穩(wěn)定流經(jīng)驗公式在貴州巖溶區(qū)抽水試驗中應(yīng)用探討

曹振東，譚廷靜

(貴州地質(zhì)工程勘察院，貴州 貴陽550008)

穩(wěn)定流經(jīng)驗公式在貴州巖溶區(qū)抽水試驗中應(yīng)用探討

曹振東，譚廷靜

(貴州地質(zhì)工程勘察院，貴州 貴陽550008)

貴州巖溶區(qū)地下水勘查中，勘探開采井往往采用抽水試驗中抽水量與水位降深關(guān)系的經(jīng)驗公式計算工作區(qū)地下水資源量及水文地質(zhì)參數(shù)。評價勘探開采井水資源量可以用穩(wěn)定流經(jīng)驗公式，但是含水層必須各向同性、均質(zhì)、產(chǎn)狀水平。在貴州巖溶區(qū)屬于非均質(zhì)含水層，產(chǎn)狀一般不水平，因此利用穩(wěn)定流經(jīng)驗公式進行計算資源量，會產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。通過貴州省畢節(jié)地區(qū)13口井的抽水資料進行計算，分析其產(chǎn)生誤差的原因，同時對巖溶區(qū)水資源的評價方法提出建議。

抽水試驗;流量;降深;貴州巖溶區(qū)

2007年以來，貴州省為解決農(nóng)村飲水困難大力開展地下水勘查，在解決飲水困難上，利用勘探開采井開采巖溶水是一條主要途徑。在勘探開采井資源量評價中，長期以來一直利用穩(wěn)定流經(jīng)驗公式，由于巖溶區(qū)的地下水往往分布極不均勻，其水文地質(zhì)條件嚴格來說不符合穩(wěn)定流抽水試驗的假設(shè)。因此，在該區(qū)域利用經(jīng)驗公式計算資源量及相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)勢必會產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。在此，本文根據(jù)具體抽水資料數(shù)據(jù)，通過計算結(jié)果對穩(wěn)定流經(jīng)驗公式在貴州巖溶區(qū)抽水試驗中應(yīng)用的效果進行一定的探討。

1 貴州巖溶區(qū)水文地質(zhì)條件

貴州省碳酸鹽巖廣泛分布，巖溶水資源豐富。巖性、構(gòu)造、地貌對含水層賦水性影響較大。碳酸鹽中相對難溶和相對易溶地層的影響，形成部分表層巖溶泉。地質(zhì)構(gòu)造運動破壞了巖體的完整性，形成了不同的結(jié)構(gòu)面，有利于地下水的運移、儲存和溶蝕作用的進行。緊密褶皺與間隔層結(jié)合，形成許多彼此平行的巖溶帶;平緩褶皺區(qū)地下水在水平和垂直方向都有較大的連續(xù)性，斷層可能影響巖溶地層與非巖溶地層的接觸關(guān)系，可能會出現(xiàn)沿斷裂帶發(fā)育。

降水是巖溶水的主要補給來源，在特定的地形地貌條件下，地下水的補給可能是沿裂隙、溶隙入滲補給，也可能是沿落水洞、洼地集中注入式補給。地下水的徑流會受地質(zhì)體產(chǎn)狀、巖性、構(gòu)造、地貌的控制，一般是沿補給區(qū)匯集，集中運移，最后受阻水巖組、阻水斷層阻水排泄或者受地形切割排泄于排泄基準面。

總之，在貴州巖溶區(qū)含水層富水性受巖性、構(gòu)造、地貌的影響較大，巖溶地區(qū)地下水的分布和運動，與一般的孔隙水、裂隙水相比，具有在分布上更為不均勻，和地表水的相互轉(zhuǎn)化更為迅速，以及隨時間有很大的變化等特點。巖溶區(qū)地下水分布極不均勻，對降雨影響反應(yīng)較迅速，巖溶越發(fā)育，調(diào)蓄功能越差。

2 關(guān)于流量與水位降深關(guān)系經(jīng)驗公式的應(yīng)用條件及計算方法

2.1 應(yīng)用條件

流量與水位降深關(guān)系經(jīng)驗公式要求抽水試驗要達到穩(wěn)定狀態(tài)，而形成穩(wěn)定運動要在有側(cè)向補給的有限含水層中，當降落漏斗擴展到補給邊界后，側(cè)向補給量和抽水量平衡或者在有垂向補給的無限含水層中，隨著降落漏斗的擴大，垂向補給量補給增大，當它增大到與抽水量相等時，將形成降落漏斗。

穩(wěn)定流的假設(shè)是含水層均質(zhì)、各向同性，產(chǎn)狀水平，厚度不變，分布面積很大，可視為無限延展;抽水前的地下水面是為穩(wěn)定的，含水層的水流服從達西定律，并在水頭下降的瞬間水就釋放出來。

2.2 計算方法

大量抽水井的實際資料證明，常見的幾種Q－Sw曲線類型有指數(shù)型、對數(shù)型、拋物線型和直線型。在實際抽水試驗過程中，一般采用穩(wěn)定流抽水試驗，利用三次水位降深值和抽水試驗流量值進行擬合計算，根據(jù)擬合誤差大小，確定曲線類型及相應(yīng)的地下水資源量。

然后，利用三次水位降深值和抽水試驗流量值，采用裘布依穩(wěn)定流公式計算含水層的滲透系數(shù)和影響半徑。根據(jù)下列公式聯(lián)合計算，其中承壓水根據(jù)式(1)和式(2)聯(lián)合計算，潛水根據(jù)式(3)和式(4)聯(lián)合計算。

式中:Q為抽水試驗流量;K為含水層滲透系數(shù);Sw為抽水井水位穩(wěn)定時水位降深;R為影響半徑;r為距井中心距離;M為含水層厚度;H0為含水層初始水頭。

3 抽水試驗計算及結(jié)論

3.1 抽水試驗計算

本文選取貴州省畢節(jié)巖溶區(qū)13口勘探開采井的抽水試驗數(shù)據(jù)進行分析。13口井均是潛水井，具體抽水試驗結(jié)果見表1。

表1 貴州巖溶區(qū)抽水試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)抽水數(shù)據(jù)計算Q－S曲線，然后對曲線進行外推后計算地下水資源量，但經(jīng)驗公式只能說明觀測數(shù)據(jù)范圍以內(nèi)自變量和因變量之間的關(guān)系，嚴格來說是不能外推的，可是通常預(yù)告的設(shè)計降深往往大于抽水試驗降深，因次希望對經(jīng)驗公式進行外推。一些學(xué)者指出，對于直線型經(jīng)驗公式外推降深不能超過最大降深的1.5倍，其他曲線類型不能超過1.75 ～3.0 倍，所以計算中直線型取 S=1.5S3，其他曲線類型取 S=1.8S3。結(jié)果見表2。

然后，利用三次水位降深值和抽水試驗流量值，采用裘布依穩(wěn)定流公式計算含水層的滲透系數(shù)和影響半徑。結(jié)果見表3。

3.2 結(jié)果討論

1)通過表2擬合差的對比，曲線擬合差中直線型和指數(shù)型差值較小，對數(shù)型差值次之，拋物線型差值最大。因此，利用穩(wěn)定流經(jīng)驗公式對地下水資源量評價時，盡量選取直線型和指數(shù)型。根據(jù)計算結(jié)果可以看出，直線型和指數(shù)型的擬合誤差相近，因為根據(jù)計算公式，符合直線型的一定符合指數(shù)型，直線型只是指數(shù)型的特例，所以可以合并直線型和指數(shù)型公式。2)資源量的計算結(jié)果具有隨意性，就是用同一種方法、同一組數(shù)據(jù)計算，因外推計算中外推降深的取值不同而使計算的資源量不同。但在同一口井的計算中，資源量應(yīng)該是一個定值。計算的結(jié)果因為外推降深不同而不同，說明人為性誤差極大。

表2 抽水試驗擬合誤差及抽水量計算結(jié)果 L/s

表3 影響半徑及滲透系數(shù)計算結(jié)果

3)根據(jù)流量與水位降深關(guān)系的經(jīng)驗公式擬合方法進行計算，并不是擬合誤差越小，資源量就越接近經(jīng)驗公式合理值，例如5號鉆孔拋物線型擬合差非常大，但是計算資源量與合理值相近，說明擬合誤差值和水資源計算值無相關(guān)關(guān)系。

4)由于巖溶區(qū)地下水是非均質(zhì)的，各向異性的，因此采用潛水裘布依穩(wěn)定流公式和聯(lián)合求滲透系數(shù)和影響半徑，與經(jīng)驗值相比誤差較大。

4 建議

裘布依穩(wěn)定流抽水試驗的假設(shè)條件是圓形低水頭，與齊姆模型的影響半徑意義根本不一致， 貴州巖溶區(qū)運用流量與降深之間的經(jīng)驗公式不符合裘布依假設(shè)。鑒于以上原因，迫使我們選擇新方法去評價井的資源量，根據(jù)貴州巖溶區(qū)水文地質(zhì)特征，提出以下建議:

(1)巖溶區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，并且不符合裘布依假設(shè)，不同時期抽水資料計算的結(jié)果不盡相同，任何一次抽水試驗都可能存在偏差。根據(jù)這種情況，建議采用水均衡法和地下水水文法相結(jié)合，水均衡法可以計算最大資源量，而地下水水文法可以計算枯水期可開采量，可以大大提高水量保證率。

(2)建議以最大降深抽水洗井，水位恢復(fù)后正向抽水。部分裂隙含水層內(nèi)有充填物的堵塞，最大降深抽水可清洗含水層中雜質(zhì)，從而保證抽水試驗的正確性。反向抽水需要含水層賦水性強，導(dǎo)水性良好，水位降深較小并且恢復(fù)較快，每次抽水要恢復(fù)水位，并且要恢復(fù)到靜水位。為了避免誤差，建議選擇正向抽水試驗。

(3)枯水期抽水，如果可開采量很大，可根據(jù)需水量及其發(fā)展趨勢進行抽水試驗。如果需要計算最大允許開采量，建議進行大降深抽水試驗，并且不要外推計算，從而消除人為誤差，使計算的資源量比較合理。

(4)建議不求解影響半徑R，因為在貴州巖溶區(qū)影響定水頭的范圍一般屬于條帶狀，不符合圓形定水頭假設(shè)。滲透系數(shù)是表征含水層滲透能力的值，可以利用降水時井內(nèi)的水位變化，或者降水量與徑流量之間的關(guān)系來求解。

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P641.2

B

1004－1184(2012)06－0046－02

2012－10－15

曹振東(1984－)，男，甘肅會寧人，助理工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作。