單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)確定滲透系數(shù)的探討

◎ 陳德林　福建省地質(zhì)調(diào)查研究院

單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)確定滲透系數(shù)的探討

◎ 陳德林福建省地質(zhì)調(diào)查研究院

在利用裘布依穩(wěn)定流公式進(jìn)行滲透系數(shù)計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮抽水井管附近產(chǎn)生的三維流、紊流的影響。為消除滲透阻力的影響，應(yīng)選擇適應(yīng)條件的公式計(jì)算水文參數(shù)。本文通過(guò)理論分析和實(shí)例計(jì)算，對(duì)單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)確定滲透系數(shù)做了初步探討。

穩(wěn)定流 抽水試驗(yàn) 滲透系數(shù) 實(shí)例

1.前言

單孔抽水試驗(yàn)具有方法簡(jiǎn)便,成本低,成果精度較低等特點(diǎn)，多用于水文地質(zhì)普查和初步勘探階段。滲透系數(shù)又稱水力傳導(dǎo)系數(shù),它反映介質(zhì)的滲透能力，是地下水計(jì)算中一個(gè)不可缺少的重要水文地質(zhì)參數(shù)。利用抽水試驗(yàn)資料求取含水層的滲透系數(shù)應(yīng)視抽水試驗(yàn)的特征過(guò)程而定,而不能盲目的代入公式進(jìn)行計(jì)算。

2.用裘布依穩(wěn)定流公式計(jì)算滲透系數(shù)

裘布依穩(wěn)定流公式具有一定的使用范圍，在利用裘布依穩(wěn)定流公式進(jìn)行滲透系數(shù)計(jì)算時(shí)，若沒(méi)有觀測(cè)孔而只能根據(jù)抽水井的出水量、水位降深等數(shù)據(jù)，則應(yīng)消除抽水井附近產(chǎn)生的三維流，紊流的影響。特別是在抽水井水位降深較大的情況下，最好采用下列消除滲透阻力的方法。

首先根據(jù)單井內(nèi)水位降深值S0與相應(yīng)的出水量Q繪制出Q～S0關(guān)系曲線,如圖-1所示，再按所得曲線類(lèi)型選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算公式。

（1）當(dāng)Q～S0（或△h2）關(guān)系曲線為直線時(shí)

△h2是潛水含水層在自然情況下的厚度H和抽水試驗(yàn)時(shí)厚度h0的平方差。即△h2=H2-h02。

這時(shí)適合圖-1中的b型,表明水流通過(guò)過(guò)濾器及在過(guò)濾器內(nèi)的流動(dòng)阻力不太大,從而在井壁附近產(chǎn)生的三維流、紊流區(qū)的影響不明顯，這時(shí)可直接應(yīng)用表征的裘布依公式進(jìn)行計(jì)算。

承壓水完整井滲透系數(shù)：

潛水完整井滲透系數(shù)：

式中Q—抽水井出水量；

K—含水層滲透系數(shù)；

M—承壓含水層厚度；

S0—抽水井的水位降深；

R—影響半徑；

r—抽水井半徑；

H—潛水含水層自然情況下的厚度；

圖1　Q～S0關(guān)系曲線圖

圖2　S0/Q～Q或△h2/Q～Q關(guān)系曲線圖

h0—抽水試驗(yàn)時(shí)潛水含水層厚度,即抽水井內(nèi)的水柱高度.

（2）當(dāng)Q-S0（或△h2）關(guān)系曲線為拋物線型時(shí)

這時(shí)適合圖-1中的a型，則表明過(guò)濾器及管內(nèi)水流阻力太大，在井壁附近水流呈現(xiàn)明顯的三維流、紊流狀態(tài)。這就不符合裘布依公式的基本假定條件（井壁附近水流呈二維流態(tài)的假定），所以不能直接應(yīng)用穩(wěn)定流公式進(jìn)行計(jì)算。

為了消除三維流、紊流的影響,計(jì)算時(shí)應(yīng)采用消除阻力的方法。首先繪制S0/Q～Q或△h2/Q～Q關(guān)系曲線，如圖-2所示，根據(jù)三次水位下降的Q、S0值所做的S0/Q～Q或△h2/Q～Q關(guān)系曲線呈直線時(shí)，可以讀出直線在縱軸上的截距a0值，且a0=S0/Q或a0=△h02/Q=（H2-h02）/Q，以之分別代入的水井穩(wěn)定流計(jì)算公式，可得：

承壓水完整井計(jì)算滲透系數(shù)K的公式為：

潛水完整井計(jì)算滲透系數(shù)K的公式為：

3.計(jì)算實(shí)例

(1)福州盆地某水源地一水文鉆孔所揭露的地層系第四系承壓水含水層,主要含水層由砂礫卵石組成,含水層厚M=5.92m,抽水孔半徑r0=59mm，為確定水文地質(zhì)參數(shù)，現(xiàn)按相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行單孔完整井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，做三個(gè)降深的抽水試驗(yàn)，Q1=2.32L/s，S01=1.78m；Q2= 4.652L/s，S02=3.55m；Q3=6.839L/s，S03=5.29m，求滲透系數(shù)K。

分析：繪制Q～S0關(guān)系曲線發(fā)現(xiàn)，Q～S0關(guān)系曲線為直線，適合圖1中的b型,這時(shí)可直接應(yīng)用表征的裘布依公式進(jìn)行計(jì)算。影響半徑代入經(jīng)驗(yàn)值R=1500m，代入公式(1)求得滲透系數(shù)K1=23.70m/d，K2=23.84m/d，K1=23.51m/d，取平均值得滲透系數(shù)K=23.68m/d。

（2）福州盆地某水源地另一水文鉆孔所揭露的地層系第四系潛水含水層,主要含水層由泥質(zhì)細(xì)砂組成,含水層厚度M=44.90m,穩(wěn)定水位2.50m，抽水孔半徑r0=59mm，為確定水文地質(zhì)參數(shù)現(xiàn)按相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行單孔完整井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，做三個(gè)降深的抽水試驗(yàn)。Q1=0.61L/s，h01=35.28m；Q2=0.828L/s，h02=28.07m；Q3=0.955L/s，h03=21.27m，求滲透系數(shù)K。

分析：繪制Q～△h2關(guān)系曲線發(fā)現(xiàn)，Q～△h2關(guān)系曲線為拋物線型，適合圖1中的a型，表明過(guò)濾器及管內(nèi)水流阻力太大，在井壁附近水流呈現(xiàn)明顯的三維流、紊流狀態(tài)。這不符合裘布依公式的基本假定條件,不能直接應(yīng)用穩(wěn)定流公式進(jìn)行計(jì)算。潛水含水層自然情況下的厚度H=M-2.50m=42.40m，繪制△h2/Q～Q關(guān)系曲線呈直線，可以讀出直線在縱軸上的截距a0值，a0=△h02/Q=（H2-h02）/ Q，a0=0.0177，影響半徑代入經(jīng)驗(yàn)值R=50m，代入公式（4）。求得滲透系數(shù)K=0.025m/d。如不加分析的將數(shù)據(jù)代入公式（2）中計(jì)算，所得滲透系數(shù)平均值K=0.107m/d。顯然，計(jì)算所得結(jié)果與正確值相差甚遠(yuǎn)，錯(cuò)誤結(jié)果是正確值的4.28倍，如此會(huì)導(dǎo)致一系列水文參數(shù)計(jì)算結(jié)果大相徑庭。

4.結(jié)果與建議

（1）裘布依穩(wěn)定流公式具有一定的適用范圍，在利用裘布依穩(wěn)定流公式進(jìn)行滲透系數(shù)計(jì)算時(shí)，若沒(méi)有觀測(cè)孔而只能根據(jù)抽水井的出水量、水位降深等數(shù)據(jù)，則應(yīng)消除抽水井附近產(chǎn)生的三維流、紊流的影響。通過(guò)分析，選擇相適應(yīng)的計(jì)算公式計(jì)算滲透系數(shù)及相關(guān)水文參數(shù)。

（2）穩(wěn)定流計(jì)算公式存在計(jì)算誤差大、影響半徑物理意義不明確、適用范圍小等問(wèn)題，為了改變這種狀況，需廣大水文地質(zhì)工作者及有關(guān)部門(mén)大力合作，采取各種措施完成穩(wěn)定流理論向非穩(wěn)定流理論的過(guò)渡。

（3）為求得各項(xiàng)準(zhǔn)確水文參數(shù)，首先得確定抽水井影響半徑，單孔抽水引用影響半徑的經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)水文參數(shù)的計(jì)算有一定的誤差。建議在抽水試驗(yàn)過(guò)程中多采用多孔抽水試驗(yàn)，得到準(zhǔn)確的影響半徑，進(jìn)而使其他各水文參數(shù)更準(zhǔn)確。

（4）除穩(wěn)定流公式法計(jì)算水文參數(shù)外，可同步選取其他求參方法。如非穩(wěn)定流的Theis配線法、Jacob直線圖解法、水位恢復(fù)法及全程曲線擬合法等。

[1]穆彥清.進(jìn)行單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)技術(shù)分析[J].黑龍江水利科技.2007(6),50.

[2]劉正峰.水文地質(zhì)手冊(cè)[M].銀聲音像出版社.2006,702-704.

[3]陳崇希,林敏.地下水動(dòng)力學(xué)[M].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社.2006,59-69.

[4]李玉璞,等.穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)存在的問(wèn)題及對(duì)策—以王崗水源地抽水試驗(yàn)為例[J].地下水,2007(4),64-67.

[5]趙琳琳,肖長(zhǎng)來(lái).基于抽水試驗(yàn)的多種方法確定水文地質(zhì)參數(shù)[J].地下空間與工程學(xué)報(bào).2015.11(2)306-309.