抽水試驗求水文地質引數

1樓：中地數媒

2.4.6.1 抽水試驗方法選擇

抽水試驗是地下水試驗與求引數的常用方法。在以往的水文地質區域調查中，普遍使用的是穩定流抽水。穩定流抽水施工所需時間較短，操作簡單。

然而隨著地下水資源研究程度的提高，穩定流已不能滿足地下水資源研究的需求。這主要是因為穩定流抽水試驗只能求取含水層水平滲透係數和導水系數。穩定流試驗在抽水孔中進行，由於施工不當，或因抽水井水位波動大，甚至水花的飛濺等都會影響資料的準確性。

而且穩定流計算結果是不能用來**地下水資源動態變化的，而非穩定流抽水必須用一個孔組，資料在觀測孔中測試。根據含水層特點，抽水試驗資料選擇不同的模型整理，不但可以求k、t，而且可以求給水度μ、垂向滲透係數kz、弱透水層越流係數k'/m'、承壓含水層彈性釋放係數s、壓力傳導係數a等。因此獲取的資訊量比穩定流試驗要多的多。

因此要求:

(1)偏遠地區，施工比較困難，地下水開採程度低，地下水評價精度要求低的地區，可選擇穩定流抽水求參。

(2)對於地下水資源評價精度要求比較高的地區，原則上都要選擇非穩定抽水試驗來求參。

2.4.6.2 穩定流抽水求參

2.4.6.2.1 抽水設計要符合裘布依公式

穩定流抽水試驗主要是求滲透係數k，其準確程度取決於鑽孔施工質量、選用計算公式、抽水引起的地下水運動規律、邊界條件與裘布依公式的基本假設條件是否相符等。

裘布依(a.dupuit)公式的基本假定為:

(1)含水層均質、水平;

(2)承壓水頂底板是隔水的;潛水井邊水力坡度小於1/4，底板隔水，抽水前地下水是靜止的，即天然水力坡度等於零;

(3)半徑r的圓柱面上保持常水頭，抽水井內水頭上下一致。

抽水過程中可能出現的問題是:大降深抽水出水量足夠大時，井壁和周圍含水層容易產生三維流，井周產生紊流，井壁附近潛水水力坡度增大，i＞1/4使裘布依假定失效等等。濾水管長度小於含水層厚度，井壁邊界無法保持相等水頭。

在抽水後，形成下降漏斗，大部分含水層不存在圓柱形常水頭邊界，距主孔很近的範圍內(r≤0.178r)水位屬對數關係。當觀測孔距主孔距離r＞0.

178r後，水位就變成貝塞爾函式關係，貝塞爾函式的斜率比對數函式小，因此觀測孔越遠，計算出的k值越大。當含水層具有越流滲透補給時，通過不同半徑圓柱面的流量不等，離主井越近，流量越大，動水位與半徑的貝塞爾函式成正比，所以有越流補給時，只有r≤0.178r時，裘布依才是適用的。

在天然徑流條件下，等水位線不是一個同心圓，一般是下游半徑較長的橢圓形。觀測孔取得的降深是角度θ的函式，即上游偏小，下游偏大，只有在垂直地下水水流方向上的降深值無變化，因此觀測孔的佈置方向也是影響k值的因素之一。

在實際工作中，建議使用的抽水設計方法是:

(1)採用較小降深抽水;

(2)觀測孔距主井適宜的範圍是:1.6m≤r≤0.178r(其中:r為引用半徑，m為含水層厚度);

(3)每個抽水試驗一般要做3個降深，抽水試驗最好安排在地下水非開採期，並將抽出的水引出試驗區外，以免干擾水位下降。

2.4.6.2.2 穩定流常用計算公式

(1)承壓含水層完整井單孔:

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(2)承壓含水層完整井單孔二次以上降深:

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其中:二次降深，

三次降深， (qi為三次降深的三個流量，swi為三次降深的抽水井水位降深)。

式中:q———抽水井出水量(m3/d);

k———滲透係數(指水平滲透係數)(m/d);

r———影響半徑(m);

rw———抽水井半徑(m);

sw———抽水井水位降深(m);

s1、s2———觀測孔水位降深(m);

m———含水層厚度(m);

h———動水位至含水層底板深度(m)。

(3)承壓含水層完整井有一個觀測孔:

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(4)承壓含水層完整井有二個觀測孔:

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式中:h1、h2———含水層底板至觀測孔水位降深高度;

r1、r2———抽水孔至觀測孔距離，其他同上。

(5)承壓含水層完整井岸邊抽水(單孔，b＜0.5r):

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(6)承壓含水層完整井岸邊抽水(有一個觀測孔，位於近河一邊):

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式中:b———抽水孔距河岸距離，其他同上。

(7)承壓含水層非完整井(單孔，井壁進水):

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式中:l———觀測孔底至含水層頂板距離。

(8)承壓含水層非完整井(一個觀測孔):

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式中:l———觀測孔底至含水層頂板距離，等於過濾管有效進水長度。

(9)承壓含水層非完整井(單井、井壁井底進水):

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(10)潛水-承壓水完整井(單井):

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(11)潛水完整井(單孔):

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式中:h———含水層厚度。

(12)潛水完整井(一個觀測孔):

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(13)潛水非完整井(單井):

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含水層厚度很大時，應計算有效帶厚度代替含水層厚度。

2.4.6.3 非穩定流抽水求參

2.4.6.3.1 非穩定抽水試驗的設計

地下水非穩定流理論對含水層抽水過程的認識與穩定流理論的不同之處主要在於，非穩定流理論將含水層看作彈性體，在無限邊界含水層中抽水時，整個流場的各運動要素是隨時間而變化的，即流向鑽孔的地下水是非穩定的流動。經過一定時間後地下水流才趨於穩定流動。非穩定流理論的基本公式———泰斯(c.

v.theis)公式的基本假設條件是:

(1)含水層均質、等厚、水平埋藏。

(2)沒有垂向和水平補給。

(3)地下水初期水力坡度為零。

(4)地下水是平面流。

(5)含水層在平面上是無限邊界。

泰斯公式與裘布依公式比較，其優點在於反映了地下水運移普遍存在的非穩定過程，公式中考慮了時間因素，因此在一定條件下可以**含水層中任一點的水位降深及降落漏斗展布的範圍。有利於求取除k、t以外的其他引數，如彈性釋水系數sa(潛水為給水度μ)、壓力傳導係數a等。根據泰斯公式發展的其他模型和計算公式，還可計算弱透水層越流係數k'/m'、垂向滲透係數kz等。

抽水試驗設計須考慮的主要方面有:

(1)抽水前要進行試抽，瞭解抽水孔的出水量、水位降深和觀測孔水位降深情況，選擇一個較小的適當流量，以免抽水時掉泵和形成大降深。在1.6m≤r≤0.

178r處設定觀測孔，以避免三維流、紊流和遠處計算k值偏大等問題的干擾。

(2)觀測孔設定在垂直於地下水流動的方向上。

(3)抽水試驗選擇時間段內周邊地區無地下水開採，抽水井抽出水量引出區外，避免引起對水位降深的干擾。

(4)抽水流量必須保持基本穩定，最大流量與最小流量之比不應大於1.05。

(5)抽水時間的長短，要根據抽水過程中所繪製的水位降深(s)與時間(t)的雙對數曲線所顯示的抽水階段來決定。當曲線平穩的第二階段末期出現曲線上翹，顯示達到第三階段後，再略延長一段時間抽水試驗就可結束。所需抽水時間的長短與含水層巖性有關。

2.4.6.3.2 承壓完整井非穩定流抽水求參

非穩定承壓完整井計算公式:以固定流量q抽水時，距抽水井距離r處任一時間t的水位降深，可簡化為:

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(1)試演算法。

壓力傳導係數a，導水系數t，滲透係數k，彈性釋水系數s，t1、t2時刻測得抽水孔水位降s2，觀測孔水位降s1

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用此公式通過試演算法求a。

設為縱座標，a為橫座標。用已知觀測時間t1、t2和任意給定的a1、a2、…、an代入上式，求相應的β1、β2、…、βn值，繪製β=f(a)關係曲線。根據抽水孔、觀測孔實測所獲得的s1、s2，得實測

β=f(a)關係曲線上得到實際a值。將所計算的a值代入上述s1或s2計算公式中求得導水系數t，滲透係數彈性釋水系數

為避免作圖的不方便，注意時間t，採取抽水2h後觀測，且t1、t2間隔不小於4～5h(圖2.4.3)。

(2)降深-時間雙對數量板法:

非穩定流計算公式:

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圖2.4.3 試演算法關係曲線

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(2.4.35)式至(2.4.38)式式中:

——井函式自變數;

s(r，t)———距抽水孔r處，任一時間(t)的水位降深;

t=k·m———導水系數;

——壓力傳導係數;

r———觀測孔距抽水孔距離;

sa———彈性釋水系數;

k———滲透係數;

w(u)———井函式，可查表。

配線的做法是:

(1)將觀測孔不同時間測得的水位降深值，點繪在透明的雙對數紙上。然後將對數紙重疊在理論標準曲線(即量板)上。使實測點完全重合在理論標準曲線上(注意:

對數紙與量板要採用同一模數，且縱、橫座標必須平行)。

(2)讀出相應的w(u)、s和1/u，t值代入s(r，t) 式中求得t、a。隨之又可求出k、s。此方法主要用於一個觀測孔。

(3)降深-距離雙對數量板法。

與降深-時間曲線法一樣，點繪同一時間各觀測孔s-r2關係曲線，重疊在w(u)-u理論曲線上(注意縱橫座標平行)，求a、t以及k、s。

本方法主要用於有數個觀測孔的條件下。

(4)直線解析法(圖2.4.4)。

設在t1時間測定降深s1，t2時間測定降深s2，有s2-s1=δs

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圖2.4.4 s-lgt曲線

當δs=0時，t1=t0有:

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同樣求出滲透係數和彈性釋水系數。

採用直線解析法常因人為誤差導致直線斜率和截距的不準確，而影響計算結果。實際工作中可用最小二乘法推求直線方程斜率和截距後，再用上述方法求參。

(5)水位恢復法。

此方法優點是排除了抽水過程中的一些干擾因素，是常被採用的方法。計算公式是:

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得t、a後，同樣也可求出k、s。

2.4.6.3.3 承壓非完整井非穩定流抽水求參

非完整井抽水時，水流越接近井孔，流線越彎曲集中，其運動狀態不符合泰斯公式平面流的假設條件。但當觀測孔佈置在距抽水孔r≥1.6m時，地下水流線趨於平行，因此在r≥1.

6m距離處的觀測孔內取得的不同抽水時間t和相應水位降s值，同樣可以利用泰斯公式計算t、a值。

根據抽水資料繪製s=f(lgt)曲線(圖2.4.5)，在曲線上任意兩點p1、p2，解得該曲線p1、p2兩點斜率(m1、m2):

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圖2.4.5 s-lgt曲線

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式中:m1、m2———s=f(lgt)曲線上相應lgt1，lgt2點的斜率;

t1、t2———測得觀測孔水位降深s1、s2時的時間。

2.4.6.3.4 潛水完整井非穩定流求參

潛水抽水時，由於孔隙水具有延遲重力排水作用，所以瞬時釋放水量的假定是不適宜的。在抽水開始很短的早期，降深很小時，可以認為存在彈性釋放水量。隨著抽水時間的延長，含水層出現延遲釋放水量的情況，我國大部分孔隙含水層中已被證實大都屬於這種型別，因此不考慮延遲釋水的計算方法常常使計算結果不合理。

(1)潛水布林頓(s.n.boulton)公式。

含水層均質、等厚，底板水平埋藏，考慮含水層滯後重力釋水。

布林頓模型的計算公式為: 為潛水完整井布林頓井函式。

抽水前期

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抽水後期

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(2)紐曼(s.p.neuman)公式。

含水層不厚，各向異性，潛水面無垂向補給，水位降遠遠小於含水層厚度，考慮了抽水時含水體內垂直方向水力梯度變化。計算公式為:

(ts.y，β);sd(ts.y，β)為潛水完整井紐曼模型井函式。

前期地下水資源調查評價技術方法彙編

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因此，紐曼模型還可以計算垂向滲透係數kz。

式中:kr———水平滲透係數;

kz———垂向滲透係數;

ss———比彈性釋水系數，ss=sa/m，m為含水層厚度;

sa———抽水前期彈性釋水系數;

sy———抽水後期水位變動帶延遲釋水率(相當於μ);

r———觀測孔與抽水孔距離;

s———觀測孔水位降深;

q———抽水孔抽水量。

(3)二元結構計算公式。

潛水-微承壓水含水層分為上下兩個部分，上部為弱透水層潛水，有自由水面，垂向滲透係數kz，水位變動帶釋水率sy，弱透水層厚度m'，水位降深s';下部為微承壓含水層，其厚度m，彈性釋水系數sa，導水系數t，水頭略高於弱透水層自由水面。抽水時，下部弱承壓含水層有匯點徑向流，水頭迅速下降，與自由水面逐漸合成一體。上部弱透水層向下釋水補給下部微承壓含水層。

我國平原中許多地區存在這種上細下粗的二元含水層結構和水動力特徵。

下部微承壓含水層水位降深的計算公式為:

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後期地下水資源調查評價技術方法彙編

式中:前期

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後期地下水資源調查評價技術方法彙編

用s-lgt雙對數量板法，採用s·n·布林頓、s·p·紐曼和二元結構計算公式求參，都可以得到較滿意的結果。這裡以布林頓公式為例，簡述其方法和注意事項。

主要步驟(圖2.4.6):

(1)將抽水資料用雙對數紙點繪lgs=f(lgt)曲線，並繪在標準曲線a上。注意縱橫座標保持平行，儘可能將初期曲線與標準曲線a重合。

(2)記下重合曲線上值，任選一點並在標準曲線上讀出s、1/ua、及t座標值，求出t、sa。

(3)將資料曲線沿水平方向移動，儘可能使資料後期曲線與標準曲線y重合(注意曲線前段r/d值與後段r/d值一致)，同樣讀出、t值，求出t、sy。

圖2.4.6 非穩定流潛水標準曲線圖

以上步驟同樣可以應用到紐曼公式和二元結構公式中，只要採用相應的井函式。前期與後期水位降公式以及各自標準曲線特徵值即可。同樣要注意前期曲線與後期曲線配線時要在同一特徵值的標準曲線上。

只要認真按上述步驟操作，一般雙對數量板法計算結果較為滿意。

2.4.6.3.5越流含水層求參

(1)承壓含水層受上部弱透水層補給，弱透水層儲水系數忽略不計。有一個抽水孔，一個觀測孔(必須打入越補含水層中)任一點水位降的解為:

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(2)考慮弱透水層釋水，越流供給層為弱透水層，可位於越流層之上或之下。任一點水位降的解:

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式中: 為井函式自變數;

m'———弱透水層厚度;

k———越流含水層滲透係數;

k'———弱透水層滲透係數;

s———任一點水位降深;

m———越補層厚度;

t———導水系數;

a———導壓係數;

s———越補層釋水系數;

s'———弱透水層釋水系數;

rm———抽水孔的半徑;

r———計算點與抽水孔軸心的距離;

k'/m'———越流係數。

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