挖井加深-供水解决方案

我们的饮用水大约有一半来自地表水，1/4来自天然地下水，1/4来自人工渗透。地表水来自湖泊和河流。地下水在地球表面下被发现，通过水井获得。人工渗透的意思是在砾石滩表面，向水库注入地表水使地下水量增加，再使水通过地面缓慢地流下（渗透）。饮用水的原材料叫原水。地表水和地下水都是饮用水较好的来源，但是地下水更好，因为它含有更少的有机物质，更易被提纯。保持砾石沙滩对未来的饮用水供应很重要。

1）市政自来水

来自地下水收集区的市政自来水通常有很好的质量。在大城市，地表水作为洁净水的来源，在分配到用户之前，水需要在自来水厂净化。高标准的洁净水同时适用于大城市供水系统和小城镇供水系统。物理、化学和生物因素都会影响水的质量。水不应受到细菌污染；它同时也要有一个令人满意的外观，如透明的颜色和低混浊度；没有气味和味道。铁锰等含量必须低，以免污染衣物。硬度值，如钙和镁的数量应当低，以避免堵塞管道。氯的含量不应太高，它会使得水有咸味。同时氮的含量因为卫生的原因也要低。pH值太低或二氧化碳的值太高会使水有腐蚀性腐蚀水管。饮用水的最大问题是有害微生物的含量过高。人们通过喝水得病通常是由于污水渗漏到自来水管道里。这是由于防压力过大系统失效导致的暂时性水压过高引起，旧水管用水处在一个不恰当的位置也是原因之一。也有其他因素造成的问题，比如污水处理厂无法除去的医药残留物质。这类物质在饮用水中含量很少，但很难预计长期危害性。

（1）自来水厂。原水的质量越差，就需要越多的处理。例如，好的地下水只需要加氧和通过砾石沙子的过滤，但要用于饮用的地表水必须经过大量不同程序的处理（图2-210、图2-211）。

（2）水井。在地面冰碛间、土层或岩石层之间，或黏土层下可以发现含水的沙砾层。通常来说，地下水不会在黏土层中。在砾石层或沙层中可以找到最好的水源，特别是在圆砾层，那里水通常很充足。

（3）管井。最普通获得私人供水的方法是穿过岩石钻一个深井（图2-212）。随着当前科技水平的高速发展，几天就能钻到很深的深度。但是，仍有一些问题。如果钻头钻到易碎的岩石，钻头可能被卡住，有些地方的岩石很难钻，有些地方水量不足。多孔的沙层和石灰岩层是最适合钻井的，它们有足够裂缝孔隙储存水。需要钻多深随地点不同而不同，但是因为用水量的增加和地下水水位下降，需要比以前钻得更深。以前钻50 m就足够的地方现在需要钻70—100 m。如果在深度达100 m处仍没有找到足够的水，就不值得在同一个地方继续钻井。当到达了一个确定的深度，就应停止钻井，水会在巨大的压力下从洞里喷出。这会加宽裂缝，水开始流到井里。也有放置炸药钻穿不产生水的硬岩石的方法。关于要钻多少井，各要钻多深，都要订立书面协议。一些钻井公司提供价格保证书，如保证他们能找到水。

图2-210　利用人工渗透的自来水厂

地表水被注入一个沙砾堆顶部的储水池里，经过沙砾向下渗透。沙砾净化水会补充地下水，这个时间大概需要两三个月

图2-211　一个地表原水自来水厂的净化原理示意图

（4）机井。现在，当人们谈论“挖井”时，他们通常指的是机井，就是把一个筛管打入土中的含水层（图2-213）。一个机井包括一个特殊井管滤网和一个结实的套管。这种水井经常用在含水层在黏土层下面。过滤井是机井的进一步发展，井管滤网更适应含水层的特点。从水的质量和数量来看，机井比普通水井相比对消费者而言更便宜。如果地表土层足够深（8—10 m），土层内的地下水就值得利用。一种确定土层深度的方法是探测法，用探测棒深入地下，确定土壤的类型和深度。机井比管井相对来说更便宜。

（5）挖井。原始凿井的方式是挖或炸，然后再移除石头和土壤（图2-214）。如果没有像预期那样快地找到水源，这种方法将变得昂贵。挖井要求水深不超过5—6 m。如果一个老的挖井不能提供足够的水源，还可以用钻井将它加深，这取决于井的深度和其下土壤的类型。可以检测水井底部是否有诸如砾石、沙或冰碛等含水物质并探测深度。如果找到这样的地质结构层，则值得钻井。

2）水井的威胁

水井的位置和结构对水井的质量至关重要。因此，有必要了解一些有关地下水在地下如何流动以及如何保护地下水和水井免受污染的知识。

（1）污染来源。污染物的来源包括污水排水渠、污水管道、粪便、木材和树皮桩、耕地、道路沟渠、农用机械泄露的油污、道盐^[5]等（图2-215）。花园和农业使用的化学品也会带来风险。一条避免污染的规则是水源离污染源至少要有50 m远。地下水埋藏越深，水质的保护越好。总体来看，深机井的水比浅机井好，而穿越坚硬岩石的钻探深井的水比管井好。如果在水井附近露出岩石，就存在污染物未经净化从裂缝渗透入水井的风险。污染物如何到达水井与地下水流方向相关。一条经验法则是，地下水的方向和地面斜坡是一致的。

（2）渗透性。为了避免水井被污染，不渗透很重要（图2-216）。检查所有污染可能进入的地方是必不可少的工作。

（3）热泵。带有垂直钻孔的地源热泵正越来越普遍。钻孔的深度使地下水中的盐渗透和扩散到饮用水井的风险增加了。如果水井中的饮用水由一处裂缝流入，淡水耗尽时盐水穿透作用可能导致氯化物水平增加。如果井中的淡水由多个裂缝流入，盐水穿透作用就会减弱。含盐的地下水主要分布在沿海地区和曾经被海水覆盖的地区。用密封剂如膨润土填补热泵洞可以消除这种风险。

图2-212　带有潜水泵的管井

钻深大于60 m是相当普通的

图2-213　机井

机井就是将一根多孔筛管深入地下，利用泵将地下水抽取出来，这种方法也可以被用来加深干枯的老井

图2-214　挖井

由混凝土井圈围护，比较适宜的是直径90 100 cm，深60 cm。混凝土井圈和从水井斜下的地面之间有个密封环，可以阻止地表水流入水井

图2-215　造成水井污染的重要因素

地下水流的流向是造成水井污染的重要因素。即使污染源很远，下游位置仍然会有大的风险。资料源于《你的主要食物》，瑞典地质调查局 （SGU）与粮食局。插图为列夫 欣德格伦（Leif Kindgren）

图2-216　管井的防渗

检查管井的高度从而保证原水能够顺利通过，并且套管安装是防渗的。资料源于《你的主要食物》，瑞典地质调查局 （SGU）与粮食局

（4）道路。道盐沿着道路向下渗透入地下水库，增加了地下水中的氯化物含量。饮用水氯化物含量高会腐蚀水管、洗衣机和洗碗机。即使停止使用道盐，氯化物含量下降也十分缓慢。道盐污染饮用水井是发生更严重污染情况的重要提示。建立沿着道路越过地下蓄水层的排水系统，将盐水通过防渗沟渠排放至其他的较不敏感地区可以减轻道盐污染。

3）私有水源

如果水是从私有水源获得的，那么需要的就不仅仅是一个水井。一个完整的系统是必要的，这个系统包括泵、压力罐和净化系统。当井比较深时泵可以放在井中（压力泵），当井深较浅时也可以放在泵房（真空泵）。

（1）泵。电动泵现在是最常见的，如果有电可用，电动泵是廉价和实际的。许多度假用水井和畜牧用水井没有电力供应系统。在这种情况下，人们可以用太阳能、风力和水力发电。如果井很深，泵必须放置在井下（压力泵）。如果井浅，可以使用真空泵（可以从7—15 m深处将水抽上来）。也有将泵放置在泵房的系统，这种系统通常适用于中等深度的水井，空气被泵入水中，而水由于喷射效应流出。

（2）压力罐。当自来水管已安装在建筑物内，为得到自来水，必须要保持一定的压力。通过在顶楼安装水塔或罐体，可以用重力来提供自来水。最近，压力罐（采水器）被普遍使用，从水井中抽水的泵同时也用来产生压力。水流得越慢，所需要的水箱越大。水流过慢可以通过安装一个大型采水器或两个平行连接的采水器来解决。采水器必须放置在无霜冻的地方，如地窖、悬浮基础或泵房。有两个因素需要考虑：泵会产生噪音，采水器由于冷水产生的冷气会导致潮湿问题。因此，要主动消除潮湿造成的风险。

小贴士2-13　直接驱动泵

1）风力驱动泵

利用风力驱动水泵是一种重新受到关注的老技术。与现代技术相结合，现在的水泵已经更加简单、便宜并且更加耐用（图2-217）。更重要的是需要更少的维护。现在有3种类型的风力驱动泵。类型的选取取决于水位距离地表的高度：有的水泵抽水深度不到7 m，有的泵抽水深度约25 m，有的深井泵可以抽水60 100 m深（图2-218）。在丹麦有许多厂家生产两种较小类型的风力驱动泵。好的风力驱动深井泵在美国、澳大利亚、南非和肯尼亚有生产。风力驱动泵需要的风速远远低于风力发电机。2.5 3.5 m/s的速度就足够了。风力驱动泵的一个限制因素是必须直接放在井上方，这就需要相当开阔的地形。因此，如果井在山谷里，风力驱动泵就不能在山坡上。风力驱动泵主要用于生产人畜饮用水，以及净化设施中的循环水。

2）手摇泵

手摇泵在过去很普遍，现在也仍然可以使用。手摇泵可以放在井边或室内厨房的水槽边（图2-219）。有好几种型号可供选择。非常耐用的手摇泵已经为第三世界应用（由世界银行和联合国发展计划署、联合国开发计划署提供资助），这也适用于工业化国家（图2-220）。

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图2-217　肯尼亚的Kijito牌现代风力驱动泵

该风力驱动泵装在塔架上，直接驱动，不需要变速箱和自润滑轴承

图2-218　小型风力驱动泵

该风力驱动泵用于短距离升降。风力驱动泵通常分为不同的类型，取决于水需要被打到多远

图2-219　蓄水池和手摇泵系统

小蓄水池和一个手摇泵是简单的获得自来水的方式。这种类型的系统在断电情况下使用，或是在由太阳能产生电力的建筑内以及只在绝对必要时使用电力的建筑物内使用

3）太阳能泵

电动泵可以采用太阳能电池驱动，这种系统不需要电池（图2-221）。当阳光照射并且蓄水池或水塔储存有水时，水泵运行。太阳能电池供电的泵在夏季别墅和游艇上尤其普遍。在这些案例中，只需要解决在无法使用电力的情况下得到少量用水的问题。

图2-220　印度Mark II手摇泵

手摇泵在世界许多地方制造，印度Mark II泵是种非常耐用的手摇泵，由联合国开发计划署和世界银行资助在发展中国家推广使用。它可以由未经培训的人使用和保养。这种泵也适用于工业化国家

图2-221　太阳能泵

太阳能电池可用于驱动水泵。这种技术的优点是不需要电池。有阳光照射并且有水存储在蓄水池时就可以抽水

4）拖拽泵

拖拽泵是通过流动水驱动的机械水泵（图2-222）。这种泵锚定在一个水管上。水道中水的速度必须至少为0.5 m/s。锥形泵体的一端有一个螺旋桨，从而使整个泵在水中旋转（图2-223）。聚乙烯胶管以螺旋状缠绕在内表面泵体。软管下游端是开放的，上游连接在一个旋转连接器上。泵的每个循环，水被吸入然后通过旋转运动被推进给料软管。该泵的压力可以抽水25 m，已被证明是经久耐用的。

5）水锤泵

水锤泵抽水的动力就是流水本身（图2-224）。这是一种古老的技术，不需要电力，也不需要燃料。一个水锤泵结构包括一个大的气室、一个弹簧阀和两个止回阀。如果在山谷中有流水，而水需要被运输到较高位置的建筑物，水锤泵要放置在流水处，管道安装在水锤泵和建筑物间。水锤泵放置在流水中不停滴答作响，日复一日，随着每一次滴答，一点水就被抽入管中（图2-225）。水锤泵非常耐用，唯一的缺点是弹簧的张力会逐渐减弱，需要几年更换一次。

图2-222　拖曳泵

拖拽泵是通过电缆固定在水道底部的桩上，流动的水使泵旋转，水通过旋转连接器穿过泵被推入进水软管，然后被推进中间储水罐或直接的用水点。资料源于JTM投资公司，Jukkasjärvi

图2-223　拖拽泵放大剖面示意图

1.带有筛孔的底盖。2.尾部软管/带有过滤器的取水口。3.螺旋状泵内软管。4.旋转节口。5.进水软管接口和锚索的附件。6.进水软管。7.漂浮设备。8.螺旋桨叶。资料源于JTM投资公司，Jukkasjärvi

图2-224　水锤泵

水锤泵是一种利用流水本身驱动的泵

图2-225　水锤泵工作原理示意图

水锤泵是一种水动力泵，利用流水的能量将水从小溪和河流提升上来。水锤泵包括一个气室和两个闸门，其中之一是弹簧控制。Ⓐ 水流入水锤泵，当水压力大于弹簧压力时弹簧阀关闭。Ⓑ 止回阀开放，水流入。气室中空气压缩产生反冲效应。Ⓒ 反冲力使水位上升超过水位线。气室中的压力下降，气室中的止回阀关闭，弹簧阀再次打开，并重新开始一个新的循环。水锤泵年复一年滴答作响着抽水，直到弹簧磨损需要更换

4）水质

私人水井的水质会周期性地变差，这种现象在春季的避暑别墅中尤其普遍。

（1）环境状况。现在湖泊和水道受到污染的情况非常普遍。存在的主要问题是酸化和鱼类汞含量过高，以及在地表水体富营养化，富营养化会导致藻类大量繁殖、氧气缺乏和植物增加。另外还有有机环境污染物，如滴滴涕、多氯联苯、二英等，这些污染物在自然界不能分解。许多污染物是脂溶性的，因此容易富集在生物体内。煤矿和金属工业造成的重金属浸出是另一个问题。早期的树林有纤维堤防，这些堤坝往往含有汞。但有些地区受到酸化和农业硝酸盐氮泄漏等影响。

（2）酸化。在20世纪90年代的一半的时间里硫和氮沉降的现象，导致某些地区地下水完全酸化。浅水酸化得最严重，主要会影响私人水井，不过为城市供水的更大的地下蓄水层也已经受到了影响。pH值降低使供水管道腐蚀和释放铝，而铝会影响人体健康。

（3）氮泄漏。20世纪50年代以来，无机氮肥在农业中的使用大大增加，硝酸盐肥料泄漏到地下水。这是一个较长的过程，因此目前硝酸盐造成的后果在现代农业中还没有完全体现出来。

（4）咸水。对于沿海地区城市来说，咸水渗透到岩石中的钻井是一个主要问题。造成这里井水中盐分过大的原因可能是水的不当提取，例如抽取了过多的淡水或者水井太深。

（5）氟化物。地下水中一些天然存在的物质可能含量过高，从而不能成为饮用水。氟化物就是这样的一种物质。如果地下水中其水平过高，这种水就不能被用来作为饮用水。

（6）放射性。所有放射性物质都被包括在总电离剂量（TID）中。最开始是铀和镭增加了TID，铀可导致肾损伤。镭是铀衰变的产物，当镭衰变时会产生氡，氡衰变成为氡子体。氡水平大于100 贝克勒尔/ L还不会产生危险，大于1 000贝克勒尔/ L就不合适了。

（7）砷。在瑞典的一些地区，来自露天井的水含有高水平的致癌物质砷。地质学家已发现谢莱夫特奥（Skellefteå）地区、西诺尔兰省（Västernorrland）和南泰利耶（Södertälje）的一些城市饮用水中砷含量超过标准。在其他地区也可能发现砷。

（8）硼。在许多远离哥特兰岛的小岛上的水井，硼超过WHO建议的可接受的500 微克/ L的标准。