環境地下水監測井建井
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環境地下水監測井建井
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地下水監測井的幾個設計因素包括了井管，井篩，井篩濾料，環形封層和井頭防護措施。
井管與井篩
如今，大多數的監測井構建會使用聚氯乙烯（PVC）或不鏽鋼材料，其次是低碳鋼或鍍鋅鋼。其它材料（ABS，PE，PP）很少適用於環境監測井的建造，或者生產尺寸通常不適合於監測井的建造。
PVC作為井管和井篩的材料，具備化學性穩定的特點，適合於各種自然地質化學及污染條件下的使用。同時，PVC井材強度高，每單位長度的重量低。PVC井篩部分能夠獲得較高的井篩開口面積。PVC井材的供貨商很多，因此價格相對低廉。主要的局限性體現在，當高濃度（通常大於水中溶解極限的25%）的某些有機溶劑（酮類，氯化烯烴和烷烴）存在於地下水中時，可能發生PVC材料的降解。另外，PVC井材不適合高溫環境（比如在凈水泥灌漿或一些使用高溫進行地下水修復的場地），可能造成井材的損壞。在高壓差的環境中（比如使用衝擊塞進行涌水洗井做業），可能損壞PVC井篩部分。
圖：PVC井篩具有切縫式開口
不鏽鋼的優點有以下幾點，適用於各類自然地質化學及污染物條件下的監測井建造，可獲得較高的井篩開口面積比，且供應商較多，價格適中，並且足夠的強度使其能夠通過直推法進行安裝部署。其局限性主要體現在在某些地質物理條件下（低pH、高溶解氧、高溶解性總固體、高鉻、高硫化氫、高二氧化碳）可能發生腐蝕。不鏽鋼也可能向地下水瀝濾出金屬離子（鐵、鋅、鉻、鎳、錳、鉬）。不鏽鋼井材的單位長度的質量更重。
圖：不鏽鋼井篩開口為繞線式
在選擇合適的井材，設計監測井的安裝時，需要考慮潛在的化學干擾源。一般，井管和井篩所引發的對地下水水質的干擾包括了吸附解吸與瀝濾，井材的腐蝕與化學降解，井材生產過程中攜帶了生產殘留物，以及井材存儲和加工處理中所攜帶的殘留物。在安裝過程中，還需要注意粘連塑料的溶劑和鋼材料的熱焊接所導致的干擾。
圖：PVC和不鏽鋼兩種井管的連接方式
對於PVC井材，安裝過程中井材的連接是通過內外螺紋的對接完成的，因此避免了使用任何化學粘黏劑。連接不鏽鋼井材，常見的是將帶螺紋的不鏽鋼管焊接到厚度稍薄的管上。
監測井井管的直徑主要取決於建井的目的，另外其它因素可能包括以下：
1
監測井內下放的設備：取樣、測量、其它實驗
2
井的安裝方法：空心螺旋鑽或直推式
3
預期的井深和井管強度：建井越深，所需強度越高
4
洗井的難易：直徑越小，越容易洗井
5
監測井容積：洗井時所需泵出的液體的量
6
地下水回充速度：直徑越小井中水位的恢復時間越短
7
井管材料和鑽井的單位花費：直徑越小，費用越低
井篩的設計
井篩的設計需要考慮兩個重要的設計參數，有效尺寸和均勻係數。有效尺寸是指井篩的篩網孔徑可以截留90%（或使通過10%）的地下水中的顆粒物。均勻細數則是指能截留40%（或使60%通過）地下水中顆粒物的篩網孔徑與有效粒徑之比。
一般，PVC的井篩為切縫式，不鏽鋼井篩為繞線式，如圖。其中，繞線式的井篩開口面積大於切縫式。具體的開口面積對比如下：
表：井篩篩孔開口面積百分比
井篩長度的設計需要考慮其長度是否影響獲取具有代表性的地下水樣品與測量數據。長度較短的井篩可以將每個具體的水層區域相互間隔離。這可以使監測井採集該被隔離區域（即，目標監測區）的地下水樣品和水文數據的測量數據。井篩的長度（位置）也要考慮到地下水的浮動，需要將井篩的開口長度覆蓋到地下水位可能的浮動跨度舉例，從而更方便水位監測並採集輕質非水相液體（LNAPL）樣品。
特別需要注意的是，地下水監測井的井篩設計需要避免使用長井篩。井篩長度過長會建立不同水層中地下水之間的水力連通。這會導致地下水中的污染物濃度被稀釋或加重，導致樣品提供的是各水層間的綜合濃度值，同時壓力水頭數據也會被平均，而非針對每個水層的。因此，長井篩獲取的樣品不能用來確定具體的區域是否被污染，不能準確地確定具體區域的污染濃度和垂直水力梯度。
自然完井
自然完井是指完成建井後通過完井做業使孔壁周圍土層顆粒自然塌落到井篩周圍，使井篩四周形成天然的濾料層。如果本地的土層的顆粒粒徑較粗，滲透性好，且粒度級配為不均勻的材料，在此情況下建議使用自然完井。同時，自然完井的條件還需要土層顆粒的有效粒徑大於0.01英寸且均勻係數為3或更高。
圖：顆粒級配（間斷不均勻與連續均勻）
自然完井的設計首先需要在井篩設計深度獲得具有代表性的土壤樣本，並對樣本的粒徑進行篩分分析（ASTM D2487/422/6913）。井篩篩孔的尺寸應截留不少於70%的土層顆粒物。
自然完井的設計首先需要在井篩設計深度獲得具有代表性的土壤樣本，並對樣本的粒徑進行篩分分析（ASTM D2487/422/6913）。井篩篩孔的尺寸應截留不少於70%的土層顆粒物。
圖：自然完井示意圖
使用人造濾料
監測井的完井更多情況下是使用更粗糙，更具有高滲透性的人工材料作為井篩周圍的濾料層。當天然完井材料為粒度較細且粒度級配均勻、或粒度排列具有明顯分層的特徵，則建議使用專門的人造監測井濾料。同時，使用人造監測井濾料還需要周圍土層的有效粒徑小於0.01英寸，均勻細數小於3。
設計監測井濾料層所需考慮的因素包括：
1
濾料粒徑與井篩篩孔大小
2
濾料粒度分布特徵（即，均勻係數，有效粒徑，粒徑分布曲線峰態，偏斜度）
3
濾料層尺寸（厚度和長度）
4
濾料材料種類
選取監測井的濾料需要完成以下幾個步驟：
1
從設計井篩深度的區域內獲取具有代表性的土壤樣品
2
進行土層粒徑（篩分）分析 （ASTM D24874226013）
3
根據70%土層顆粒被截留的粒度來選擇井濾料尺寸，如果土層粒度較細且級配良好，則所算粒度乘以3-5作為最終濾料粒度，如果土層為粗糙且級配不均勻，則粒度乘以6-10（濾料的均勻係數應
4
選擇能截留>90%井濾料的尺寸作為井篩篩孔大小
一般使用的濾料與井篩篩孔尺寸如下：
圖：濾料與篩孔尺寸
濾料層的安裝要求
長度：濾料應該從井篩的底部延伸到高於井篩頂部至少3-5英尺，以便應對完井過程中的沉降和在井篩與環形密封材料之間提供一個緩衝區。/li>
厚度：濾料的厚度應足以將井篩周圍空間填充，但也應足夠薄，以便最大限度降低完井和取樣期間由濾料造成的，阻止水流向監測井內流動的阻力。1-2英寸的厚度足夠
濾料層對材料也提出了各方面的要去。濾料層所選材料需要儘可能具有化學惰性或非反應性，最好是清潔的硅砂。ASTM D5092標準規定的非硅砂材料應不超過5%。硅砂不會對樣品造成任何化學改性，不會因為溶解而產生體積的損失。濾料顆粒應該為圓形，因為這會製造較高的孔隙率和較高的導水率，方便於洗井。濾料不應該含有細顆粒，這樣在洗井過程中不會造成體積損失，減少洗井的時間，同時減少所採集地下水樣品的渾濁度。濾料在安裝前需要進行清洗、乾燥和包裝，從而最大程度的降低污染的可能性。
圖：硅砂濾料
濾料裝填
濾料裝填方式分為幾種。依靠濾料自身重力作用下沉至井篩位置，但該裝填方法僅適合淺井，深度過深可能導致跨橋作用，從而濾料出現疏密度的不均。漏斗管可以更精確地將濾料引入到監測井井篩段的周圍，且確保濾料層的疏密度更為均勻。下放過程中使用加重捲尺來跟蹤裝填進度。若下放深度較深，可以泵送濾料下放至裝填位置。
圖：漏斗管用於濾料的裝填
預裝填濾料式監測井
預裝填濾料式井篩是將濾料預先與井篩綁定在一起，同時安裝，是一種快速的建井與完井方式。一般使用直推式鑽機在鑽孔過程的同時，安裝預裝填濾料監測井。這種方法對天然土層的擾動極小。ASTM D6725標準對直推式鑽機安裝預裝填濾料監測井的步驟有著細緻描述。
預裝填濾料式監測井的安裝是通過鑽孔中的鑽柱將一個帶有一次性鑽頭的鑽桿鑽入設計的深度。將預裝填式井篩和井管進行組裝，然後下放到位。回收鑽柱以暴露井篩，然後對井管周圍的環形空間進行灌漿風井。
圖：PVC和不鏽鋼兩種井管的連接方式
封層填料的裝填
使用灌漿泵將封層填料灌注到井管周圍的環形空間內。
其主要用途有以下：
1
禁止井管周圍環形空間中的水或污染物的縱向轉移
2
在水力和化學方面將取樣區域與其它外界環境所隔離
3
防止地表水和潛在的地表污染物的滲透
4
防止井管發生外部腐蝕或化學降解，增加井管的壽命
5
提供一定的結構完整性
環形封層所使用的井封填料可以是膨潤土或凈水泥。膨潤土的形狀構造可以是球團狀、片狀或顆粒狀。其中，片狀膨潤土膨脹速度慢，更適合用於封層深度較深的監測井（而不至於為到達目標區域膨脹水合反應就已經開始，膨脹過快），比如飽和層監測井的井封。顆粒狀膨潤土能夠快速膨脹，適合與包氣帶的淺水區監測井封層，需要倒水使膨潤土膨脹。塊狀膨潤土膨脹速度可變，如果在表層附上添加劑，可用於深井封層。塊狀膨潤土沉降速度快，必須用於地下水飽和層。粉末狀膨潤土需要與水預先混合，製成泥漿，並確保有較高的固體含量，再灌注入環形封層區域。粉末狀膨潤土可以代替凈水泥，若使用緩阻劑可以延遲水合作用。膨潤土的原料通常為鈉基膨潤土。凈水泥的生產需符合ASTM C150硅酸鹽水泥的要求。凈水泥的使用可能需要收縮修正劑、促凝劑和其它添加劑來方便各種條件下的使用。
粉末狀
顆粒狀
趙小珊
塊狀膨潤土
環形空間井封裝填的步驟一般如下：
1
使濾料延伸到井篩頂部之上2-4英尺
2
預先初步洗井，以便使濾料穩定
3
在初級濾料上方裝填細顆粒的級配砂（二級濾料）
4
在濾料上方裝填塊狀或片狀膨潤土，並讓膨潤土與水化合（僅在飽和層中才可行）
5
在濾料上方裝填顆粒狀膨潤土，將水倒入環形間隙中使膨潤土發生水合作用（針對LNAPL為監測對象的監測井，包氣帶淺井）
6
凈水泥在一定情況下需用來代替膨潤土作為封層材料
圖：灌漿注入封層填料
井頭構築
建井的最後一步是井頭的構築。ASTM D5787標準提供了監測井保護機制的設計步驟。井頭平台的構築類型有兩種：1）高出地面式；2）平坡嵌入式。構築的主要目的是防止地表徑流進入和向下深入到監測井的環形間隙中，從而滲入進監測井中。另外，保護構築還可以防止監測井的意外損毀與遭受破壞。
井頭平台構築可以使用水泥或混凝土。井窖可以使用高出地表的防護罩，也可以使用深入地表的井窖，有效保護井管。保護罩可以安裝帶鎖的井蓋，並可以上鎖。還需要考慮車輛對井頭的撞擊，以決定是否安裝防護欄杆等措施。
圖：平坡嵌入的井頭設計
圖：與高出地面的井頭設計
【資料來源】
中美項目中國地下水保護示範合作（2014-2016年）
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