一艘。作业时连接方式如图2。

图1HD-17数字探测仪

图2水下地形测量示意

3.2基本工作方式

岸上控制点设置基准站，测船上设置流动站。GPS天线固定在测深杆上，保持GPS相位中心与测深仪水下换能器中心位置一致，通过RS-232接口与GPS接收机连接，以获取定标数据。再通过专用的高频探头接口连接水下的换能器，以获得所测水深数据。

3.3外业数据采集

进行水下地形测量前，在控制点XT01启动基准站。在流动站上开始测量，先打开HD―17测深仪专用测深软件（广州中海达测深软件）进行测深，可先只测深，不记录；然后再打开配套导航软件（广州中海达Haida海洋测量软件4.3）设置好航线名与起始点号，并在流动站初始化完成，RTK有固定解之后，根据显示屏上所显示的实时航迹将测船行驶到要施测航线上。这时先开始记录测深，再开始记录定标平面位置和水深同步采集。根据计算机屏幕上显示的实时航迹与事先设计好的测线进行比较，指挥测船行驶在断面上。

3.4使用软件及内业数据处理

导航软件的主要功能是在预设测区内实时显示测船航行状况，保证测船沿预定测线行驶，并将点号、定标位置、水深数据、时间等野外实测数据，以电子文件的形式存贮在计算机的存贮器上。

成图软件（清华三维EPSW软件）将外业采集的数据导入，在经过数据检查、展点、建立数字模型、生成等值线、图面整理及精度检查后，就形成了资用成果水下地形图。

3.5水下地形测量精度估算分析

利用RTK进行水下地形测量误差来源主要有平面定位误差和水深测量误差。

GPS-RTK平面定位误差决定于卫星钟差、卫星轨道误差、电离层效应误差、对流层效应误差等。并与基准站和流动站之间的距离有关。距离越大，卫星轨道误差、大气延迟误差等显著增加。本次RTK定位作用距离均在1～3km以内。假定HDOP=2.5m，那么其卫星钟差m1=0.05m，卫星轨道误差m2≤0.08m，电离层效应误差m3≤0.23m，对流层效应误差m4≤0.28m，接收机噪声误差m5≤0.19m，RMS误差m6≤0.42m。流动站单点定位误差m7≤0.02m，流动站测船姿态摇摆误差m8≤0.14m，平面位置定位精度：

M=m21+m22+m23+m24+m25+m26+m27+m28=

0.052+0.082+0.232+0.282+0.192+0.422+0.022+0.142

=±0.61m

由于水下地形测量是在水上进行流动作业的，因此，水下地形测量平面位置误差还应该包括水深测量系统延迟误差。由于这些误差的影响，水下地形测量实际误差应在±1m范围内，而本次水下地形测量平面位置精度要求为图上±1mm，因此满足要求。

水深测量误差一般包括深度误差、换能器静吃水误差、江底质地误差、江底地貌起伏误差、船舶动吃水误差、读数误差等。

本次测量中采用数字模拟两用测深仪，换能器静吃水深度的测量与调整不可能完全与实际吃水深度完全吻合。故认为静吃水深度的误差M静吃水=±0.02m；由于江底土质相对较硬，对声波吸收与反射，从而对测量产生影响。因此我们按经验取M质=±0.08m。由于江底较平坦时对换能器发射角影响很小。故，所测深度与实际深度误差不大，我们把此项误差定义为M倾=±0.12m；在测量过程中由于测量船受风浪、航速等因素影响而引起测量船动吃水误差，在测量船姿态摇摆±4°以内，此项误差M动吃水=±0.14m；由于水深记录由仪器自动测记，故读数误差不予考虑，但顾及到人工检波读数，而认为M读=±0.1m；水深深度误差取决于设计声速，在实际工作中，水深误差为M水深=±0.22m，此外由于温度变化等其他因素，认为M其它=±0.15m，因此可计算出水深测验量中误差。

M=±m2静+m2质+m2倾+m2动+m2读+m2深+m2其它

M=±0.022+0.082+0.122+0.142+0.12+0.222+0.152

=±0.35m

以上水深测量精度只是分析结果，在实际水下地形测量过程中通过人工测深比较，精度要远远高出上述结果。

为了检查水深测量的精度，在工程最后要进行检查测量。通过检查测量的水深数据和平面定标数据，同已生成的方格网状水深地形图上的数据进行比较，计算水深点的深度比互补差及水下地形点的高程中误差等。

4结论

目前，国内GPS-RTK技术广泛应用于陆地测量、水下地形测量，RTK技术除了具有GPS全天候、不受通视条件限制等优越性外，与传统水下地形定位测量方法相比，还具有以下优点：

（1）精度高。GPS-RTK平面定位精度可达厘米级，测深仪标称精度为±2cm+1‰×H。

（2）工作效率高。传统定位测量方法，一个外业组需要几个人配合一起才能完成作业。而GPS-RTK+数字测深仪模式，只须两人就可完成工作。一个人在水上流动站进行水深测量，另一个人在陆上流动站同时进行水边测量，可加快整个工程的进度，缩短工作周期。

（3）同步观测。定标与测深可以同时进行，几乎没有时间延迟，采用一步法成图，减少了误差的累积。

（4）实时定位。专用海洋测量软件预置设计航线，野外作业时，可在屏幕上显示实时定位信息，可准确指导航行，在补测地形与施工放样中优点尤其突出。

（5）适用性强。只要水域上空较开阔，卫星信号遮挡少的地方，就可全天候作业，极大发挥了RTK的效能。

（6）出图时间短。GPS-RTK+测深仪模式，适应数字化成图的需要，外业工作短，并且缩短了成图周期，因而具有较好的经济效益和社会效益。

（7）劳动强度低。较之传统测量方法劳动强度大为降低。

参考文献：

［1］徐绍铨,张华海,杨志强等.GPS测量原理及应用［M］.武汉：武汉大学出版社，2002.

［2］魏二虎,黄劲松.GPS测量操作与数据处理［M］.武汉：武汉大学出版社，2004.

地下水应用篇3

关键词：高地下水位基坑管井降水

中图分类号：TV551.4文献标识码：A文章编号：

1、工程概况

青荣城际铁路双林前特大桥位于胶东半岛,地貌主要为冲洪积平原、剥蚀平原、滨海平原、丘陵低山区等。桥址区表覆第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）粉质粘土、粉、细、中、粗砂，下伏基岩为晚元古代晋宁期片麻状含斑二长花岗岩（ηγ23）。地下水类型主要为第四系孔隙潜水，一般不具承压性，砂层为主要含水层，受大气降水补给。地下水位埋深0.6～6m，水位季节性变幅1.0～3.0m。

本桥共有22个承台，承台开挖深度3.5～4.0m。本桥地下水位较高、水量较大，承台开挖流砂现象严重开挖难度大，需采取井点降水等辅助施工措施。

2、降水方案选择

人工降低地下水，常用的方法有轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点等。根据本桥段土层性质、渗透系数、工程特点等，对各种方法进行综合对比分析后确定选用管井降水的方案。

管井井点适用于渗透系数大的砂砾层，地下水丰富的地层，以及轻型井点不易解决的场合。每口管井出水流量可达到到50m3/h～100m3/h，土的渗透系数在20m/d～200m/d范围内。降低地下水位深度约3.0～5.0m。这种方法一般用于潜水层降水。

3、管井降水设计

以双林前特大桥12#承台为例，承台尺寸10.4×4.8×2.2m，承台底埋深3.0m，现场试挖地下水埋深0.6m。根据地质资料显示自上而下依次为：①细砂厚3.0m；②粉质粘土厚2.0m；③细砂厚6.6m；④片麻状花岗岩。

（1）降水井深度H：

H≥H1+h+iL+L1+L2

式中：H――管井的埋置深度,m;

H1――井点管埋设面距至坑底面距离，取H1=3.0m;

h――基坑中央最深挖掘面至降水曲线最高点的安全距离，h=0.5m;

L――井点管中心至基坑中心的短边距离，取6.2m;

i――降水曲线坡度，取0.1；

L1――滤管有效长度，取1.0m；

L2――井托高度，取0.2m；

计算得出：H=5.32m，取6.0m。

（2）基坑涌水量计算

式中：K――土的渗透系数（m/d），根据附近工地经验K=8m/d；

H――含水层厚度（m）取11m；

S――基坑中心水位降低值（m），取3.4m；

R――抽水影响半径（m），=63.8m；

r0――基坑等效半径（m），=5.0m。

计算得到基坑涌水量Q=607.0m³。

（3）降水井点数量

n=1.1Q/q

式中：（m³/d），其中为虑管半径取0.16m；

计算井点管最大出水量q=120.6m³/d，n=5.1，根据实际情况布设6眼。

4）降水平面布置

抽水管井位于基坑东西两侧，每侧布置3根，井间距4.0m。

5）根据以上计算，双林前特大桥10#承台基坑管井降水设计如下：

①井深：6.0m；

②井径：600mm；

③井数：6眼；

④井管：Ф320mmPVC管，井壁管每40cm设置一道过滤孔；

⑤滤料：砾料(米石)；

⑥水泵：采用扬程＞10m，3″潜水泵抽水，水泵下入深度为5m。

4、管井降水施工方案

管井降水工序流程：确定井位钻机安装就位钻进成孔清孔换浆安装井管充填滤料下入水泵抽排降水。

（1）测放井位。根据井位平面布置示意图测放井位，当布设的井点受地面障碍物或施工条件的影响时，现场可作适当调整。

（2）埋设护口管。护口管底口应插入原状土层中，管外应用粘性土和草辫子填实封严，防止施工时管外返浆，护口管上部应高出地面0.5m。

（3）安装钻机。根据双林前特大桥地质状况采用循环钻机成孔。机台安装稳固水平，对准孔中心。

（4）钻进成孔。降水井开孔孔径经反复计算确定，一径到底。钻进开孔时钻机慢转，以保证开孔钻进的垂直度，成孔施工采用泥浆护壁，当提升钻具或停工时，孔内必须压满泥浆，防止孔壁坍塌。

（5）清孔换浆。钻孔钻进至设计标高后，在提钻前将钻杆提至离孔底0.5m，进行冲孔清除孔内杂物，同时调整孔内的泥浆密度，孔底沉淤小于30cm，返出的泥浆内不含泥块为止。

（6）下井管。下管前必须测量孔深，孔深符合设计要求后，开始下井管，下管时在滤水管上下两端各设一套直径小于孔径5cm的扶正器(找正器)，以保证滤水管能居中，下到设计深度后，井口固定居中。

（7）填砾料。填砾料前在井管内下入钻杆至离孔底0.3m～0.5m，井管上口加闷头密封后，按设计要求填入砾料，并随填随测填砾料的高度，直至砾料下入预定位置为止。

（8）安泵试抽。在降水井内及时下入潜水泵试抽水。

（9）降水井运行排水系统。从降水井抽出来的水由分管汇集到主管到达沉淀池，经沉淀后再排放。

（10）设置坑外水位观测井。根据设计要求及现场需要，环绕基坑设置坑外水位观测井。水位观测井施工工艺同降水井。

5、管井降水实施效果

对双林前特大桥12#～14#承台基坑采用管井降水试验，连续抽水3天后进行基坑开挖，开挖出的土体基本处于干燥状态，说明管井降水对本地区砂土类基坑疏干的效果较好，且滤水管采用了耐压PVC管，可重复利用，降低了成本。

管井降水措施适合本工程沿海高地下水位砂土地层基坑的开挖。该方案操作简单，对设备、场地等要求较低，施工安全、简便、可靠。在施工过程中针对每个基坑进行验算并结合实际情况，对管井数量、布置方式、计算参数取值等进行不断完善修正，目前通过此方法已完成了20个类似基坑施工，取得了良好效果。

6、结束语

高地下水位的基坑降水工程设计，根据土层的渗透系数，要求降水的深度和工程特点，经过技术、经济和可行性等比较后并结合一定的施工经验确定。降水实践中要采用信息化施工，通过试验验证降水效果，以便进一步优化降水设计的施工方案。

参考文献：

地下水应用篇4

关键词：地下水；钻探工艺；西部水资源

中图分类号：TU238文献标识码：A随着社会的飞速发展，地表水污染问题也日益突出，目前世界上大部分国家都利用地下水作为主要的饮水提供，以美国为例，其地下水如果全部取出，可以覆盖美国全部国土的100英尺左右的厚度，我国目前江水湖水也污染严重，必须加强对地下水的钻探和提取工作。

一、地下水钻探工艺的钻进技术

（一）取心钻进技术及应用

取心钻进技术主要包括两种：一种是利用硬质合金进行钻进，它的钻头主要是LL型钻头和JL型钻头，主要适用于砂类岩层和第四系粘土的钻进；另一种是钢粒钻进技术，它的钻头主要是钢粒钻头，最好为肋骨式钢粒钻头，它的应用原理是用钢粒钻头来压住钢粒，利用钻具的压力，将钢粒滚动于岩石表面，进而碾压破碎岩石，它主要适用于硬岩石地层和卵石地层的钻进。

（二）扩孔钻进技术及应用

扩孔钻进技术所运用的钻头主要有两种：

第一种是翼片式扩孔钻头，具体包括六翼螺旋扩孔钻头和六翼扩孔钻头两种，这种钻头主要适用于姜石、卵砾石地层或者粘土、粘土夹砂砾地层的钻入。

第二种是扩孔牙轮钻头，它的钻头类型主要分为两种，即Cy―1型阻焊式牙轮扩孔钻头和Cy―12型阻焊式牙轮扩孔钻头，这种钻头主要适用于卵砾石地层和岩层的扩孔。

（三）大口径且径成孔钻进技术及应用

这种大口径且径成孔钻进技术，一般适用于不取心钻孔，也是分为两种钻头，一种是鱼尾式或者三翼刮刀式钻头，主要适用于第四系松散颗粒地层的钻进；另一种是大口径钢粒钻头或者三牙轮钻头，主要适用于基岩和漂、卵石地层的钻进。

（四）反循环钻进技术及其应用

反循环钻进技术一般是将反循环冲洗液通过钻杆内，由于其速度可以快至大约三米每秒，因此携带岩心和岩样的能力非常强，从而完成连续地取心和取样钻进。具体包括三种方式：

1.泵吸式反循环钻进

泵吸式反循环钻进主要利用的是砂石泵的抽汲力，产生大约0.6～0.7的大气压力的负压，进而形成反循环。这种方式一般适用于第四系松散地层的钻进，并且钻孔深度越深，钻进的效率也越来越低，100m～120m为最佳深度。

2.地面喷射式反循环钻进

地面喷射式反循环钻进主要利用泵，把冲洗液注进喷射器，产生大约0.8～0.9的大气压力的负压，进而形成反循环，这种技术可以配合气举反循环钻进进行使用。

3.气举式反循环钻进

气举式反循环钻进是将压缩空气和在钻杆内的冲洗液相混合，并形成比重较低的气水混合物，使气举和钻杆内形成一定的外压差，进而形成反循环。气举反循环属于较好的连续取心或取样方法之一，它的用钻杆一般为同心式双臂钻杆，内管是承插密封连接，外管是用丝扣连接。

（五）空气钻进技术及其应用

空气钻进技术是用压缩空气来对钻头进行冷却，并排除岩粉，一般这种方式应用于因为常年缺水或者冷冻而造成的钻孔严重漏失地层等条件。空气钻进技术分为两种方式，一种是正循环空气钻进，另一种是水井钻进。

二、地下水钻探技术的钻孔结构

（一）关于水文地质的勘探钻孔

关于水文地质的勘探钻孔，通常分为两种情形区别对待：一种是面对第四系地层，其滤水管的直径应当大于等于108mm；另一种是面对下部是基岩，上部是第四系覆盖层的情形，应当进行岩溶水或者基岩裂隙的抽水试验，滤水管应当大于等于108mm。

（二）关于探采结合的钻孔

探采结合的钻孔，一般上部井管的直径要比深井泵的直径大一到两级，下部的滤水管直径应当大于等于146mm。

（三）关于水井钻孔

水井钻孔一般采用一径或者两径成井的方式，下入一道管柱。

三、地下水钻探技术在西部地下水钻探方面的应用实践

（一）西部水资源现状

西部地区目前是我国最缺水的地区之一，一方面因为降雨量太少，另一方面也是因为沙漠和隔壁的地形，以及高山峻岭密布，使得河流湍急，地表水流入大海速度过快而成为地下水。正是因为西部多土少水，不但影响了居民的生活水平，还不利于资源开发和城市建设，这也是导致西部贫困县较多的重要原因，更是直接影响了西部大开发战略的实施。

（二）西部地下水资源类型

1.黄土层地下水

黄土层地下水是属于黄土地区的地下水，主要分布在黄河中游，一般而言，黄土中都夹着25m左右厚度的隔水层，所以，降水渗入到孔洞、裂隙以及孔隙中形成了黄土层地下水。黄土层地下水通常埋藏很深，并且其形成与分布都受到地貌的控制，差异比较大，很难开采钻取。

2.第四系松散层孔隙水

第四系松散层孔隙水一般存在于某些山谷低洼地、古河床、傍河台阶地或者盆地的卵砾层或者砂质土层，例如新疆罗布泊地区的孔隙水。

3.裂隙水

裂隙水一般存在于基岩孔隙，很多的沟谷、基岩断层或者破解地的破碎带，秦岭北坡的黄冈岩裂隙水就是典型的裂隙水。

4.碳酸盐地区的岩溶水

西部地区的四川、云南、以及贵州等地区都分布着很多的碳酸岩，厚达八千余米，并且除了在外的岩溶，还存在很多埋深较大的隐伏岩溶，因此，钻探岩溶水是解决西部水资源缺乏的重要措施。

（三）西部地区地下水钻探适用技术

正如上文所述，西部地区的地下水资源包括黄土层地下水、第四系孔隙水、基岩孔隙水和岩溶水等，加之西部地区气候比较干旱，地表缺水且交通困难，并且每个地区的含水层深浅不一，总而言之，针对这种特殊情况，可选择供用的地下水钻探技术如下：

1.冲击和冲击反循环钻进技术

这种冲击和冲击反循环的钻进技术，主要适用于井深小于200m的含卵砾层的第四系地层，不但成本较低，而且效果很好，因此在发达国家也没有完全被淘汰。只要运用合适的稳定液，利用冲击或者冲击反循环钻进技术，都可以解决大直径井孔的施工问题。

2.空气潜孔锤钻进技术

空气潜孔锤钻进技术是在水文水井方面应用最为广泛的工艺，在干旱地区的打基岩井的效率很高，并且可以运用跟套管钻进法来解决卵砾第四系地层的钻进问题。

3.空气泡沫钻进技术

空气泡沫钻进技术是以空气泡沫当作循环的介质，并通过回旋钻进或者潜孔锤钻进的方法进行钻探。根据空压机性能参数，可以决定其钻井深度。同时，空气泡沫的循环无损于含水层，也可以节省洗井的时间。

4.双壁钻杆反循环钻进技术

针对广西岩溶地区，这种地区往往是上部有漏水现象，且无法堵漏，而下部又含水，最好的方法是采用双壁钻杆反循环钻进技术，并且按照地形的不同，选择空气泡沫或者液体作为循环介质，还可以采用CSR中心取样工艺。

结语

可持续发展战略的重要一环就是解决环境和发展的问题，水资源短缺是目前我国面对的最为棘手的问题之一，不仅需要做到节水，还应当充分利用好地下水，这也是我们研究地下水钻探技术的重要原因，我们必须进一步培养专门人才，强化钻探技术，以尽快赶上世界一流水平。

参考文献

[1]冉恒谦，张金昌，谢文卫，张永勤，宋志彬，向军文，刘凡柏，冯起赠，鄢泰宁，贾美玲，陶士先，胡继良.地质钻探技术与应用研究[J].地质学报，2011（11）：1806-1822.

地下水应用篇5

关键词：深井泵节能效果变频范围供水量耗电量

1前言

近几年来，变频调速技术以其显著的节能效果和可靠的控制方式在空调系统中水泵和风机应用较多，并且其技术也比较成熟，但在地下水源热泵空调系统中深井泵供水应用，目前还很少见，但是却相当有必要。对沈阳地区的地下水源热泵应用试点调查发现，在地下水源热泵空调系统中，当热泵容量不大一台深井泵的供水量能满足两台或更多热泵机组所需的水量。在实际运行中发现，热泵机组大部分时间部分负荷运行，而深井泵一直在满负荷状态运行，结果造成了电费及水费的大量增加。因此深井泵变频调速供水技术在地下水源热泵系统中的应用具有很大的节能潜力。

2工程概况

本文的分析以实际工程冬季运行为研究对象，工程概况如下：

某高校新校区办公楼层数五层，建筑面积11030m2，夏季空调设计冷负荷为894kw，冬季空调设计热负荷为1012kw。办公楼冷热源采用两台地下水源热泵机组，制热工况：制热量515kw，输入功率136.02kw，冷水流量65m3/h，热水量88.6m3/h，一台抽水泵抽水量160m3/h，功率37kw。冬季运行时间：11月份~3月份，每天24小时运行。

3深井泵变频调速供水控制方法

深井泵采用温差控制法。由于热泵机组在制热工况下，必须保证蒸发器出水温度不能过低，所以在深井泵回水管道上设温度传感器，设定温度为tjh。井水源侧回水温度大于tjh值时，深井泵控制器向变频器发出降低电流频率信号，变频器将输入电源的频率降低，深井泵的转数相应降低，水泵供水量、轴功率和电动机输入功率也随之降低，从而达到了节能的目的。当水源侧回水温度低于tjh值时，增频调节。

4水泵变速调节原理

改变水泵的转速，可以改变水泵的性能，从而达到调节工况点的目的。根据相似定律，对于同一台水泵以不同转速运行时，水泵的流量、扬程、轴功率与转速的关系，可用下式表示：

Q/Qe=n/ne(1)

H/He=(n/ne)2(2)

P/Pe=(n/ne)3(3)

式中：ne——水泵额定转速，r/min；n——实际运行工况下的转速，r/min；

Qe——水泵额定转速时的流量，m3/h；Q——实际运行工况下的流量，m3/h；

He——水泵额定转速时的扬程，m；H——实际运行工况下的扬程，m；

Pe——水泵额定转速时的功率，kw；P——实际运行工况下的功率，kw。

由（1）式和（2）式，可得

H1/Q12=H2/Q22=k(4)

即H=kQ2(5)

(5)式是以坐标原点为顶点的二次抛物线，线上各点具有相似工况，由相似定律知，当水泵前后的转速变化的时候，水泵效率不变，故相似工况抛物线也称等效率曲线。因此从节能角度考虑，通常采用改变水泵转速的方法来改变水泵的工况点，尽量使其在高效率范围内工作。

5水泵变频范围的确定

当热泵机组负荷变化时，深井泵的供水量也随之变化。深井泵的供水量在（Qmin～Qe）之间，即深井泵的变频范围（nmin～ne），如图1所示。

热泵机组所需的最小流量为40m3/h（设备要求），即为深井泵的最小供水量，则深井泵的最小转速：得：

nmin=Qmin/Qe×ne=40/160×2900=725转/分

冬季制热工况深井泵的变频范围：725转/分～2900转/分。

6不同频率下深井泵供水量和耗电量

深井泵变频供水设备采用HT微机控制变频调速给水设备，其中变频器型号为（VFD-F，45KW/60HP，460HP，3phase）。深井泵变频后，在不同频率下，深井泵供水量和耗电量实测结果如图2、图3所示：

图2不同频率下深井泵供水量情况图3不同频率下深井泵耗电量情况

分析图2、图3，可以得出：当电源输入的频率下降时，深井泵的供水量和耗电量也随着逐渐降低。当频率45hz下降到30hz时，深井泵供水量由122m3/h下降到54m3/h，与额定转速时的供水量相比分别下降了23.75%、66.25%。而输入功率由26.2kw下降到8.9kw，与额定转速时的输入功率相比分别下降了29.1%、75.9%。由此可见，节能效果相当明显。但是当频率下降到20hz时，虽然深井泵仍在运行，由于扬程不够，供水量接近等于零。

7深井泵变频运行实测及节能效果分析

7.1深井泵日运行情况实测和分析

下面对12月20日的深井泵变频运行的供水量和耗电量进行测试如图4、图5所示：

图412月20日深井泵供水量情况图512月20日深井泵耗电量情况

由图4、图5，可见：该天，热泵机组大部分的时间都是在部分负荷运行，而且运行最高负荷不超过机组最大负荷50%（即一台热泵机组额定负荷100%），负荷为额定负荷37.5%的运行时间占了55%。深井泵采用变频后，此工况深井泵的流量由原来的160m3/h下降到52m3/h，减少了67.5%的供水量；耗电量由37kwh下降到8.8kwh，节省了76.2%。节能效果显著。

7.2整个供暖期深井泵运行工况实测和节能效果分析

通过整个冬季供暖期深井泵实际运行工况跟踪测量，将深井泵不变频和变频日供水量和日耗电量变化如图6、图7所示：

图6冬季供暖期深井泵日供水量情况图7冬季供暖期深井泵日耗电量情况

由图6、图7，可以得出：深井泵在十一月、十二月、一月、二月、三月与不变频相比分别节省供水量82222m3、80924m3、78942m3、77440m3、84841m3。整个冬季供暖期深井泵采用变频技术后，总共节省供水量404369m3。同样，深井泵采用变频技术后，耗电量在十一月、十二月、一月、二月、三月与不变频相比分别节省21136.8kwh、21284.5kwh、20813kwh、20155.4kwh、21858.2kwh。整个冬季供暖期深井泵采用变频后，总共节省耗电量105247.9kwh。

8深井泵变频供水方式经济性分析

根据整个冬季供暖运行实测，深井泵采用变频后，总共节省耗电量105247.9kwh，节省供水量为404369m3。

采用变频后每年节约资金：

Cs=W×Yw+E×Ye

式中：W——年节约供水量，m3；E——年节约耗电量，kwh；

Ye——电价,（元/kwh）；Yw——地下水水价,(元/m3)；

Cb=105247.9×0.635+404369×0.25=16.79（万元）

该工程变频设备及其他附属电控设备总共约10万元，深井泵变频设备增加的投资在一个冬季供暖期就完全得到了回收。

9结论

在地下水源热泵空调系统中，根据热泵机组运行负荷情况，深井泵采用变频调速供水技术，可有效地减少耗电量和供水量，明显地节省运行费用，带来显著的经济效益。

参考文献

（1）徐剑波，周亚素.空调冷却水系统节能运行分析.中国纺织大学学报，1998（6）：54～58

（2）龚世缨，董亚晖.水泵调速节能的正确计算方法.冶金能源，1998（1）：25～28

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（4）赵永成，许立.水泵变频调速节能分析.大连铁道学院学报，1995（6）：84～87

（5）文成功.关于循环水泵变频调速投资回收年限问题.暖通空调，2001（2）：23～24

（6）何雪冰.风机、水泵变频调速及示范工程节能分析.区域供热.1999（2）：25～30

（7）戴芳文.变频调速在水厂中的应用.湖南水利.1998（2）：49～52

（8）吴自凯，余承烈.水泵调速应用的注意事项.工业用水与废水，2002（5）：45～48

（9）刘毅，张泉.空调变流量系统的分析与探讨.应用技术研究，2002（5）：9～11

地下水应用篇6

关键词:BAC防水卷材,双面自粘,湿铺法,地下室筏板

中图分类号：TU57文献标识码：A

目前我国城镇化建设的迅速发展,设计有地下室的建筑大量涌现。地下室防水既关系到人们居住和使用的环境、卫生条件,也直接影响着建筑物的使用寿命。因此做好地下室防水工作就显得尤为重要。

一、工程概况

某市办公楼位于古城西路东侧，地下一层地上六层；基础底板及地下室外墙防水均为BAC自粘聚合物改性沥青防水卷材,附加层采用4厚的BAC自粘防水卷材。根据设计图纸，该地下室基础为整体筏板基础，工程防水等级为一级,地下室结构防水以钢筋混凝土结构自防水为主,柔性防水为辅。

二、施工准备

1．技术准备

（1）防水施工人员必须持证上岗，由工长对班组作好技术交底，掌握底板和外墙热熔BAC改性沥青防水卷材的施工工艺和注意事项，了解所用防水材料的性能和技术指标；对施工人员进行安全、技术交底，并具有可操作性、可实施性。

（2）认真做好防水材料进场验收检验工作，进场防水卷材检验方法分以下几个方面：

防水卷材同一品牌、牌号和规格，抽取数量：大于1000卷抽5卷，每500―1000卷抽4卷，100―499卷抽3卷，100卷以下抽2卷，进行规格尺寸和外观质量检验合格的卷材中，任取一卷作物理性能检查。

BAC卷材物理性能检验拉伸性能、耐热度、低温柔度和不透水性四个项目。

抽取试验样品时将试样卷材切除距外层卷头2500mm后，顺纵向切取800mm的全幅卷材试样2块。一块作物理性能检验用，另一块备用。

（3）掌握外墙阴阳角、管道口和外墙防水收头等特殊部位的防水做法。

（4）作好防水施工的技术资料和施工过程中的检验记录，并及时收集和整理上述技术资料，以保证技术资料的及时、完整。

2．施工准备

⑴防水基层无空鼓、无起砂、裂缝、松动、凸凹不平等缺陷，平整度用2米直尺检查，直尺与基层间隙不应超过5mm空隙。

⑵防水基层表面必须干燥、干净，用卷材贴在基层上静置3-4小时，掀开检查覆盖部位，只要防水卷材上未见水印即可。

3、材料准备

⑴水泥:P.O42.5普通硅酸盐水泥。⑵砂:宜用中砂,不含杂质,含泥量应小于1%,硫化物和硫酸盐含量不大于1%,使用前过3mm~5mm孔径的筛子。⑶水:生活用水。⑷4厚BAC双面自粘防水卷材规格质量、技术性能应符合设计要求及有关现行国家标准的规定,并有产品出厂合格证、说明书、试验报告,并经监理现场抽样复验合格。⑸108胶水:工业胶,用于修补基层。

三、地下室底板自上而下的具体做法

⑴自防水钢筋混凝土筏板;⑵4厚BAC双面自粘防水卷材;⑶100厚C15混凝土垫层(随捣随抹光);⑷天然地基。

四、地下室筏板防水施工工艺

4.1工艺流程

基层清理、施工附加层、铺设防水卷材、特殊部位密封处理、清理、检查、修整、隐蔽验收。

4.2操作要点

1)基层清理。先将基层表面的尘土、砂粒、砂浆、硬块等杂物清扫干净,并用干净的湿布揩拭一次。基层表面的凸出物、砂浆疙瘩等应铲除、清理掉,保证基层表面平整、坚实、清洁,并应充分湿润、无明水。

2)抹水泥砂浆或素水泥浆。采用水泥砂浆时,其厚度一般为10mm~20mm(视基层情况而定);采用素水泥浆时,其厚度一般为1mm~5mm(水泥浆厚度以不透底为准),铺抹时应注意压实、抹平。在阴角处,应以水泥砂浆分层抹成半径为50mm的圆角。

3）铺贴附加层。管根、阴阳角部位加铺一层卷材(宽为250mm),按规范及设计要求将卷材裁成相应的形状进行铺贴。

4）铺贴粘必定BAC双面自粘防水卷材。将粘必定BAC双面自粘防水卷材按铺贴长度进行裁剪并卷好备用,操作时将已卷好的卷材,用30的管穿入卷心,卷材端头对齐开始铺的起点,先揭掉BAC双面自粘防水卷材下表面的隔离膜,将BAC双面自粘防水卷材平铺在现抹的水泥(砂)浆上,卷材与相邻卷材之间为平行对接或搭接。用木抹子或橡胶板拍打卷材上表面,要求用力均匀、不空鼓,使卷材与水泥(砂)浆紧密粘结,铺设压边宽度应掌握好,满贴法铺设时长、短边的搭接长度和宽度均为100mm。各细部构造节点处在大面卷材铺贴完毕后,按规范要求进行处理。

五、质量标准及要求

1、所选用的BAC改性沥青防水卷材及主要辅助材料的各项技术性能指标必须符合设计及规范的要求。

BAC改性沥青防水卷材物理性能

项目性能要求

Ⅰ类

拉伸性能拉力450N

耐热度（702C，2h）不流淌，无集中性气泡

柔性（-20C）饶规定直径圆棒无裂纹

不透水性压力0.3Mpa不透水

保持时间120min

2、BAC改性沥青防水卷材应有现场取样进行复核验证的质量检测报告或其他有关材料质量证明文件。

3、防水卷材铺贴方向和搭接顺序、搭接宽度、粘结方法均要符合规定。

4、卷材与卷材的搭接接缝必须粘结牢固，封闭严密。不允许有皱折、孔洞、翘边、脱层、滑移等影响渗漏水的外观缺陷存在。

5、附加层位置、长度等处理符合构造要求。

六、防水卷材施工注意事项

6.1开工前应认真审核施工图

⑴按图施工是施工单位在工程建设过程中必须遵循的原则。凡是图纸上已经明确标注的,就应按图施工。图纸会审阶段应审查出施工图中存在的问题及不便于施工之处,以便设计人员及时给予妥善地解决,将图纸中的质量隐患消灭在工程开工之前,避免或减少在施工过程中因施工图问题而影响工程质量和施工进度。⑵如图纸有不明确或遗漏的,则应要求设计单位标注清楚或及时补充。

6.2事先编制施工方案

防水工程在施工前必须编制专项施工方案。方案中应包括以下内容:防水的具体部位、防水材料、施工工艺、操作要点、质量标准。防水专项施工方案编好后,应履行必要的审批、签字手续。施工单位应按批准的专项施工方案施工。

6.3防水卷材施工常见的缺陷分析

⑴鼓泡:基层不干燥,卷材在存放时受潮而潮湿;空气排除不彻底,卷材未粘贴牢固。⑵翘边:铺BAC防水卷材时抹压不均匀,部分BAC防水卷材表面未与水泥浆粘结在一起所致。⑶渗漏:发生在管道穿透层、地漏、伸缩缝和卷材搭接处等部位,原因是a.伸缩缝施工时未断开,导致防水层撕裂;b.其他部位由于粘结不牢、卷材松动或衬垫材料不严、有空隙等;c.接槎处漏水原因是粘结不牢、松动或基层清理不干净,卷材搭接长度不够。:护用品。

七、防水卷材施工成品保护

防水卷材工程质量和完工后的成品保护密切相关。为此必须采取有针对性的措施,防止将已完工的防水层破坏成为渗漏的隐患。已铺贴好的卷材防水层,应及时采取保护措施,操作人员不得穿带钉鞋在底板上作业。穿过地面、墙面等处的管道根部,地漏不得破损、变位。防水层施工完并经验收合格后,应及时做好保护层。

八、结语

地下室筏板防水是一门综合性、实用性很强的工程技术,要求高、难度大。要提高防水工程的质量,应以材料为基础,以设计为前提,以施工为关键,并加强维护。通过实施BAC防水卷材专项施工方案,解决了卷材与基层容易空鼓，粘接不牢固等质量通病，不采用明火施工，提高了工程速度，保证了工程质量。工程使用一年来地下室防水无一处渗漏，防水效果良好。监理和业主非常满意。

参考文献: