CN117803043B - 一种同井咸淡水同步开采回灌装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种同井咸淡水同步开采回灌装置及其方法，涉及水资源开采设备技术领域，包括依次穿过淡水层、第一隔水层、咸水层、第二隔水层和浓咸水层的水井，水井内设有用于抽取淡水和咸水的水管；水管的侧壁在与淡水层相对应的区域设有用于淡水进出的第一通孔，水管的侧壁在与咸水层相对应的区域设有至少用于咸水进入的第二通孔；水管上设有第一水泵，以及用于过滤和净化咸水的过滤组件；同井咸淡水同步开采回灌装置还设置有排放机构；本发明通过同步抽取淡水层和咸水层内的咸淡水，有效避免了咸水升锥问题，并通过将浓咸水回灌至浓咸水层，避免了直接排放浓咸水带来的环境污染问题，且本发明仅需设置一个水井，降低了水资源开采成本。

Description

一种同井咸淡水同步开采回灌装置及其方法

技术领域

本发明涉及水资源开采设备技术领域，特别是涉及一种同井咸淡水同步开采回灌装置及其方法。

背景技术

现有技术在开采淡水资源时，随着水资源的持续开采，咸淡水的分界层将上移即出现“咸水升锥”现象，导致部分咸水将进入抽水井内，抽出的水因咸度过高而无法使用；且开采到的浓咸水直接排放造成了严重的环境污染，同时，现有技术中需分别设置水井来实现淡水和咸水的开采，水资源开采成本较高。

故如何避免咸水升锥问题，提高淡水开采质量，避免开采到的浓咸水污染环境，并降低水资源开采成本成为了本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种同井咸淡水同步开采回灌装置及其方法，以解决上述现有技术存在的问题，以避免咸水升锥问题，提高淡水开采质量，避免开采到的浓咸水污染环境，并同时降低水资源开采成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种同井咸淡水同步开采回灌装置，包括依次穿过淡水层、第一隔水层、咸水层、第二隔水层和浓咸水层的水井，所述水井内设有用于抽取淡水和咸水的水管；

所述水管的侧壁在与淡水层相对应的区域设有用于淡水进出的第一通孔，所述水管的侧壁在与咸水层相对应的区域设有至少用于咸水进入的第二通孔；

所述水管上设有用于同时抽取淡水和咸水的第一水泵，以及用于过滤和净化咸水的过滤组件；

所述同井咸淡水同步开采回灌装置还设置有用于将所述过滤组件过滤出的浓咸水回灌至浓咸水层的排放机构。

优选的，所述过滤组件内置于所述水管中，所述水管的侧壁在与浓咸水层相对应的区域设有用于浓咸水排出的第三通孔，所述第三通孔构成所述排放机构。

优选的，所述过滤组件设置有咸水进口、淡水出口以及浓咸水出口，并且所述过滤组件通过所述咸水进口和所述淡水出口串接于所述水管上，所述咸水进口位于所述淡水出口的下游，所述浓咸水出口连接有浓咸水回流管，所述浓咸水回流管伸入至所述浓咸水层，所述浓咸水回流管构成所述排放机构。

优选的，所述水管在与咸水层相对应的区域还设有用于抽取咸水的第二水泵。

优选的，所述同井咸淡水同步开采回灌装置还包括位于所述水井内，且一端伸入咸水层的稳压管，所述稳压管的另一端与所述水井的地面环境连通。

优选的，所述同井咸淡水同步开采回灌装置还包括位于所述水井内，且能膨胀和收缩的第一封隔器以及第二封隔器；

所述第一封隔器设于淡水层与咸水层之间，并用于将淡水层与咸水层隔离开；所述第二封隔器设于咸水层与浓咸水层之间，并用于将咸水层与浓咸水层隔离开。

优选的，所述同井咸淡水同步开采回灌装置还包括设于咸水层内，且与所述第二通孔相连通的水平集水廊道。

优选的，所述水管上设有用于切换所述水管灌/抽模式的灌抽转换组件；

当所述灌抽转换组件为外置式地下水抽水回灌液压两用阀时，所述灌抽转换组件的一端与所述第一水泵相连，所述灌抽转换组件的另一端与所述水管伸出所述水井的一端相连；

当所述灌抽转换组件为井下电控抽水回灌两用结构时，所述灌抽转换组件位于所述水管与淡水层相对应的区域。

本发明还提供一种同井咸淡水同步开采回灌方法，包括以下内容：

枯水期时，通过同一口井中的同一根水管抽取淡水层的淡水，并同步抽取经过淡化后的咸水层内的咸水，对咸水过滤净化处理后形成净化淡水，所述净化淡水与所述淡水层中的淡水同步开采；

丰水期时，向淡水层内回灌淡水。

优选的，在枯水期同步抽取咸水时，还包括：将所述咸水过滤净化处理后形成的浓咸水回灌至浓咸水层；

在丰水期在向淡水层内回灌淡水时，封闭淡水层的下部，且通过所述水管向淡水层回灌淡水。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明通过第一水泵同时抽取淡水和咸水，使得咸水层和淡水层的水位同时下降，有效避免了咸水升锥问题，提高了淡水开采质量；同时，通过将咸水经过滤组件产生的浓咸水回灌至浓咸水层，避免了将浓咸水直接排放带来的环境污染问题，且本发明仅需设置一个水井便可实现上述功能，显著降低了水资源的开采成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为浅层同井开采咸淡水以及回灌浓咸水的结构示意图；

图2为浅层回灌淡水时的结构示意图；

图3为深层同井开采咸淡水以及回灌浓咸水的结构示意图；

图4为深层回灌淡水时的结构示意图；

图5 为过滤组件的结构示意图；

其中，1、淡水层；2、咸水层；3、浓咸水层；4、第一水泵；5、第二水泵；6、第三水泵；7、水井；8、过滤组件；9、第一封隔器；10、第二封隔器；11、淡水存储装置；12、水管；13、第一通孔；14、第二通孔；15、第三通孔；16、灌抽转换组件；17、第一隔水层；18、第二隔水层；19、土壤层；20、稳压管；21、水平集水廊道；22、井盖。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图5所示，本发明公开了一种同井咸淡水同步开采回灌装置，包括依次穿过淡水层1、第一隔水层17、咸水层2、第二隔水层18和浓咸水层3的水井7，水井7内设有用于抽取淡水和咸水的水管12；水管12的侧壁在与淡水层1相对应的区域设有用于淡水进出的第一通孔13，水管12的侧壁在与咸水层2相对应的区域设有至少用于咸水进入的第二通孔14；水管12上设有用于同时抽取淡水和咸水的第一水泵4，以及用于过滤和净化咸水的过滤组件8；同井咸淡水同步开采回灌装置还设置有用于将过滤组件8过滤出的浓咸水回灌至浓咸水层的排放机构。

本发明通过第一水泵4同时抽取淡水和咸水，使得咸水层2和淡水层1的水位同时下降，这避免了现有技术中因仅开采淡水层的淡水，导致淡水层内形成的负压将咸水层内的咸水吸入淡水层即咸水升锥问题，维持了淡水层和咸水层的水力平衡，使得开采出来的淡水均为合格的淡水，提高了淡水开采质量；且本发明仅需设置一个水井7便可实现上述功能，显著降低了水资源的开采成本。同时，通过过滤组件8过滤净化从咸水层2内抽取出来的咸水，使得咸水可变为符合工业/生产要求的淡水，从而进一步提高了开采水资源的质量。

其中，为保证淡水层1、咸水层2和浓咸水层3内水可顺利进入水管12内，本发明中水井7的管壁为透水材料。第一隔水层17和第二隔水层18由低渗透性天然沉积物构成。过滤组件8具体可为RO膜、反渗透膜等可实现咸水过滤淡化的结构。淡水层1的上方还具有土壤层19。且水管12伸出地面的一端连接有用于储存从地层抽取的淡水资源以及用于储存丰水期多余淡水资源的淡水存储装置11。

本发明中的过滤组件8与排放机构具有多种设置形式。例如，当排放机构为水管12上的第三通孔15时，第三通孔15用于浓咸水排出，且第三通孔15位于水管12的侧壁与浓咸水层3相对应的区域，且此时过滤组件8内置于水管12中。如此，当通过第一水泵4同时抽取淡水和咸水时，被第一水泵4所抽取的从浓咸水层3进入水管12内的浓咸水以及被过滤组件8过滤净化后产生的浓咸水在自身重力作用下将通过第二通孔14回流至浓咸水层3，从而避免了现有技术中将开采到的浓咸水直接排放造成环境污染的问题。

或者，过滤组件8设置有咸水进口、淡水出口以及浓咸水出口，并且过滤组件8通过咸水进口和淡水出口串接于水管12上，咸水进口位于淡水出口的下游，浓咸水出口连接有浓咸水回流管，浓咸水回流管伸入至浓咸水层3，浓咸水回流管构成排放机构，水管12与浓咸水层3相对应的区域并未设有可供浓咸水进入的通孔。如此，当通过第一水泵4同时抽取淡水和咸水时，咸水层2内的水被第一水泵4所抽取并从咸水井7口进入过滤组件8，经过滤组件8过滤净化后产生浓咸水和淡水，淡水从淡水出口排出并由第一水泵4继续提升直至存储在淡水存储装置11内，浓咸水则在自身重力作用下（亦可设置额外的回流水泵）通过浓咸水回流管回流至浓咸水层3，从而避免了现有技术中将开采到的浓咸水直接排放造成环境污染的问题。

再者，本发明中水管12在与咸水层2相对应的区域还设有用于抽取咸水的第二水泵5。通过第一水泵4和第二水泵5分别抽取淡水层1和咸水层2内的水资源，从而提高淡水和咸水的抽取效率，这尤其适用于深层淡水和咸水开采的情形。

如图3-图4所示，本发明中同井咸淡水同步开采回灌装置还包括位于水井7内，且一端伸入咸水层2的稳压管20，稳压管20的另一端与水井7的地面环境连通。且稳压管20被水井井口处的井盖22固定，稳压管20穿过第一封隔器9，且稳压管20与第一封隔器9之间密封连接。通过稳压管20将咸水层2与外界相连通，通过外界大气压压制咸水层2，防止因抽取咸水层2内的咸水过多，导致咸水层2上方形成负压区域，咸水层2水位上升的问题。同时，因咸水层2位于浓咸水层3上方，故稳压管20在防止咸水层2水位上升的同时，亦可防止浓咸水层3的水位上升，从而进一步避免了抽取淡水过程中咸水/浓咸水水位上升即咸水升锥问题，从而保证抽取出来的水资源均为合格的淡水。

如图3-图4，同井咸淡水同步开采回灌装置还包括位于水井7内，且能膨胀和收缩的第一封隔器9以及第二封隔器10；第一封隔器9设于淡水层1与咸水层2之间，并用于将淡水层1与咸水层2隔离开；第二封隔器10设于咸水层2与浓咸水层3之间，并用于将咸水层2与浓咸水层3隔离开。通过第一封隔器9隔离水井内的淡水和咸水，通过第二封隔器1隔离水井内的咸水和浓咸水层，保证水资源的开采质量。

第一封隔器9与第二封隔器10具体可为气囊，气囊连接有用于为气囊充气放气的抽排通道，抽排通道设于水井7内且不会干扰水管12。

如图1-图2所示，本发明在同井咸淡水同步开采回灌装置还包括设于咸水层2内，且与第二通孔14相连通的水平集水廊道21。水平集水廊道21即为水平井，通过水平集水廊道21可增大水井7与咸水层2的接触面积，即增大了水井7在咸水层2的进水面，提高了抽取咸水的效率，使得咸水可更快的被过滤组件8净化为淡水。

如图1-图4所示，本发明在水管12上设有用于切换水管12灌/抽模式的灌抽转换组件16；当灌抽转换组件16为外置式地下水抽水回灌液压两用阀时，灌抽转换组件16的一端与第一水泵4相连，灌抽转换组件16的另一端与水管12伸出水井7的一端相连；当灌抽转换组件16为井下电控抽水回灌两用结构时，灌抽转换组件16位于水管12与淡水层1相对应的区域。

通过灌抽转换组件16的设置，使得本发明仅通过一根水管12便可同时实现水资源的抽取和回灌功能，进一步降低了水资源的开采成本。具体的，当抽取水资源时，灌抽转换组件16处于封闭状态，根据开采水资源的深度以及现场需求，开启第一水泵4和第二水泵5，或者仅开启第一水泵4，进行水资源的抽取；当向地层内尤其是向淡水层1回灌淡水时，开启灌抽转换组件16，使得水资源可排放至淡水层1。同时，通过灌抽转换组件16可控制回灌水流的大小，降低气泡对透水层的影响，提高了回灌效率。避免了现有技术中回灌时无法控制水流大小，出水口压力变化大导致水中携带大量气泡，在渗流的过程中就会附着在土壤的空隙间堵塞透水层空隙，时间不长，透水层就会大部分堵塞，导致回灌效率较低的问题。

其中，本发明中灌抽转换组件16的具体结构可参考专利文件CN104235432 B中的外置式地下水抽水回灌液压两用阀或专利文件CN104328821B中的井下电控抽水回灌两用装置。外置式地下水抽水回灌液压两用阀包括环形阀体、上液压缸体和下液压缸体，环形阀体顶端设置上开口，环形阀体底端设置阀座，阀座上设置下开口，环形阀体内靠近阀座位置设置稳定架，稳定架上设置过水口，稳定架中部设置穿孔，穿孔内设置阀杆，阀杆远离阀座一端设置限位板，阀杆靠近下开口一端安装与下开口相对应的阀瓣，阀瓣与稳定架间设置压缩弹簧，压缩弹簧套在阀杆上，在环形阀体内壁上设置出水口，出水口位于稳定架上方，阀座底部安装下法兰，环形阀体外壁上套装下液压缸体，下液压缸体安装在下法兰上，下液压缸体上设置下通液孔，下液压缸体底部设置第二通孔（并非本发明中第二水管上的第二通孔），第二通孔间设置下推杆，下推杆靠近下法兰一端安装与下液压缸体相适应的下活塞，下推杆远离下法兰一端安装密封套，环形阀体顶部安装上法兰，环形阀体外壁上套装上液压缸体，上液压缸体安装在上法兰上，上液压缸体上设置上通液孔，上液压缸体底部设置第一通孔，第一通孔间设置上推杆，上推杆靠近上法兰一端安装与上液压缸体相适应的上活塞，上推杆远离上法兰一端安装密封套，密封套套在环形阀体上，密封套能够完全封堵出水口。上法兰的顶部接第一水泵4，下法兰的底部接本发明中的水管12。

井下电控抽水回灌两用装置包括外管、内基管、环形步进电机、螺纹管和阀套装置，外管壁上开设有竖向排列的阀口，环形步进电机位于外管与内基管形成的环形腔体内，内基管包括上内基管和下内基管，环形步进电机的转子套设在上内基管上，环形步进电机的定子固定在外管内壁上，环形步进电机的输出轴与螺纹管连接，螺纹管位于环形步进电机转子下方，螺纹管套设于上内基管上，阀口上方的外管内壁上设有密封装置，螺纹管与密封装置紧密接触，螺纹管的底部通过阀套装置与下内基管连接，下内基管的底部设有上水口；阀套装置包括阀环、阀杆和堵头活塞，螺纹管的底部通过阀杆与阀环连接，阀环通过阀杆与堵头活塞连接，堵头活塞位于下内基管内且可上下自由滑动，阀环紧密贴合在外管内壁上且可上下自由滑动。外管为水管12。

此外，本发明还提供一种同井咸淡水同步开采回灌方法，包括以下内容：

枯水期时，通过同一口井中的同一根水管12抽取淡水层1的淡水，并同步抽取经过淡化后的咸水层2内的咸水，对咸水过滤净化处理后形成净化淡水，净化淡水与淡水层1中的淡水同步开采；丰水期时，向淡水层1内回灌淡水。

一方面，通过同一口井中的同一根水管12抽取淡水层1的淡水和咸水层2的咸水，这使得淡水层1和咸水层2的水位同步下降，避免了仅抽取淡水层1，导致咸水层2水位上升即咸水升锥问题，保证了水资源开采的质量；另一方面，咸水层2内咸水在经过过滤净化后形成符合要求的淡水，这避免了因未对咸水进行过滤净化，水管12的咸水将使得淡水咸度升高，抽取出来的水资源均不符合要求的问题，从而进一步提高了水资源开采的质量。再者，仅通过一个水井7、一根水管12便可实现上述功能，极大的降低了水资源的开采成本。

进一步的，在枯水期同步抽取咸水时，还包括：将咸水过滤净化处理后形成的浓咸水回灌至浓咸水层3；在丰水期在向淡水层1内回灌淡水时，封闭淡水层1的下部，且通过水管12向淡水层1回灌淡水。

在抽取咸水时，本发明还会将咸水过滤净化处理后形成的浓咸水回灌至浓咸水层3，从而避免了现有技术中将开采到的浓咸水直接排放造成的环境污染问题。且丰水期在向淡水层1内回灌淡水时，封闭淡水层1的下部（封闭淡水层下部这一功能可通过第一封隔器9的膨胀来实现），通过水管12向淡水层1回灌淡水，这实现了定层回灌，即使得淡水几乎（大部分）均被回灌至淡水层1内，实现了“压咸补淡”，将咸水层2与淡水层1的分界线下压，使得淡水开采过程中咸水升锥现象更不易发生，为枯水期的水资源开采做好了储备，从而进一步提高了淡水资源的开采效果。

需说明的是，本发明在开挖水井7、放置水管12以及在调节水管12泵送深度时，可通过水质传感器检测不同深度水层的咸度来实现。

本发明中图1-图5中的箭头代表水资源（包括淡水、咸水和浓咸水的流动方向）。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种同井咸淡水同步开采回灌装置，其特征在于，包括依次穿过淡水层、第一隔水层、咸水层、第二隔水层和浓咸水层的水井，所述水井内设有用于抽取淡水和咸水的水管；

所述水管的侧壁在与淡水层相对应的区域设有用于淡水进出的第一通孔，所述水管的侧壁在与咸水层相对应的区域设有至少用于咸水进入的第二通孔；

所述水管上设有用于同时抽取淡水和咸水的第一水泵，以及用于过滤和净化咸水的过滤组件；

所述同井咸淡水同步开采回灌装置还设置有用于将所述过滤组件过滤出的浓咸水回灌至浓咸水层的排放机构；

所述过滤组件内置于所述水管中，所述水管的侧壁在与浓咸水层相对应的区域设有用于浓咸水排出的第三通孔，所述第三通孔构成所述排放机构；

所述过滤组件设置有咸水进口、淡水出口以及浓咸水出口，并且所述过滤组件通过所述咸水进口和所述淡水出口串接于所述水管上，所述咸水进口位于所述淡水出口的下游，所述浓咸水出口连接有浓咸水回流管，所述浓咸水回流管伸入至所述浓咸水层，所述浓咸水回流管构成所述排放机构。

2.根据权利要求1所述的同井咸淡水同步开采回灌装置，其特征在于，所述水管在与咸水层相对应的区域还设有用于抽取咸水的第二水泵。

3.根据权利要求1所述的同井咸淡水同步开采回灌装置，其特征在于，所述同井咸淡水同步开采回灌装置还包括位于所述水井内，且一端伸入咸水层的稳压管，所述稳压管的另一端与所述水井的地面环境连通。

4.根据权利要求1所述的同井咸淡水同步开采回灌装置，其特征在于，所述同井咸淡水同步开采回灌装置还包括位于所述水井内，且能膨胀和收缩的第一封隔器以及第二封隔器；

所述第一封隔器设于淡水层与咸水层之间，并用于将淡水层与咸水层隔离开；所述第二封隔器设于咸水层与浓咸水层之间，并用于将咸水层与浓咸水层隔离开。

5.根据权利要求1所述的同井咸淡水同步开采回灌装置，其特征在于，所述同井咸淡水同步开采回灌装置还包括设于咸水层内，且与所述第二通孔相连通的水平集水廊道。

6.根据权利要求1所述的同井咸淡水同步开采回灌装置，其特征在于，

所述水管上设有用于切换所述水管灌/抽模式的灌抽转换组件；

当所述灌抽转换组件为外置式地下水抽水回灌液压两用阀时，所述灌抽转换组件的一端与所述第一水泵相连，所述灌抽转换组件的另一端与所述水管伸出所述水井的一端相连；

当所述灌抽转换组件为井下电控抽水回灌两用结构时，所述灌抽转换组件位于所述水管与淡水层相对应的区域。

7.一种同井咸淡水同步开采回灌方法，使用权利要求1-6任一项所述的同井咸淡水同步开采回灌装置，其特征在于，包括以下内容：

枯水期时，通过同一口井中的同一根水管抽取淡水层的淡水，并同步抽取经过淡化后的咸水层内的咸水，对咸水过滤净化处理后形成净化淡水，所述净化淡水与所述淡水层中的淡水同步开采；

在枯水期同步抽取咸水时，还包括：将所述咸水过滤净化处理后形成的浓咸水回灌至浓咸水层；

丰水期时，向淡水层内回灌淡水；封闭淡水层的下部，且通过所述水管向淡水层回灌淡水。