淺談中衛黃河灘地大口徑管井滲透系數參數計算

王楠

寧夏回族自治區地質工程院 寧夏銀川 750000

隨著我國經濟的發展，水資源的需求逐年增加，尤其是西北地區，常年干旱少雨，而寧夏作為西北內陸省份，水資源十分貧乏。全區地表水資源8.89×108m3，地下水資源25.3×108m3，而寧夏全區水資源人均可用量為893m3，根據聯合國的標準，人均水資源低于1000m3屬于重度缺水，為進一步論證關于在衛寧平原建設水源地采用大口徑管井的群井取水的可能性，在中衛市宣和鎮徐莊村北側、濱河路南側，距離黃河180m出布置2眼大口徑管井。通過對抽水試驗數據分析以及采用多種計算方式校核、模擬分析，獲取了該地區的滲透系數，為建設衛寧平原水源地取水方式提供數據支撐[1]。

1 工程概況

擬建西海固地區脫貧引水工程水源工程位于黃河右岸中衛市沙坡頭區與中寧縣之間，擬在七星渠引水口（申灘）至清水河入河口的黃河河漫灘及一級階地范圍內建設水源地，其東西方向長約25km，南北方向寬約0.5—2.0km，面積約30km2。從該水源地取水，經匯集后通過4級加壓泵站和207公里輸水線路沿清水河川逆流而上，在終端與中南部水源工程的中莊調節水庫相連，起點取水設計水位1203.00m，終端入南郊水廠設計水位1880m，凈揚程677m，總揚程約800m。

2 抽水試驗滲透系數K參數計算

2.1 均質含水層滲透系數計算

本次抽水試驗抽水層位為潛水，抽水井為完整井，為穩定流抽水試驗。將含水層概化為均質無限含水層，進行水文地質參數計算。

（1）滲透系數計算公式的選取

滲透系數K的計算一般采用兩種方法，一種是選用主井潛水完整井的裘布依公式（式1-1）計算，另一種選用帶觀測井的蒂姆公式（式1-2）計算。

式中：K為含水層滲透系數，單位m/d；Q為管井出水量，單位m3/d；R為影響半徑，單位m；H為潛水含水層厚度，單位m；S為降深，單位m；r為抽水孔半徑，單位m。

式中：K為含水層滲透系數，單位m/d；Q為管井出水量，單位m3/d；H為潛水含水層厚度，單位m；r1，r2為抽水孔至觀測孔的距離，單位m；S1，S2為觀測孔降深，單位m。

在采用裘布依公式計算過程中，消除水躍值的影響才能獲得更加精確的水文地質參數。水躍值經驗公式較多，經常采用的是拉莫夫潛水井水躍值經驗公式（式1-3）計算。

式中：△h為水躍值，單位m；S為抽水孔內水位降深，單位m；K為含水層滲透系數，單位m/d；

F=2πr0h0，其中r0、h0、分別為濾水管的半徑及有效高度；a為濾水管結構經驗系數，對于完整井，網狀和礫石濾水管的a值為15～25，穿孔、縫隙及金屬絲濾水管的a值為6～8，對于不完整井，水躍值較完整井大，可將a值乘以1.25～1.50系數。

以黃河灘地兩眼大口徑管井抽水試驗為依據，驗證裘布依公式和蒂姆公式在衛寧平原的適用性以及在松散含水層中的可適用性。根據2#、3#井現場觀測數據計算滲透系數如下：

由表1可知，滲透系數受水躍值的影響很大，并且利用裘布依公式計算滲透系數，變量多，不確定因素多。根據現場測定，當2#、3#井達到最大降深出水量穩定時，其周圍的水力坡度大于0.25，此時井內的滲流場的勢分布已經不符合裘布依公式的假定條件，因此結果不準確。

抽水試驗，當消除水躍值時，計算出來的滲透系數往往要比未消除水躍值計算出來的大，并且是一個與井結構、井內水位降深、觀測孔距離等有關的隨機變量，與理論不相符合。

表2 2號主井蒂姆公式計算結果

表3 3號主井蒂姆公式計算結果

考慮到黃河河漫灘和觀測孔的相對位置，以及黃河對地下水的影響，可將帶有兩個觀測孔的蒂姆公式修正為垂直河岸方向和平行河岸方向。

式中：K為含水層滲透系數，單位m/d；Q為管井出水量，單位m3/d；H為潛水含水層厚度，單位m；r1，r2為抽水孔至觀測孔的距離，單位m；S1，S2為觀測孔降深，單位m；b為抽水孔距離河岸垂直距離。

2號主井選取距離平行河岸方向的1#、2#觀測孔和垂直近河岸的6#、7#觀測孔為計算基礎。

3號主井選取距離平行河岸方向的1#、2#觀測孔和垂直近河岸的6#、7#觀測孔為計算基礎。

由表2和表3可知，蒂姆修正公式考慮了實際傍河取水的水跡，計算結果顯示垂直河流近河方向滲透系數計算結果大于蒂姆公式計算結果，平行河流方向滲透系數稍小于蒂姆公式計算結果。因此2號、3號井滲透系數采用蒂姆公式修正值計算的平均值，即2號井滲透系數為8.07m/d，3號井滲透系數為11.2m/d。

綜合表1、表2、表3來看，將含水層概化為均質無限含水層后，2號井裘布依公式計算結果為4.34m/d（消除水躍值），蒂姆公式修正兩個方向的計算結果為8.07m/d；3號井裘布依公式計算結果為5.20m/d（消除水躍值），蒂姆公式修正兩個方向的計算結果為11.2m/d。分析可知，在計算滲透系數的兩種方法中，主井潛水完整井的裘布依公式計算結果大約是帶觀測井的蒂姆公式的1/2[3]。

3 結語

滲透系數K是水文地質參數計算中很重要的一個參數，它的選用取值范圍受多重因素的影響。采用均質無限含水層穩定流模型計算有以下假設：①地下水流服從達西定律；②含水層按照均質、各向同性考慮；③地下水主要接受黃河側向補給。考慮到實際地下水流向存在三維紊流的影響，K值的選取要謹慎，通過分析可知，平行黃河方向比垂直黃河方向的滲透系數小，主要與黃河水補給速度有關，滲透系數不單單是平行垂直方向兩個系數的平均值。從2#、3#管井抽水試驗數據來看，降深與滲透系數呈正相關，即降深越大，含水層滲透系數K越大。

在相關公式的選用上，帶兩個觀測井的修正蒂姆公式精確度要比主井潛水完整井的裘布依公式的高，并且帶觀測井的蒂姆公式能夠避開主井降深變化引起的水躍值，從而在根本上消除水躍值對滲透系數的影響。在現場試驗條件允許的情況下，測量滲透系數K最好選用帶兩個觀測孔的方式。在前期論證可研試驗階段，可以利用單井的裘布依公式粗略估算滲透系數，實際滲透系數約為裘布依公式計算的2倍。