張保祥，羅 莎

(1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013；2.濟(jì)南大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

井是一種用來開采地下水的工程構(gòu)筑物，它由人工、機(jī)械或鉆機(jī)挖掘形成，通常為豎向結(jié)構(gòu)，但也有橫向﹑斜向及不同方向的組合結(jié)構(gòu)，可用于生產(chǎn)、生活及灌溉取水。井對(duì)于人類文明的發(fā)展有著重大意義，水井出現(xiàn)之前，原始人瀕水而居，抱甕取水，只能生活在有地表水或泉水出露的地方，也要忍受河水泛濫的威脅，隨著時(shí)間的推移和人口的擴(kuò)大，這種取水方式滿足不了人們生活、生產(chǎn)的需求，水井的發(fā)明使人類活動(dòng)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

據(jù)第一次全國水利普查數(shù)據(jù)，目前全國共有地下水取水井9 749萬眼，其中機(jī)電井5 383萬眼、人力井4 366萬眼，取用地下水量共1 084億 m3。

1 概況

1.1 歷史

世界上最早的井出現(xiàn)在公元前7 000～8 500 a前。我國也是世界上開發(fā)利用地下水最早的國家之一，據(jù)文獻(xiàn)《周書》記載，“黃帝穿井”，“堯民鑿井而飲”，井開始初見端倪。我國已發(fā)現(xiàn)最早的水井是浙江省余姚市河姆渡古文化遺址的水井，其年代為距今約5 700 a，它為方形木結(jié)構(gòu)井，深1.35 m、邊長2 m。

先秦時(shí)期文獻(xiàn)《世本》記載“伯益造井”，《淮南子》中也提到“益佐舜，初作井”，是說伯益是發(fā)明打井的創(chuàng)始人。據(jù)說伯益曾輔助大禹治水于邢地，在治水的過程中，發(fā)現(xiàn)了地下水的秘密，因而鑿井，造福于民，大大促進(jìn)了邢地及北方廣大地區(qū)的發(fā)展，其邢地后裔以井為氏，發(fā)展成井方氏。新石器時(shí)代晚期發(fā)明的鑿井技術(shù)，促成中國古代農(nóng)業(yè)在遠(yuǎn)離河湖的廣袤原野上大規(guī)模發(fā)展，產(chǎn)生了新的生產(chǎn)方式和社會(huì)結(jié)構(gòu)。

1.2 發(fā)展

井本是一種用來從地下取水的裝置，早期對(duì)于“井”的定義是“人工地下水源”，在地層中開鑿孔洞或埋設(shè)管筒汲取地下水的建筑物都可稱為井。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)井的研究也有了很大的發(fā)展，井的取水技術(shù)也有了很大的跨越，大致的發(fā)展歷程可以概括為：淺井—壓水井—機(jī)電井。

淺井，是最原始的取水設(shè)施，是從地表向下掘進(jìn)深度和斷面都不大的垂直坑道，是最初的地下取水建筑物，通常借助人工或牲畜作動(dòng)力提水。

壓水井，是借助提水工具將地下水引到地面上的一種設(shè)施，該提水工具一般由鑄鐵制造，底部是一個(gè)水泥壘塊，井頭是出水口，后粗前細(xì)，尾部是和井心連在一起的壓手柄，井心中有橡膠引水閥，靠引水閥和井心的作用力將地下水壓提到地表。

機(jī)電井通常深度較大，是以電機(jī)為動(dòng)力帶動(dòng)離心泵或軸流泵將地下水提取到地面或指定地方的設(shè)施，過去多用于農(nóng)業(yè)灌溉。目前，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，地下水開采量不斷增大，地下水位不斷下降，潛水電泵正在逐步替代離心泵或軸流泵用于地下水供水。

在今天，井已經(jīng)不再只是局限于取水建筑這一含義了。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和地下水的大量開采，地下水平衡遭到破壞，井也有了更廣泛的用途，例如針對(duì)地下水的研究，利用井來對(duì)地下水水位、水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，或者為了平衡地下水的過度開采利用井來進(jìn)行人工回灌。

1.3 井文化

水井的出現(xiàn)和發(fā)展，是原始先民們與自然界斗爭和生產(chǎn)實(shí)踐的產(chǎn)物，是伴隨原始農(nóng)業(yè)定居及生產(chǎn)的發(fā)展而產(chǎn)生的。在一定程度上，水井使人類擺脫了對(duì)地表自然水資源的完全依賴，在生產(chǎn)生活中能夠更好地利用水資源。

隨著時(shí)代的變遷，“井”與中國文化相融合，更是賦予“井”不同的內(nèi)涵，經(jīng)史書記載，井與文化是一同出現(xiàn)在人類文明史上的。隨著歷史的演變，井文化也愈加的豐富，在我國的歷史上對(duì)于井的演變可看作是人類進(jìn)步的演化：水井—市井—井田。

水井是人們?yōu)閿[脫對(duì)地表自然水資源的依賴而發(fā)明的，市井是指人類個(gè)體都依附于集體而存在并在人群聚居的地方產(chǎn)生交易，井田是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種農(nóng)田灌溉管理制度。

隨著人類文明的不斷進(jìn)步，文化也在不斷的發(fā)展，人們也賦予了井更加深刻的文化內(nèi)涵和意象，比如“坐井觀天”、“背井離鄉(xiāng)”、“井井有條”、“學(xué)如穿井”、“雨井煙垣”等成語和《井賦》等文章。

2 作用與要求

2.1 作用

(1)取水：取水是井產(chǎn)生的最基本用途，主要是用于滿足人們的日常生活、生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)灌溉及供熱等需求。

(2)排水(降水)：在很多的水利工程(建筑工程降水)項(xiàng)目中，在處理滲漏問題時(shí)，一般選擇排水井或者排水渠，將施工區(qū)域的水從地下抽取出來，從而達(dá)到防滲和工程安全修筑的要求。目的在于人工降低給定范圍內(nèi)的地下水水位，確?；踊?地下)工程安全順利施工。

(3)監(jiān)測(cè)：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)地下水資源的需求和開發(fā)力度也越來越大，同時(shí)水污染現(xiàn)象也日趨嚴(yán)重，為加強(qiáng)對(duì)地下水的管理，就必須對(duì)地下水進(jìn)行嚴(yán)格、及時(shí)的監(jiān)控。在對(duì)地下水進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，通常利用監(jiān)測(cè)井進(jìn)行布控采樣監(jiān)測(cè)。隨著科技的發(fā)展，結(jié)合其他手段可以做到對(duì)地下水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和評(píng)估。專用監(jiān)測(cè)井直徑通常較小，主要用于監(jiān)測(cè)地下水位(承壓水頭)、水溫、水質(zhì)等指標(biāo)。在同一監(jiān)測(cè)孔中，可以進(jìn)行單層監(jiān)測(cè)，也可以進(jìn)行多層監(jiān)測(cè)。

(4)回灌：由于地下水的不合理開發(fā)利用，導(dǎo)致地下水資源被過度開采或引發(fā)相關(guān)的環(huán)境地質(zhì)問題。為解決上述出現(xiàn)的問題，可對(duì)地下水進(jìn)行人工回灌、用以補(bǔ)給地下水，防止地面沉降等環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生；在地下水受到輕度污染時(shí)，也可通人工回灌稀釋已經(jīng)污染的地下水，相對(duì)縮短地下水的自凈能力。

2.2 要求

由國家住建部批準(zhǔn)并實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)《管井技術(shù)規(guī)范》(GB 50296-2014)中將管井類型劃分為抽水管井和回灌管井，其中抽水管井包括供水管井(生活飲用、工業(yè)生產(chǎn)用水管井和熱源管井)和降水管井，回灌管井包括供水水源地回灌管井、地源熱泵系統(tǒng)回灌管井和基坑工程降水回灌管井。該規(guī)范對(duì)管井的基本規(guī)定、布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)出水量的確定及施工和驗(yàn)收等方面作了詳細(xì)規(guī)定。

由國土部發(fā)布并實(shí)施的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水文水井地質(zhì)鉆探規(guī)程》(DZ/T 0148-2014)對(duì)水文水井的基本規(guī)定、鉆探施工設(shè)計(jì)、設(shè)備儀器、施工準(zhǔn)備與開孔、取芯鉆進(jìn)、全面鉆進(jìn)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)、取芯采樣與地質(zhì)編錄、沖洗液、成井工藝、增水方法、特種取水方法、孔內(nèi)事故預(yù)防與處理、管井修復(fù)、工程質(zhì)量、健康安全環(huán)保管理、施工技術(shù)報(bào)告與鉆孔技術(shù)檔案等方面作了詳細(xì)規(guī)定。

2015年由中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站編寫的《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)井建井技術(shù)指南》(試行)規(guī)定了地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)井的適用范圍、建設(shè)、維護(hù)、管理和廢止等有關(guān)要求，對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)井的設(shè)立原則、設(shè)計(jì)、施工技術(shù)、井口保護(hù)裝置、驗(yàn)收與資料歸檔、維護(hù)和管理及廢井要求等方面作了詳細(xì)規(guī)定。

另外，環(huán)保部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T164-2004)、水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地下水監(jiān)測(cè)站建設(shè)技術(shù)規(guī)范》(SL360-2006)及地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)規(guī)程》(DZ/T0133-1994)等規(guī)范規(guī)程在地下水監(jiān)測(cè)井的建設(shè)與管理方面也作了相應(yīng)規(guī)定。

3 類型

一般情況下，水井多垂直地面鑿進(jìn)，當(dāng)含水層埋深較深時(shí)，采用井徑較小的管井(一般小于0.5 m)；而當(dāng)含水層埋深較淺，為了增大進(jìn)水面積而采用較大井徑的筒井；當(dāng)富水性總體較差的地層中夾有富水性相對(duì)較好的薄層時(shí)，往往采用垂直集水井和水平集水井(輻射管)相結(jié)合的方法建井，集水管建在富水性相對(duì)較好的薄層中。

當(dāng)含水層有一定的埋藏深度，按井所揭露的地下水類型，水井分為潛水井和承壓井；按水井揭露含水層的程度和進(jìn)水條件，可分為完整井和非完整井；上述兩種分類方法又可以進(jìn)行組合。

3.1 根據(jù)取水建筑的適用條件分類

管井：井徑50～1 000 mm、通常150～600 mm，井深20～1 000 m、通常300 m以內(nèi)，厚度一般在5 m以上或有多層含水層，此類井的適用條件為任何松散和基巖含水層。

大口井：井徑2～12 m、通常4～8 m，井深30 m以內(nèi)、通常6～20 m，適用于埋深較淺(一般在12 m以內(nèi))，含水層厚度一般在5～20 m，補(bǔ)給條件良好，滲透性較好的砂礫含水層。

輻射井：在很多方面和大口井相似，能有效地開采水量豐富、含水層較薄的地下水和河床下滲透水，補(bǔ)給條件良好，含水層最好為中粗砂或礫石，井不含漂石。

滲井：管徑0.45～1.5 m、通常0.5～1.0 m，埋深10 m以內(nèi)、通常4～7 m(一般在2 m以內(nèi))，適用于厚度較薄(一般為4～6 m)，補(bǔ)給條件良好，滲透性較好的含水層，適用于中砂、粗砂、礫石或卵石含水層。

3.2 根據(jù)取水建筑物的常見形式分類

筒井：常用有土井、磚井、石井、大眼井；直徑在0.5 m以上的潛水井，多用磚石襯砌，此類井適用于潛水比較豐富的地區(qū)。

沉井：常用有座管井、沉泉井、沉箱，直徑一般為2～5 m，井深6～10 m，在自重或加壓下，邊挖邊沉而成，適用于含水層埋藏淺，用水量大，明挖易塌方的砂礫卵石層或嚴(yán)重流砂地區(qū)。

管井：常用有機(jī)井、深井，一般直徑小于0.5 m，用各種管子加固井壁，適用于平原或其他地區(qū)，可取潛水和承壓水。

真空井：常用有對(duì)口抽井，即將水泵與進(jìn)水管和井管密封連接，動(dòng)水位需在水泵允許吸程以內(nèi)。

下泉井：應(yīng)用較廣泛的是筒管井、聯(lián)合井、三吊井、改良井，一般是在井筒底部下泉管或井管，適用于泉水貧乏、承壓含水層埋藏較淺、水頭較高的地區(qū)。

橫管填礫井：應(yīng)用較廣泛的是橫管井、臥管井、輻射井，在井筒中向外打橫管，井管外圍填濾料。

無管井：較常見的有地下蓄水池、地下水庫、大底井，即在井筒底部打洞或開巷道，適用于潛水不豐富、巖層較牢固的地區(qū)。

聯(lián)井：常見的有井組、井群、梅花井、連珠井、虹吸聯(lián)井、子母井，連通用虹吸管連接兩個(gè)以上的井，抽水機(jī)可與虹吸管相連(吸水式)或不連(虹吸式)，適用于以利用潛水為主的地區(qū)。

接力井：常見的有梯級(jí)井、深井帶窯，多為二級(jí)以上接力提水的筒井，井旁多有水窯以儲(chǔ)水，適用于山區(qū)、高原等地下水位較深的地區(qū)。

搬倒井：比較常見的有搬倒塘，井、塘側(cè)面開口將水引至下游，適用于山區(qū)、丘陵地區(qū)。

斜井：適用于地下水位深、水量較豐富的基巖山區(qū)、丘陵區(qū)。

坎兒井：由一系列的筒井和坑道(暗渠)組合而成，適用于地下水坡度較大的洪積扇，水位埋藏在50 m以內(nèi)的地區(qū)。

透河井：河床下的水平集水廊道與岸邊的集水井連結(jié)組成的聯(lián)合集水建筑物，適用于具有一定集水面積的河谷中。

通河井：通河明渠與岸邊的集水井組成集水系統(tǒng)，適用于具有一定匯水面積，水量較豐富的河谷中。

爆破連通井：從主井向四周呈輻射狀打爆破孔，于一定深度爆破連通，后填礫石而組成的集水系統(tǒng)，適用于透水性、富水性較差的膠結(jié)、半膠結(jié)的巖層中。

此外，還有水平集水廊道、截潛流、方塘、引潛及引泉等工程形式。

4 典型的“井”

4.1 輻射井

一種帶有輻射橫管的大井。井徑通常2～6 m，在井底或井壁按水平方向打進(jìn)濾水管以增大井的出水量，一般效果較好。濾水管多者出水量能增加數(shù)倍，少的也能增加1～2倍。輻射井按集水類型可分為集取河床滲透水型、同時(shí)集取河床滲透水與岸邊地下水型、集取岸邊地下水型、遠(yuǎn)離河流集取地下水型四種。

輻射井位置選擇的原則有以下三點(diǎn)：(1)集取河床滲透水時(shí)，應(yīng)選河床穩(wěn)定、水質(zhì)較清、流速較大，有一定沖刷能力的直線河段；(2)集取岸邊地下水時(shí)，應(yīng)選含水層較厚、滲透系數(shù)較大的地段；(3)遠(yuǎn)離地表水體集取地下水時(shí)，應(yīng)選地下水位較高、地下補(bǔ)給充沛的地段。

4.2 坎兒井

坎兒井是干旱地區(qū)一種特殊的開發(fā)利用地下水形式，它由主井、豎井、地下暗渠、地面渠道和“澇壩”(小型蓄水池)等部分組成，適用于山麓、沖積扇緣地帶，主要是用于截取地下潛水來進(jìn)行農(nóng)田灌溉和居民用水。最早起源于伊朗，在我國新疆及中東各國常見。新疆吐魯番的坎兒井總數(shù)達(dá)1 100多條，全長約5 000 km?？矁壕灰蚣竟?jié)、天氣變化使水分大量蒸發(fā)，因而流量穩(wěn)定，保證了自流出水。隨著科技的不斷發(fā)展，機(jī)井的使用越來越廣泛，并且具有投資少、效率高、開采方便等特點(diǎn)，幾乎不再新建坎兒井。

4.3 水平井

在淺層低滲透性含水層中，用常規(guī)取水井難以開采，過去大多采用大口井或輻射井等方法開采。將過濾器水平安裝于含水層中，可使井的過水?dāng)嗝婷娣e大幅度增加，從而可獲得比普通井大幾倍甚至幾十倍的出水量。該項(xiàng)技術(shù)最早用于石油開采和非開挖地下管線鋪設(shè)，目前可應(yīng)用于淺層含水層開采、地下水污染場地修復(fù)及鹽堿地改良等領(lǐng)域。

關(guān)于在薄含水層和低滲透性含水層中利用水平井開采地下水的水力學(xué)計(jì)算問題，陳崇希教授等提出了等效滲透系數(shù)的概念與確定方法，將“水平井-含水層”系統(tǒng)視為含有圓柱形透鏡體的非均質(zhì)含水層，將整個(gè)“水平井-含水層”系統(tǒng)簡化為一個(gè)非均質(zhì)介質(zhì)中定流量抽水或定降深抽水的問題，給出了新的水平井流數(shù)學(xué)模型，避免了采用線匯刻畫水平井管時(shí)假定其流量分布和水頭分布的困難。

4.4 自流井

自流井就是會(huì)自動(dòng)流出水來的井，一般當(dāng)打穿隔水層頂板、鉆到承壓水中的井叫承壓井，承壓井中的水因受到靜水壓力的影響，會(huì)沿鉆孔上涌至承壓水位的高度，當(dāng)承壓水位高于地面時(shí)，承壓水會(huì)涌出地表，形成自流井；雖有上涌，但不能噴出地面者叫半自流井。

自流井所需要的地質(zhì)條件是夾在不透水巖層之間的傾斜含水層，若地層分布適當(dāng)，受壓地下水可能不只一層，各層有各自的補(bǔ)給區(qū)，也有各自的承壓水面，因而若鉆到不同層的承壓地下水，井水的承壓水頭高度也各不相同。

4.5 灌抽兩用井

地下水灌抽兩用井為含水層存儲(chǔ)與回采(ASR)工程的一種形式，主要包括水源子系統(tǒng)、輸水管道子系統(tǒng)、水處理子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、地下水回灌流量調(diào)節(jié)子系統(tǒng)。地下水回灌流量調(diào)節(jié)設(shè)備主要包括：智能控制裝置、動(dòng)力裝置、傳感器裝置、灌抽兩用閥、輸水管路、止回閥。其中，智能控制包括可編程控制器、繼電器、觸控操作裝置；動(dòng)力裝置包括抽水泵、液壓泵、三通電磁閥、液壓油缸、液壓管路；傳感器裝置包括位移傳感器、壓力傳感器、限位開關(guān)；灌抽兩用閥包括環(huán)形閥體、套環(huán)、閥桿、密封壓蓋、內(nèi)管、活塞、進(jìn)油孔。

上述設(shè)備與水泵及管道連接后，通過控制系統(tǒng)即可使原抽水井在抽水模式和回灌模式兩種工況下間歇工作，使同一個(gè)井達(dá)到既能抽水又能回灌的功效。地下水灌抽兩用井可優(yōu)化含水層開發(fā)利用，提高地下水調(diào)蓄能力，能做到豐蓄枯用、緩解供需矛盾，對(duì)涵養(yǎng)地下水資源和恢復(fù)地下水生態(tài)環(huán)境具有重要的實(shí)用價(jià)值。

4.6 古跡井

有些井在先前用作取水工程，隨著時(shí)代的沿革，由于其特殊的歷史意義而被保存下來，現(xiàn)今被作為歷史古跡而不再取水或作為其他用途。如位于四川省邛崍縣清代的文君井、廣州市秦漢時(shí)期的越王井、我國香港元朗的屏山古井、北京故宮博物院內(nèi)的珍妃井、長沙市的明代白沙古井、我國臺(tái)灣省澎湖縣明代的四穴井、臺(tái)灣省臺(tái)中市鐵砧山上的明代劍井、臺(tái)灣省臺(tái)南市清代的延平街古井以及位于希臘雅典的古阿波羅神諭井和印度多地存在的階梯井(Stepwell)等。

5 保護(hù)對(duì)策

1)目前從事機(jī)井建設(shè)的部門眾多，特別是在農(nóng)村地區(qū)，包括水利、農(nóng)業(yè)、發(fā)改、國土等部門，但這些部門大多是只負(fù)責(zé)打井，不負(fù)責(zé)監(jiān)管工作。近年來，不斷有媒體公開報(bào)道廢井傷人事件，這不得不引出機(jī)井管理和保護(hù)的問題。據(jù)《管子》記載：“其田及宮中皆蓋井，毋令毒下及食器，將飲傷人”，在當(dāng)時(shí)已經(jīng)提出井要加蓋防止傷人，因此現(xiàn)在也需要井主人或管理(收益)者對(duì)井必須實(shí)施防護(hù)。造成機(jī)井廢棄的原因主要有：(1)施工和維護(hù)不善造成機(jī)井不能使用；(2)地下水位下降、造成吊泵致使機(jī)井報(bào)廢；(3)土地性質(zhì)改變、原有機(jī)井不再使用。各地主管部門應(yīng)建立機(jī)井管理信息系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)庫將機(jī)井納入統(tǒng)一管理；對(duì)廢棄井要按照所有權(quán)屬，做好填埋、封堵工作。

2)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，井的功能越來越多，地下水超采和通過機(jī)井污染地下水的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。應(yīng)按照《水法》和《水污染防治法》等法律法規(guī)要求，加強(qiáng)各地地表水與地下水統(tǒng)一調(diào)度和開發(fā)，嚴(yán)格控制地下水合理水位，防止地下水超采、地面沉降、水體(串層)污染的等現(xiàn)象發(fā)生。

3)隨著科技的不斷進(jìn)步，有些井已經(jīng)不能滿足時(shí)代的需求，但是對(duì)于有文化傳承意義的井，我們?nèi)孕璋阉鼈儽４?、管理好，讓其作為一種文化符號(hào)傳承下去。同時(shí)也應(yīng)該與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，在發(fā)展中保護(hù)好古跡井和井文化，賦予它時(shí)代的內(nèi)涵，與時(shí)俱進(jìn)。

6 結(jié)語

井是我們祖先智慧的結(jié)晶，也是祖先們改造自然利用自然的開端，從井的出現(xiàn)到如今井的發(fā)展，井的用途已經(jīng)不在局限于作為取水工具，它扮演對(duì)地下水研究保護(hù)的媒介這一角色顯得尤為突出。

[1]水井.https://baike.so.com/doc/6935781-7158137.html.

[2]第一次全國水利普查工作成果展.http://slpc.mwr.gov.cn/.

[3]維基百科.Water well, https://en.wikipedia.org/wiki/Water_well.

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[28]WHAT IS A WELL http://www.groundwater.org/get-informed/basics/wells.html.

[29]Well Basics, http://www.water.ca.gov/groundwater/wells/basics.cfm.