专利名称：上覆地层有咸水赋存地区的相邻深层地下淡水的开采方法
技术领域：
本发明涉及一种深层地下淡水的开采方法。
背景技术：
在上覆地层中有咸水赋存的地区，由于淡水资源严重短缺，长期超采深层地下淡水，发生绝大多数淡水含水组水位大幅下降及地面沉降，部分地段还有可能发生地下淡水咸化污染问题，上述环境地质灾害是目前亟待解决的问题。
发明内容本发明的目的是解决现有技术中存在的不足，提供一种能防止地面沉降及防止深层淡水咸化污染的深层淡水开采方法，即上覆地层有咸水赋存地区的相邻深层地下淡水的开采方法。
本发明的方法是按以下步骤实现的——将水井开采至地下深层淡水层；——确定上层水渗透压；——确定深层淡水渗透压；——确定水位下降深度深层淡水水位—上层水位≥上层水渗透压—深层淡水渗透压。
在上覆地层中有海侵咸水或钙、镁含量相对较高的大陆盐渍化咸水赋存地区，在开采深层淡水时，采用富镁、钙离子粘土，并可加入0.3％～5％的无毒的离子表面活性剂，对上覆地层咸水进行封闭隔离。
在类似水文地质条件地区，可采用上述相同的方法，在井的半径＜500m范围内进行群井(两眼及其以上)开采咸水层相邻的深层淡水。
本发明开采方法的理论及实践基础(以天津为例)虽淡水资源缺，但并非无潜力可挖，经实验证明，在天津市大部分地区，第四系第II含水组(中更新统下段)深层淡水，长期在开采强度较大的状态下却未发生水位持续下降，地层沉降已基本停止。进行分析证实(如图2所示)第II含水组淡水咸化污染不是上覆咸水经压实的粘土层下渗所造成的。对全新统(Q4)、上更新统(Q3)、中更新统(Q22)咸水及相邻的中更新统(Q21)淡水水位同步不等幅动态客观资料分析，上述各层咸、淡水之间联系密切，地层中渗透系数小于1毫米/昼夜的压实粘土层具有半透膜特性，通过咸水层向下越流补给第II含水组的是淡水。天津多年平均降水量为586.8毫米，以浅层水位平均埋深为1.5米，降水入渗系数α值为0.125，年降水对深层地下淡水的年补给量可达7.34万立方米/平方公里。如将浅层水位埋深从1.5米降至2.5米，入渗系数α可增大约0.02(粘土)～0.04(亚粘土)。仅地下水位埋深增加一米一项，一平方公里每年能增加降水有效入渗量1.17万～2.35万立方米。因此提出，在有咸水层分布区，地表入渗水是目前尚没有引起足够重视的可持续利用地下淡水的补给来源。在咸水层底板为相对连续的隔水粘土层、周围也没有较严重漏咸水井，0.1＜地层中渗透系数＜1毫米/昼夜的地段，适量加大与咸水相邻的第II含水组(Q22)淡水开采强度，将水位下降深度大于与上更新统(Q3)因两层地下水由浓度差产生的渗透压差值，使其产生越流淡化补给，稳定后将不会再加大地面沉降。最终使处于地层中最上部的全新统(Q4)地下水向下入渗，造成水位降低，腾出接受大气降水及其它地表入渗的空间，夺取潜水蒸发的水量，实现深层地下淡水的良性循环。
本发明的优点和积极效果1、采用本发明开采方法，在长期开采强度较大的状态下也不会发生水位持续下降，地层沉降基本保持稳定。2、以天津地区为例，地下水位埋深增加一米一项，一平方公里每年能增加降水有效入渗量1.17万～2.35万立方米，因此，在有咸水层分布区，地表入渗水是目前尚没有引起足够重视的可持续利用的地下淡水的补给来源。3、地层中间的上更新统含水层还具有平衡上覆地层来水补给和对下伏第II含水组入渗补给的库容调节功能；加大深层淡水的开采，将水位下降深度大于上、下层两层地下水由浓度差产生的渗透压差值，上层含水层即形成越流淡化补给，达到最终充分利用地表水入渗补给。
图1是NaCl、MgSO4溶液浓度与渗透压的关系图；图2是本发明开采方法所涉及的地层断面示意图。
具体实施方式实施例11、如图2所示，地层中上更新统咸水与地表入渗水因溶液浓度差产生渗透压差，是加快浅层地下水越流下移的动力，可加快浅层水向下入渗，有效减少潜水蒸发。上更新统含水层还具有平衡上覆地层来水补给和对下伏第II含水组入渗补给的库容调节功能。加大第II含水组(图2、1孔)的开采，将水位下降深度大于与上更新统(图2、2孔)因两层地下水由浓度差产生的渗透压差值，上更新统含水层即形成越流淡化补给，依此类推，最终充分利用地表水入渗补给。计算渗透压的方法选用Babcock(1963)导出热动力学的计算方程式如下PO=RTV‾H2Oln([H2O]1[H2O]2)]]>
式中Po是由渗透而产生的静水压力差，R是气体常数(0.08206dm3·atm·K-1·mol-1)T是绝对温度。
VH2O是纯水的摩尔体积(0.0181/mol，在25℃)。1和[H2O]2分别是在较咸的溶液中和不太咸的溶液中的水的活度。
活度是表示质量作用定律中的溶液离子相互作用时参加反应的有效浓度的部分。剩余不参加反应的部分，是由于离子的水化作用，使溶液中部分分子被束缚在离子周围的水化层中，不能自由行动。为此，需对实测的浓度进行校正，活性系数即为校正系数。它可以把浓度转换成以热动力学为基础方程所需的形式。活度与摩尔浓度的关系为ai＝mi·ri式中ai为溶质种属i的活度(mol/L)，mi为实测摩尔浓度(mol/L)，ri为活性系数(L/mol)。除极高含盐浓度的溶液以外，一般离子的活性系数均小于1，各种离子的活性系数目前还无法直接测量，可依据离子强度和极限理论公式计算获得，离子强度计算公式I＝1/2∑mi·zi式中mi是i溶质的离子浓度，zi是离子所带的电荷数。在地下水溶液中主要溶质为下列六种离子，所以I＝1/2〔(Na+)+4(Mg2+)+4(Ca2+)+(HCO3-)+(Cl-)+4(SO42-)〕式中括弧中为摩尔浓度。计算出离子强度I后查凯兰德表，使用德拜—休克尔极限方程(Debye-Huckel equation)计算。但德拜—休克尔极限公式的适用范围是离子强度大约为0.01mol·kg-1以下的稀溶液，当溶液的离子强度大于此值时，可采用对德拜—休克尔极限方程改进的公式计算，即在该公式后增加一项bI，lgγ±=-A|z+z_|I1+aBI+bI]]>式中b为适合实验曲线的拟合常数。
地层孔隙中不同溶液物质渗透压也可参考咸水淡化反渗透膜的渗透压研究成果。从图1结果来看，MgSO4含量较高的大陆盐渍化咸水的渗透压要比NaCl含量较高的海侵咸水低。
在确定水位下降深度时，也可以从图1中直接选取渗透压值进行计算。
当中更新统的第II含水组水位降至上更新统Q31咸水含水层水位的差值≥上述两含水层孔隙水的浓度差所固有的渗透压差时，即可产生越流淡化补给(1)、孔1水位-孔2水位≥B层孔隙水渗透压-A层孔隙水渗透压，(2)、孔2水位-孔3水位≥C层孔隙水渗透压-B层孔隙水渗透压(3)、孔3水位-孔4水位≥D层孔隙水渗透压-C层孔隙水渗透压即(孔1水位-孔4水位)-(D层孔隙水渗透压-A层孔隙水渗透压)为正数。
如(48m-14m)-(40.8m-10.2m)＝3.4m2、整个华北平原严重缺水。平原区第四系地层中除第II含水组(Q21)地下水外，大多数层(组)地下水严重超采，其原因为平原东部8.39×104km2第四系的全新统、上更新统Q4～Q22地层中均赋存有数次海侵留下的海侵及大陆盐渍化咸水，凿井开采下部与之相邻的Q12地层的第II含水组上段地下淡水时，因与咸水含水层较近，井外的封闭有效长度短，部分水井因封井隔水的粘土选用不当，造成井管外隔水部位损坏，使上覆的咸水越层进入下部淡水含水层，造成地下淡水咸化污染。由于上述原因至今该层组地下水开采较少，资源尚未被合理利用。
在地层中赋存有钙、镁离子含量较高的咸水地段，开采下伏相邻淡水含水组地下水，因井管外隔水封闭有效长度较短，封井质量尤为重要。如封井采用高含吸附性钠的碱化粘土时，上部地层中赋存的富含钙、镁离子咸水下渗，因钙、镁离子交换能力大于钠离子，则会发生钙→钠或镁→钠交换，一个钙、或镁离子将置换两个钠离子。钙离子的半径为99×10-12m，镁离子半径为65×10-12m，钠离子的半径为95×10-12m，一个Mg++或Ca++的体积仅为两个Na+的52％和15％，促使粘土晶格的尺寸变小，粘土体积收缩渗透率变大，失去隔水作用，成为咸水进入井内及含水层的通道。
因此，在开采与咸水区相邻的第II含水组地下淡水，封井最好采用富镁、钙离子的粘土(如钙镁膨润土)。根据上覆咸水中的镁、钙离子含量不同，在封井粘土中加入不同的聚丙烯酰胺等表面活性剂，可提高与不良含水层间的封闭隔水效果。
权利要求
1.一种上覆地层有咸水赋存地区的相邻深层地下淡水的开采方法，其特征是该方法按以下步骤实现——将水井开采至地下深层淡水层；——确定上层水渗透压；——确定深层淡水渗透压；——确定水位下降深度深层淡水水位-上层水位≥上层水渗透压-深层淡水渗透压。
2.按照权利要求1所述的上覆地层有咸水赋存地区的相邻深层地下淡水的开采方法，其特征是在类似水文地质条件地区，采用权利要求1所述的相同方法，在井的半径＜500m范围内进行群井开采咸水层相邻的深层淡水。
3.按照权利要求1所述的上覆地层有咸水赋存地区的相邻深层地下淡水的开采方法，其特征是在上覆地层中有海侵咸水或钙、镁含量相对较高的大陆盐渍化咸水赋存地区，在开采深层淡水时，采用富镁、钙离子粘土对上覆地层咸水进行封闭隔离。
4.按照权利要求3所述的上覆地层有咸水赋存地区的相邻深层地下淡水的开采方法，其特征是在富镁、钙离子粘土中可加入0.3％～5％的无毒的离子表面活件剂。
全文摘要
一种上覆地层有咸水赋存地区的相邻深层地下淡水的开采方法。本发明依据上层水、深层淡水渗透压确定水位下降深度深层淡水水位—上层水位≥上层水渗透压—深层淡水渗透压。在上覆地层中有海侵咸水或钙、镁含量相对较高的大陆盐渍化咸水赋存地区，在开采深层淡水时，采用富镁、钙离子粘土，对上覆地层咸水进行封闭隔离。采用本发明开采方法，在长期开采强度较大的状态下也不会发生水位持续下降，地层沉降基本保持稳定。以天津地区为例，地下水位埋深增加一米一项，一平方公里每年能增加降水有效入渗量1.17万～2.35万立方米，因此，在有咸水层分布区，地表入渗水是目前尚没有引起足够重视的可持续利用的地下淡水的补给来源。
文档编号E03B3/00GK1584227SQ200410019328
公开日2005年2月23日 申请日期2004年5月24日 优先权日2004年5月24日
发明者卞学洛, 卞大中 申请人:卞学洛, 卞大中