南疆大开发中的大口径淡水浅井——南海四个人工吹沙岛下淡水透镜体的开发方法--中国期刊网

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南疆大开发中的大口径淡水浅井——南海四个人工吹沙岛下淡水透镜体的开发方法

发表时间：2020/7/3 来源：《基层建设》2020年第6期作者：赵新民刘亦菲

[导读] 摘要：本文介绍了奋战在南疆沙漠区的筑路工人所创建的一种简单实用的在盐碱地区打大口径淡水浅井的方法，这个方法也是南海人工吹沙岛下淡水透镜体的开发方法。

        陕西省公路设计院桥梁室 710000;北京市朝阳区 100101
        摘要：本文介绍了奋战在南疆沙漠区的筑路工人所创建的一种简单实用的在盐碱地区打大口径淡水浅井的方法，这个方法也是南海人工吹沙岛下淡水透镜体的开发方法。文章的最后提出了；为了避开极端恶劣的天气，从雅鲁藏布江向南疆输水从一开始就应当以暗河的形式，进入沙区季节性河流后可采用本文介绍的方法。
        关键词；淡水透镜体，不完整井，大口径淡水浅井，南海人工吹沙岛
        先谈谈什么是“淡水透镜体”？
        二零一八年的十月，在远离中国大陆的南海海域，我国南方某知名大学的科普工作者通过取样化验分析发现；在蔚蓝色的海水包围的永暑人工吹砂岛下面的砂层潜水中竟然存在有一层淡水，它像一个巨大的玻璃凸透镜一样（中心厚，外沿薄）汇集在沙岛下的细砂层中盐鹹海水的最上面，它的矿化度很低，人们可以直接用来饮用。
        事实上，最早提出淡水透镜体这个名词概念的是40多年前（1976年）中国科学院兰州冰川冻土沙漠研究所的专著《中国的沙漠》一书里。该书指出在南疆浩瀚的沙漠里的一条条季节性河流、古河道实际上就是一座座天然的淡水库，它是环绕沙漠边缘的高山的冰雪融水沿着古老的河谷蜿蜒而下，千万年对沙区盐碱区域的河床不断地洗刷又不断地补充雪水的结果，河床中淡水层的横剖面就像一个巨大的玻璃透镜体，河中心最厚(一般为3—5米)，向两岸逐渐减少。
        我国南海永暑人工吹沙岛下出现的淡水透镜体也是大自然的恩赐，是海洋上空飘落的雨水对砂岛细沙层里渗进的盐碱海水不断排挤，不断冲洗又不断补充积累的结果，可以很武断地说，在南海所有的沙岛沙滩中心，人们一旦挖开覆盖的沙层都能立刻找到可以食用的淡水。
        南疆季节性河流河道中的淡水透镜体早在几十年前就被我国西部的科普工作者发现并写成了科学专著，给前往沙区探险的国人明确指出了寻找淡水资源的地点，可是这种极其珍贵的淡水资源却一直静静地沉睡在每一条季节性河床的里面，几十年来过去了，至今人们一直无法开采利用。
        淡水透镜体位于古河道盐碱地下水的最上层，一般来说，距离河面约2米左右，如果要打井取水，这种水井只能是浅井，不能也没有必要穿越整个沙砾层。这种井底座落在整个细沙层最上面的水井，同我们常见的水井井圈座落在最下面的岩石层或不透水的黏土层不一样，在水工专著里叫“不完整井”。。
        从一九六九到一九七六年的文革时期，从青海油沙山到新疆米兰县的瓦石峡，我曾经多年跟随交通部公路二局三处二队在沙漠戈壁地带修建0701公路（青海-新疆）段。作为一个从学校分配来的毕业生和农民合同工一样；既要劈山修路基跨沟建桥涵，还要经常寻找工程及生活所需的淡水。
        一九七五年九月是这支苦战在青藏高原近十年的筑路大军离开南疆最后的一个秋天，为了解决淡水，一套靠柴油发动的现代化的建桥机械《冲击锥》从内地运到南疆工地已经有两个多月了，可是打井的师傅无论如何绞尽脑汁，操作手换了一个又一个，工地昼夜灯火通明，夜以继日的加班加点都毫无进展，无法冲出一个泥水竖井来。更无法采用桥梁桩基施工的常规方法下沉一节节无砂混凝土井筒，近十吨重的铸铁十字锥砸在沙层上只是引起工地隆隆的地震，随着十字钻头不断起落，钢丝吊索不断的增长，钻机的吊索摇摆的幅度由小变大、承受冲击力的井架钢轴在一个月内已经发生了两次断裂……。
        寒风飕飕地吹着一顶顶破旧的帆布棉帐篷，南疆严寒的冬季早早地已经降临到工地。无奈下，那些打井的工人师傅们在机毁油尽的面前只能认输，连夜捆起行李坐着工程车撤离了工地，白茫茫的盐碱荒漠里只剩下近百名陕北农村合同工留在工地的帐篷里等待大本营救援。
        眼前的河滩早就已经干沽了。
        工地的储水大铁罐早已见底了。
        远山的寒风传来了隐隐约约的铃铛声，从阿尔金山达西塔板峰驼运冰块过冬的维族老乡已赶着毛驴走在回来的戈壁滩的小路上。
        不能再等待了！
        最终，在几个热心工友的建议下，二队的党支书权钟平决定让我带领所在的普工六班十几个工友利用打井师傅们丢弃的《无砂混凝土》井圈及库房里的蛇皮回收袋重新打井（蛇皮袋是工地开山装管状炸药的化纤包装回收袋）。
        ……两天后，在白色茫茫的瓦石峡盐碱荒原上，在权书记和六班十几个工友的努力下，一口很不起眼的甜水井竟然出现在古河道边，记得当时权书记提着烧开的水壶在工地帐篷外兴奋地大喊，快去打水啊，水还是甜的啊！
        虽然这口水井只有四米深，水也只有半米，井底清澈冰凉的甜水却取之不尽用之不竭。
        第二年春节过后，冬季寒假结束，我又重返南疆米兰工地，留守在米兰工地照看筑路设备的外号叫《死狗》的司师傅告诉我；在漫漫的冬天长假里，曾经有三个生产队的维族老乡骑着毛驴远道赶来取水，这是一个值得欢庆的冬天，这口很不起眼的甜水井从此结束了他们世世代代从达西塔板峰驼运冰块过冬的历史。
        其实，对于眼前出现这喜讯我还是很平静的，文革中我因《家庭出身问题》一直在工班劳动，工友们的身上有多少颗汗珠，我也有多少颗汗珠，工友们的脸上褪过多少层皮，我也褪过多少层皮，但我毕竟是桥梁专业大学本科五年的毕业生，工友们也从来都没有把我当做他们普通的一员看待，在当年开挖0701线每一道涵洞基坑时，一到休息时间，我就在含水饱和的潮湿粉沙地基上用脚踩出一个被液化了的沙坑，从沙坑里用双手舀水嗜尝过渗出的清水，我终于明白；在南疆荒漠的戈壁滩沙区每一条亁凅小河床下，临近地面都有一层可以食用的淡水，当工程处从内地调运来一套打井机械并开始运转的时候，我又和工友们仔细观察探讨，太多的潜意识让我终于明白这支打井队伍面临着一个个无法解决的技术问题，……
        为什么这样悲观呢？我知道；在建设桥梁灌注桩时，对于不同的地质应该用不同的专用机械，没有一种能够适合各种地层的机具。
        重力式的十字《冲击锥》在充满漂石的乱石河滩可以利用自身的重量和泥浆把漂石一点点挤向四周，同时又把砾石及沙土挤入井内，最终让漂石与胶泥箍成一个很深的泥水井，再放桩基钢筋笼，再浇筑水下混凝土，对于漂石的乱石河滩的地层采用重力式的十字《冲击锥》没有问题的。
        在遇到沙土地层时应该用《锅锥》来施工，建桥工人像农村人《推磨》那样利用锅锥的重量及锅锥下面的刀刃，把潮湿的细砂一圈圈一层层卷入锅锥内，再利用吊车把塞满细砂的锅锥吊起，紧接着用吊车向泥水井置放桩基钢筋笼，再浇筑水下混凝土，这也是没有问题的。为了防止井壁塌方，依然采用黏性很好的胶泥作为护壁的主要材料，从一开始就应不断向井内注入这种胶泥的泥浆，但《锅锥》仅仅只是民间修建中小桥所采用的一种施工机具。
        实际上，建桥部门甚至是煤矿部门，石油部门，都采用黏性很好的胶泥作为护壁的主要材料，打井时向井内不断注入这种胶泥的泥浆。在无法找到胶泥材料时，可以采用最先进的《干冰冻结法》，人们利用干冰在汽化为二氧化碳时会吸收大量的热，将井壁冻结来防止井壁因渗水而发生塌方。
        可以说所有的打井原理都相同，人们都采用有一定水头压力的胶泥浆“堵住渗水”的方法防治井壁塌方。
        那末，假如用《锅锥》来施工，大口径的泥水井是可以很快建成的，可是这种被胶泥填满了砂砾缝隙的泥水井还能抽水吗？不能！因为可以食用的淡水位于井临近地面的最上层，而抽水水泵却是置放在井的最下层，当用水泵抽取泥水时，井内泥水浆的水头压力变为负值，塌方事故必将发生。
        文革期间，从白雪皑皑的青藏高原到一望无垠的南疆荒漠，交通部公路二局三处曾经是一支机械化程度很高的筑路大军，依靠着强大的运输车辆来解决所需的淡水，生产管理部门自然不会有人想过就地取材利用这种淡水资源。
        在南疆的两年，人们经常可以在乡间看到脖子上挂着一个大肉囊的维族老人，他们从米兰县政府大院的深水井采用电动泵抽水，但这里的井水既鹹苦，喝了皮肤还骚痒，在油沙山施工时一个台班水车每天只能跑一个来回，远途运来的湖水竟比汽油还贵。
        1977年的中国新闻界，围绕着南疆大开发的课题，众说纷纷，每一条信息的传来都牵扯着亿万中国人的心；
        首先是科普工作者彭加木在南疆荒漠为考察队的队友寻找淡水时消失在夜幕里，有去无回，好心的《华商报》还刊登了一位专家《迷走路线图》，一年后据说在在一个沙坑里发现了他的骨骸；
        上海著名的旅行家余某在穿越南疆荒漠时遇难，在茫茫的塔里木荒野中，搜救人员在一顶破旧的小帐篷里发现了他早已僵硬的遗体；
        最让人张目结舌的是一位那个年代最时髦的学者，西安某著名大学的图书馆霍馆长的发表的高论；‘将东海海水提升1200米，把海水引到南疆，100年后可实现’。
        太多的潜意识和梦境的表达让天下的读者都自叹不如啊。
        不久，我在陕西西安钟楼东边的《新华书店》二楼科技书架上看到了《中国科学院兰州冰川冻土沙漠研究所》的专著《中国的沙漠》一书，立即意识到找到了实现梦境的理论根据，一有空闲便在陕西省图书馆翻阅有关资料：细读了像《细砂混凝土》等相关文章（南疆沙区的细沙是不宜制作混凝土井圈的；采用细沙制井圈时必须改变混凝土的级配，另加减水剂，细沙混凝土凝固时收缩大、易开裂）
        在《长安大学》几位老师的鼓励下，终于写成了《我国西北沙区及盐碱地区，打大口径淡水浅井的方法》一文，这篇论文介绍了我和工友们总结的一种极为简便有效的在沙漠里解决食用淡水的方法，最终发表在《交通部西安公路科研所》主办的《西北公路运输科技》（1977年）刊物上。
        有人讲；人生最幸福的是，当你生命结束的时候，你所创造的东西能够继续为人们服务。人生最可怕的是，当人们需要你的时候，你却无能为力。
        我在这里简要地向人们介绍一下我的方法；
        沙漠里的水与海水一样都是盐碱水，沙漠里的地下水位很高，从地面到蓄水面也就是2、3米，因为是盐碱水所以不能食用。
        沙漠里或人工吹沙岛下一般为几十米到几百米的粉沙或细沙，砂层是透水层，也是蓄水层。假如河道地层充满完全相同球形的小砂粒，可以很容易求出蓄水率：
        一个边长为1的正方体的体积为1；一个直径为1的球的体积为0.5236，故其空隙为0.4764。
        由于沙粒并不是球形，还混有更细的粉砾，实测表明；实际的空隙率或蓄水率应该比0.4764要小一些，但大于0.3。
        我们的打井方法很简单；
        1.在春季地下水位最低时，在季节性河流的河床两岸或人工砂岛的中心地面上挖一个圆形的基坑，挖到蓄水面为止。

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(见附图1)
        2.在基坑里放一个用细钢筋做成一个很结实的环状钢筋网，直径5～8米，（见附图2,3）
        环状钢筋网外径的大小直接关系到将来的涌水量。
        环状钢筋网是为了保证摆放装满沙砾的沙袋整体向下缓缓沉降，有了它，沙袋只能垂直向下，没有它，沙袋会随水流向井中心淤集，从而阻挡了井中心的混凝土井圈的沉降。是打淡水井的关键。不但必须有，而且绑扎必须牢靠。
        将已经制成的钢筋混凝土井圈（直径1.5~1.8米，厚0.1米，高0.5米）放在环状钢筋蓖的内部沙层上，沙袋应采用能挡砂透水的尼龙编织的蛇皮袋，填料最好用透水性能良好的小石子，如果困难，可以就地取材利用挖出的粗沙。老百姓缺乏尼龙编织的蛇皮袋，可以用芦苇蓆袋，芦苇杆编成的草蓆具有优良的滤砂透水功能。自古以来，在我国，民间修建桥梁的桥头导流堤时，聪明的桥工一直利用芦苇蓆既能挡砂又能透水的特点，沿着桥头导流堤的中心线，每人各拿起一张芦苇蓆连串成一个曲面，利用淤砂将河水改道，从而获得极大的经济效益。
        3.当位于井圈内的打井工人开始从井内掏砂并向井外抛弃时，井内砂层就开始渗出地下水，工人向外淘沙时应将井内渗水不断地提取并洒在最外圈的砂袋上（见附图4.5），这时环状钢筋蓖下面的细沙流向井内，井淤随即发生，摆放整齐的砂袋也因环状钢筋蓖的制约渐渐整体下沉，掏井工人应不断地增加环状钢筋蓖上面的砂袋及中间的钢筋混凝土井圈（井圈的内壁要预先焊接淘沙工人上下井的扶梯钢筋及定位的短筋，采用不锈钢板做的井圈要像卖蒸馒头店里的铁笼，相互卡住见附图7），要一鼓作气连续淘沙泼水，切不可中途休息停顿，两米井深半天很快就建成了。
        4.为了保证在极端恶劣的气候条件下这种水井的长期使用，防止混凝土井圈被酷热或严寒破坏，必须做井盖，使井内大致保持恒温，井盖最好采用木板或钢板，如果采用钢筋混凝土做，必须对混凝土井盖进行处理。（见附图6）
        我们知道；当井水洒在混凝土井盖时，水会立即沿着混凝土表面的微小裂隙渗入内部，水在结冰时体积增大，会产生很大的膨胀力，混凝土的特性是抗压不抗拉，在膨胀力的作用下混凝土表面层被一层层剥离，露出钢筋而破坏，根据上述，制作抗冻混凝土就是制作抗渗混凝土，在这方面虽有多种方法，但都是为了消除混凝土表面的细小裂纹。在南疆最简单的方法是在井盖的表面刷一层融化的石蜡。
        5.当采用人工在井下挖砂时，要事先在井的中心放一个洗衣盆，人站在洗衣盆里可以很灵活的转身挖沙，顺着钢筋混凝土井圈方向不断有序地淘沙，如果不放洗衣盆，双脚直接站在井内砂面，很快就陷入淤沙里不能转身，长时间在同一个地方淘沙，就会导致混凝土井圈倾斜，要想纠正，立即将井水浇在外圈沙袋上，井淤的出现导致沙袋围堰整体下沉，倾斜的混凝土井圈自然会渐渐地被扶正。
        淘沙时当然可以采用机械配合，工人不用下井，如采用《锅錐》，或央视广告里在沙漠里植树挖树坑所用的小型柴油旋喷机，不过这种机械可以用在专业的打井队。
        而我介绍的方法是每一个农户都有能力胜任的方法。
        上述方法的特点是把“井淤”作为一种动力，与传统的打井“堵”的原理正好相反。
        采用挡砂透水性能良好的的尼龙蛇皮袋或芦苇席袋做围堰，因一直处于水下是不会腐烂的。由于地下水在细沙里渗流得很慢，所以这种井必须是大井圈，需水量大，环形钢筋蓖就应大。
        下面我们不妨介绍一下这种井的涌水量设计；
        假如打一个外径2R=5米，淡水深H=3米的大口径水井，它的涌水量是多少呢？
        井内已有的积水=H*3.142*R*R*0.4
        =3*3.142*2.5*2.5*0.4=23.6立方米
        上述算式中的0.4为井内的蛇皮编织沙袋的空隙率，假如一辆水车水罐的容量为2.5立方米，这说明从上述井中可以一次连续抽取10辆水车所要的淡水。
        不妨考虑一下在抽水的过程不断有新的淡水渗流到井内。
        由于我们今天的土力学所研究的成果都是《完整井》的渗流问题，还没有《不完整井》的渗流问题，《不完整井》前面已经说过，是指井底座落在透水砂层中的水井。根据网上研究坑壁粉砂渗流的资料，可以估算如下；
        坑壁周围最大竖向渗透面S==3*3.142*5=47.1平方米
        竖向壁砂土的渗透系数在刚开始取水应为零（静水状态）
        井内水面在最低时，渗流系数最大，经验值为6-8 m/d ，这里取平均值为4m/d
        故渗水量=47.1*4立方米/日=188立方米/日，即在连续24小时的渗水量为188立方米，井内的积水空间=23.6立方米；
        188/23.6=8次。
        即这口井每3小时可连续抽水1次，一日24小时可抽水8次，
        每分钟为188/24/60=0.13立方米，
        这实际上是较小的，说明井径2R的大小决定了抽水量及抽水机械的型号。
        由于农民朋友们是一个很分散的劳动群体，不一定能在季节性河床地下水位最低的季节打井，没关系！当河床下的地下水下降，井水消失，我们只需按文章前面介绍的方法掏一次井就行了。当位于井底的农民（一定要站在面盆内，防止陷入）开始从井内沿着井圈掏砂向井外抛弃时，井底砂层就开始不断渗出地下水，向外淘沙时也应将井内渗水不断地提取并洒在外圈的砂袋上。
        利用井淤现象，把它作为一种下沉水井的动力。
        由于淡水层的断面是一个透镜体型态，总量不大，所以，在农业只能采用滴灌的型式，不能采用漫灌。在军事驻地需要另配备几个大型的储水罐。
        为了补充季节性河床里的稀缺的淡水进一步发展农业，不久前，中国科学院院士、清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室主任王光谦老师提出了一个把雅鲁藏布江引入南疆的方案，本人感到这个方案是可行的。
        中国雅鲁藏布江流淌着大量优质的高原雪水，一直没有得到充分利用，每年流出国境近１４００亿立方米。
        我的方案；我们将雅鲁藏布江在布达拉宫西侧拉萨河做为起点，在岸上打开一个缺口设闸修建隧道，沿着青藏铁路的走向穿过唐古拉山直到格尔木，再转向西沿着315国道，穿越茫崖市，进入南疆米兰河的上游河谷，这段输水隧道的距离约为1581公里，远远小于在雅鲁藏布江的转弯处修建拦河坝，再通过6700公里的人工渠把江水引向南疆。
        由于雅鲁藏布江的海拔远远高于南疆米兰河谷，采用一定的坡度输水隧道可以实现全线自流，不需要在任何地方采用动力提升。可以想象到；从隧道出口的雅鲁藏布江江水在改善了格尔木市及茫崖市的用水后，会沿着米兰季节性河流的河谷流下，继而以淡水透镜体的状态流入沙漠的深处。
        由于青藏高原冰冻期长，终年狂风不断（长达9个月），地表水蒸发量很大。为防止人工水渠在中途因地质断层造成的渗漏、风吹日晒引起的蒸发、冰冻堵塞而断流，这个引水渠从起点就应该是隧道暗渠。像新疆伊犁地区的《坎儿井》一样，人们不需要在起点的雅鲁藏布江上修建惹人注目的大型拦河坝，便能神不知鬼不觉地从地下隧道把雅鲁藏布江的江水引入南疆，从而减少下游外国的恶评，也避免了大型的拦河坝激发地震的频发。
        为了减少大型隧道机械设备前期搬迁费用，前面说了；应该以青藏铁路为控制线先修建若干个大型竖井，再利用钻岩机打引水隧道。
        这里需要解决的仅仅只是穿越断层时隧道内漏水以及废渣的堆放问题，在遇到断层破碎带时，可以通过小型钻孔机把掺有缓凝剂的水泥浆用泵灌入，固化整个破碎带。隧道内壁只需要在风化严重处喷一层聚丙烯网状纤维的水泥砂浆保护层，从而降低造价缩短工期。从西安终南山大隧道的施工中可以知道；采用地铁施工的方法不会产生过多的征地和移民问题。目前我国的地铁技术已经成熟，采用机械化的施工方法在氧气稀薄的高原是必须的，这个方案能够一劳永逸，能将所取的高原优质的没有任何污染的雪水，不断送进南疆，这是一件关系着千秋万代兴衰的事业，所以必须提前进行。
        新疆有优越的光照条件，如果全区水源丰富，能增加到３亿亩耕地，一定会是中国最美丽的大花园，亘古的戈壁荒滩也将会成为中国最辽阔的粮仓。新疆最少可生活2亿人。
        人类只能顺着大自然的脾气去索取。
        南疆的生态恶化，很多土地目前盐碱化灾害已经十分严重，这恰恰是由于在上游修水灞搞渠灌漫灌，导致地下砂层盐碱水位上升的结果。而下游却因多年断水导致生态毁灭恶化。
        未来南疆的生态农业应是这样的；
        1. 根据需要的用水量推算环状钢筋蓖外径及井深，计算大口径淡水浅井在季节性河流两岸布置的间距。
        2. 利用太阳能板做屋顶（夏天很热但无风），发展小型的家庭用的风力发电（冬天从9月到来年3月风很大），解决当地农民滴灌、喷灌所需的电力及生活用电。
        3；作为工程的第一期，把隧道打通，引水到南疆。作为工程的第二期，在隧道的每一个竖井处，建成一个个小型水力发电机房，把电力输送到南疆。
        结束语；
        物理学家爱因斯坦说过这样的话；“我之所以比别人看得远，那是因为我站在伟人牛顿的肩上。”
        当文章写到这里，我深深地感谢长安大学已故的赵恩棠、梁希伯恩师，正是在他们的教导下，才完成了一九七七年的第一稿。不幸的是，那时刚刚开始恢复高考，《白卷》先生却又成了反潮流的英雄，又有谁看过这本刊物呢？
        文稿早已发表，几十年几乎无人问津。在二零一九年的放眏的《激情燃烧的岁月》的电影里，南疆白茫茫的盐碱荒漠，核试验基地的科学家们靠早晨的冷空气用U型玻璃试管来收集露水，解决维持生命的淡水，有没有人想过；在这些科学家的脚下2米处，亁凅的河床细砂里就有取之不竭的可以食用的淡水？2020年网上有人讲；中国将在雅鲁藏布江的转弯处修建拦河坝，再通过6700公里的人工渠把江水引向南疆。人们要问；在极端严酷的气候状态下，这种人工渠需要多大的过水断面，才能抵消因风吹日晒的蒸发、断层造成的渗漏、冰冻造成的阻塞？
        二零一九年，南疆大开发又提到了日程，在西安电力设计院杨惠琴（党员工程师）的鼎力支持下。在朋友圈里，我的文章又得到了崔永元团队的成员影视工作者刘亦菲的十多次帮助，茜茜姑娘深邃的哲理，深厚的文学功力都使我收益不浅，她对生活在祖国边疆的兄弟民族的寄托的情谊深深地感动了我，让我又重新修改了稿件。在此对他们的支持和鼓励深表敬意！