井有多深?井的下面是一个怎样的世界?

井有多深?井的下面是一个怎样的世界?

张一冰

小时候看着地里灌溉用的井每天抽出那么多水都抽不完,感觉好神奇。然后想象着地下一定有个无比巨大的大水池,大水池上面盖着这层土地。但是,这水是从哪来的?为什么土地不会坍塌下去?这些问题一直没想出合理的解释。。。因为不了解、不知道,所以就会去想象那是怎么回事,但是呢,想象一般都是不靠谱的。。

后来到大学阴差阳错的学了这方面的知识,才解开童年时期多年的迷惑。

现在借这个问题,简单说下地下水和井(在此仅指水井)的相关东西,让那些和我有同样童年迷惑的人对此有所了解。为了易懂,尽可能少用专业词汇,同时因为自然界的各种条件和状况复杂多变,在此也只是说下主要的方面。

如果有疑问,可以提出来,我会进行相关方面的补充。

回答提纲大致如下:

一、 地下水相关

二、 水井工作原理

三、水井(河姆渡井,大口井,筒井,盐井,管井,其他特殊井)

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一、地下水相关

1、水资源储量和比例

地球上的水分为咸水和淡水,咸水远比淡水多,这是一般人都知道的,毕竟四大洋覆盖了地球 70%的表面。但就淡水来说,可能会有人以为江河湖泊淡水比地下淡水多,以前我也这么“以为”的。因为江河里的水太直观了,每个人都能看到滔滔江水向东奔流,永不停息。不过事实并不是如此。

(据 Gleick, P. H., 1996 :水资源,天气气候百科全书)

这张表可以说明详细比例,淡水占水的比例很小,淡水中大部分是冰雪,即分布在两极、格陵兰和高山的冰川积雪,河湖水远少于地下水。而且,相对于湖泊,河流中的水少的可怜。那为什么我们还不断的从江河中取水呢?这就涉及到水循环的问题了。

2、含水层、隔水层

先说下地层,我们脚下的土地和以下的岩石是分层的,是在地质历史时期不断沉积形成的。不同时期沉积的物质不同,就形成不同的地层。时间长的已经变成了岩石,时间短的还是松散沉积物,比如地表的土壤。

不论是已经成岩的还是松散沉积物,都是由颗粒组成的,那么颗粒和颗粒之间就会有空隙,这种类型的空隙称为孔隙。岩石裂缝也会形成空隙,这个叫做裂隙。还有一种空隙叫溶隙,就是岩溶,也叫喀斯特,桂林山水就是典型的喀斯特地貌。这三种空隙都可赋存地下水,现在利用比较多的是孔隙水。

含水层和隔水层的概念主要是对于孔隙水说的,所以这里只说这个。不同的沉积物由不同的物质组成,孔隙大小不同,含水的多少就不同,水能否通过和通过速度也不一样。比如砂土,空隙大,含水多,水也很容易通过,就叫做含水层。另如粘土,孔隙很小,水很难通过,叫做隔水层。这样不同的地层就分成了含水层和隔水层。水井的作用就是要把含水层里的水抽出来。

含水层和隔水层的解释可以参考下面地下水分类的图。

3、地下水分类

按照不同的分类标准可以把地下水分成不同的类型。为了简化和方便后续井的说明,这里只按照埋藏条件来分类,分为潜水、承压水和上层滞水。

在上图的中间位置,abc 分别表示上层滞水、潜水和承压水。

潜水是饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水,直接和大气相通,下部是隔水层,上部是包气带(能透过水但是不含重力水)。潜水埋深浅,容易开采利用。

承压水是两个隔水层之间的含水层里的水,有一定的承压性,就是水有向上流的趋势,因为隔水层的阻挡才不能如此。如果有向外流出的通道,就可以形成上升泉,还可以成为自喷井,类似早期油田的自喷,这都是因为水或石油的承压性质。

上层滞水是局部隔水层之上的水,水量小,一般利用价值不大,通常不予考虑。

4、地下水特点

  • 分布广泛。地下水的分布远大于河流湖泊,所以说人类对地下水的利用也大大扩展了活动范围。
  • 变化稳定。和河流相比,水量稳定的多,否则枯水年没水可就惨了。
  • 天然调节性。地表水需要水库进行丰枯调节,地下水本身就可以了。
  • 水质良好。地表水易被污染,而地表水和降水入渗形成地下水的过程中要经过地层的过滤,中间也会发生各种地球化学作用,使水质更好。但是,地下水一旦污染,非常难治理,需要的时间和耗费都不会低。关于水质的这个,也是题主的一个问题。
  • 易于开发利用

二、水井工作原理

从地表向下挖,直到潜水面以下,含水层里的水就会流进井里,井里充满水,就可以从井里抽水。

根据含水层和井的关系,又可以分为不同类型的井。上面的 a 井,贯穿了整个含水层,而且整个断面都可以进水,这种叫做完整井。b 井是没有贯穿整个含水层,但是井壁和井底都可以进水,c 井只有井底可以进水,d 井只有井壁可以进水。后面这三种井都叫非完整井。如果再加上不同的含水层,井的结构会更复杂一些。

水井工作时候就像上图这样的,从井里不断抽水,水位降低,周围的水就会不断流入井中,逐渐形成以水井为中心、中间水位低、往外水位高的水位分布,就像漏斗一样,所以叫做降落漏斗。

如果一个很大的区域过度开采地下水,就会导致这个区域比周围水位低,比如华北地下水漏斗,这些会引发多种水文地质灾害,例如地面沉降,尤其是不均匀的沉降,植被缺水导致的荒漠化,机井报废,泉水干涸等等。

三、水井

主要介绍河姆渡井、大口井、筒井、盐井、管井和一些特殊类型井。其中,河姆渡井是迄今发现的最早的水井;大口井和筒井是在古代人工开挖的水井,用来获得日常所用的淡水,是以前离河流较远的人们获得淡水的主要途径,现在仍然有很多地方在使用,尤其是山区和半山区;盐井是四川地区的人们为了获得卤水以熬制盐而挖的,对于现代钻井技术有革命性的意义;管井主要是使用现代钻井设备和抽水设备开挖的水井,井的结构更为复杂和科学。

1、河姆渡井

浙江余姚河姆渡遗址发现的木质结构井是国内现在发现的最早的井,距今大概 6000 年。

河姆渡井由内外两部分构成,内方外圆,外围直径 6 米左右,最大深度大概 1.4 米。因为位于南方,潜水埋深很浅。

水井的出现,对于人类社会的发展有重要意义。以前人类逐水而居,没有河流或泉就没法生存。井使人类摆脱了河流的限制,拓展了人类的生存空间。

2、大口井

先来看看大口井,

大口井就是这样的。。。直径 2 到 10 米,深度一般 在 10 米左右,不超过 20 米,毕竟人工挖这么大的坑好费劲啊。周围多用石块衬砌。这些区域一般潜水埋深浅,地表以下三五米就是潜水面,地下水通过井底和井壁进入大口井。因为大口井的水的水质较难保证,所以现在多用来灌溉。这幅图中的那条明显的界线就是近几年地下水位最高时候的印记。

3、筒井

这种水井在很多地方都还在使用,尤其是山区和半山区,有的村里一家一口,有的一片一口。人工开挖,然后用砖或者石头砌上来。也有用混凝土浇筑的,但是这样就只能通过井底进水了。深度根据当地潜水的埋深确定,一般比枯水期的水位深一点。现在这种筒井一般是机器打孔,然后砖砌或石砌,可以深达十几米或更多。

4、盐井

盐井是古代人们为了取得卤水,然后获得食盐钻凿的,最为典型的古代盐井是四川盆地地区的卓筒井。

钻凿时候是这样的,

在打井位置设立木质碓架、由人在碓架上一脚一脚地踩动(捣碓),运用杠杆原理,带动锉头上下运动凿进。重达几十公斤的钻头不断地提起落下击碎井底的岩石,渗入的地下水(无水渗入则灌入水)和钻出的岩屑、泥沙形成的泥水,这时用扇泥筒将这些含有岩沙的泥水取出。

扇泥筒 工作原理是这样的:

当扇泥筒放入井内触到泥水时,井内的泥水对筒底皮钱产生压力迫使皮钱向内张开,泥水进入筒内;扇泥筒提起时,井下的泥水对筒底的压力消失,而筒内泥水在重力作用下对皮钱产生向下压力,皮钱因受筒壁凸出部的阻碍而关闭,泥水不漏失。下面就是一个单向阀门,类似于心脏瓣膜。

然后把打通的楠竹下到井中,固定井壁,也防止以后取卤水时候上层淡水的侵入。

制成的卓筒井是这个样子的,

左下角就是卓筒井了,相连的篾片下面连接的是一个直径比井径小的长筒,长筒下面也是一个单向阀门,提取卤水后把它提上来。

卓筒井深度一般在 100 多米,直径 15 厘米左右,小口盐井。四川省自贡的燊海井是一口清代凿成的天然气和黑卤生产井,是世界上第一口超千米深井,深达 1001.42 米。

2 亿年前古四川盆地曾经是一个类似于今日中东死海的古盐海,形成现在的从地下几十米到几千米,从液体盐到固体盐,所以四川盆地在古代会有卤水制盐。在宋代时候,四川盆地的私盐贩子为了得到卤水制盐,并躲避官府的追查,发明了卓筒井,同时也诞生了一种革命性的钻井技术,就是卓筒井钻凿所用的这种技术,冲击式顿钻凿井法。

北宋庆历年间发明使用的"冲击式顿钻法",开创人类机械钻井技术的先河,对于现代凿井技术的发展有非常重要的意义。

5、管井

管井,就是平常说的机井,是指井径较小,井深较大,用来取水或者回灌的井,取水井较多。管井一般是使用现代钻井机械打孔,然后安装井管、填砾、止水、洗井完成的。这也是现在最为普遍的井型。

管井的基本结构是这样的,

这张图显示的水井结构稍微复杂一点,分为下、中、上三个直径,贯穿上部的潜水层和下部的一个岩溶承压含水层,因为潜水层的水质较差,所以抽取的只是下部岩溶含水层的水。那这个是怎么控制的呢?

井孔打好以后,需要放入井管,井管分两种,一种是管壁完整的,一种是管壁带孔的,管壁带孔的就是上图所示的过滤器了。然后就在岩溶含水层那个位置用带孔的井管,其他部分用不带孔的井管,这样只有岩溶含水层的水能进入井内了。还有,井孔是比井管直径大的,这个要重新填土埋上,岩溶含水层位置填砂砾石,容易透水,其他位置填粘土等隔水的介质,使上部的潜水不会进入下部导致岩溶含水层的水质也变坏。

下部的沉淀管是用来沉淀进入井中的泥沙,防止从含水层冲进去的泥沙把井埋了。如果上部潜水层的水质符合要求,或者仅仅打到潜水而没有打到下部的含水层,那么潜水那部分就不用封堵了。

管井的深度由几十米到上千米不等,一般都在 300 米以内。出水量在每天 500-6000 立方米,大的可以到几万立方米。

6、特殊类型水井

(1)、辐射井

辐射井是在大口井动水位以下,穿透井壁沿径向四周含水层安装水平集水管道──辐射管形成。

中间是一个大口井,周围设置辐射管,用来增加渗透性,提高出水量。

(2)、坎儿井

坎儿井是在特殊的自然地理条件和水文地质条件下形成的井型,使得水在地下通道内汇集,大大减少了蒸发损失。就不再过多说明了。