曹振東，譚廷靜

(貴州地質(zhì)工程勘察院，貴州 貴陽(yáng)550008)

穩(wěn)定流經(jīng)驗(yàn)公式在貴州巖溶區(qū)抽水試驗(yàn)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(yáng)550008)

貴州巖溶區(qū)地下水勘查中，勘探開(kāi)采井往往采用抽水試驗(yàn)中抽水量與水位降深關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算工作區(qū)地下水資源量及水文地質(zhì)參數(shù)。評(píng)價(jià)勘探開(kāi)采井水資源量可以用穩(wěn)定流經(jīng)驗(yàn)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(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算資源量，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。通過(guò)貴州省畢節(jié)地區(qū)13口井的抽水資料進(jìn)行計(jì)算，分析其產(chǎn)生誤差的原因，同時(shí)對(duì)巖溶區(qū)水資源的評(píng)價(jià)方法提出建議。

抽水試驗(yàn);流量;降深;貴州巖溶區(qū)

2007年以來(lái)，貴州省為解決農(nóng)村飲水困難大力開(kāi)展地下水勘查，在解決飲水困難上，利用勘探開(kāi)采井開(kāi)采巖溶水是一條主要途徑。在勘探開(kāi)采井資源量評(píng)價(jià)中，長(zhǎng)期以來(lái)一直利用穩(wěn)定流經(jīng)驗(yàn)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(yán)格來(lái)說(shuō)不符合穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)的假設(shè)。因此，在該區(qū)域利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算資源量及相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)勢(shì)必會(huì)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(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)穩(wěn)定流經(jīng)驗(yàn)公式在貴州巖溶區(qū)抽水試驗(yàn)中應(yīng)用的效果進(jìn)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(duì)含水層賦水性影響較大。碳酸鹽中相對(duì)難溶和相對(duì)易溶地層的影響，形成部分表層巖溶泉。地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(yùn)移、儲(chǔ)存和溶蝕作用的進(jìn)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(huì)出現(xiàn)沿?cái)嗔褞Оl(fā)育。

降水是巖溶水的主要補(bǔ)給來(lái)源，在特定的地形地貌條件下，地下水的補(bǔ)給可能是沿裂隙、溶隙入滲補(bǔ)給，也可能是沿落水洞、洼地集中注入式補(bǔ)給。地下水的徑流會(huì)受地質(zhì)體產(chǎn)狀、巖性、構(gòu)造、地貌的控制，一般是沿補(bǔ)給區(qū)匯集，集中運(yùn)移，最后受阻水巖組、阻水?dāng)鄬幼杷判够蛘呤艿匦吻懈钆判褂谂判够鶞?zhǔn)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(yùn)動(dòng)，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(shí)間有很大的變化等特點(diǎn)。巖溶區(qū)地下水分布極不均勻，對(duì)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(yàn)公式的應(yīng)用條件及計(jì)算方法

2.1 應(yīng)用條件

流量與水位降深關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式要求抽水試驗(yàn)要達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而形成穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)要在有側(cè)向補(bǔ)給的有限含水層中，當(dāng)降落漏斗擴(kuò)展到補(bǔ)給邊界后，側(cè)向補(bǔ)給量和抽水量平衡或者在有垂向補(bǔ)給的無(wú)限含水層中，隨著降落漏斗的擴(kuò)大，垂向補(bǔ)給量補(bǔ)給增大，當(dāng)它增大到與抽水量相等時(shí)，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(wú)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(dá)西定律，并在水頭下降的瞬間水就釋放出來(lái)。

2.2 計(jì)算方法

大量抽水井的實(shí)際資料證明，常見(jiàn)的幾種Q－Sw曲線類型有指數(shù)型、對(duì)數(shù)型、拋物線型和直線型。在實(shí)際抽水試驗(yàn)過(guò)程中，一般采用穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，利用三次水位降深值和抽水試驗(yàn)流量值進(jìn)行擬合計(jì)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(yàn)流量值，采用裘布依穩(wěn)定流公式計(jì)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(jì)算，其中承壓水根據(jù)式(1)和式(2)聯(lián)合計(jì)算，潛水根據(jù)式(3)和式(4)聯(lián)合計(jì)算。

式中:Q為抽水試驗(yàn)流量;K為含水層滲透系數(shù);Sw為抽水井水位穩(wěn)定時(shí)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(yàn)計(jì)算及結(jié)論

3.1 抽水試驗(yàn)計(jì)算

本文選取貴州省畢節(jié)巖溶區(qū)13口勘探開(kāi)采井的抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。13口井均是潛水井，具體抽水試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 貴州巖溶區(qū)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)抽水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算Q－S曲線，然后對(duì)曲線進(jìn)行外推后計(jì)算地下水資源量，但經(jīng)驗(yàn)公式只能說(shuō)明觀測(cè)數(shù)據(jù)范圍以內(nèi)自變量和因變量之間的關(guān)系，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是不能外推的，可是通常預(yù)告的設(shè)計(jì)降深往往大于抽水試驗(yàn)降深，因次希望對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行外推。一些學(xué)者指出，對(duì)于直線型經(jīng)驗(yàn)公式外推降深不能超過(guò)最大降深的1.5倍，其他曲線類型不能超過(guò)1.75 ～3.0 倍，所以計(jì)算中直線型取 S=1.5S3，其他曲線類型取 S=1.8S3。結(jié)果見(jiàn)表2。

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

3.2 結(jié)果討論

1)通過(guò)表2擬合差的對(duì)比，曲線擬合差中直線型和指數(shù)型差值較小，對(duì)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(yàn)公式對(duì)地下水資源量評(píng)價(jià)時(shí)，盡量選取直線型和指數(shù)型。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，直線型和指數(shù)型的擬合誤差相近，因?yàn)楦鶕?jù)計(jì)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(jì)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(jì)算，因外推計(jì)算中外推降深的取值不同而使計(jì)算的資源量不同。但在同一口井的計(jì)算中，資源量應(yīng)該是一個(gè)定值。計(jì)算的結(jié)果因?yàn)橥馔平瞪畈煌煌?，說(shuō)明人為性誤差極大。

表2 抽水試驗(yàn)擬合誤差及抽水量計(jì)算結(jié)果 L/s

表3 影響半徑及滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3)根據(jù)流量與水位降深關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式擬合方法進(jìn)行計(jì)算，并不是擬合誤差越小，資源量就越接近經(jīng)驗(yàn)公式合理值，例如5號(hào)鉆孔拋物線型擬合差非常大，但是計(jì)算資源量與合理值相近，說(shuō)明擬合誤差值和水資源計(jì)算值無(wú)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(yàn)值相比誤差較大。

4 建議

裘布依穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)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(yùn)用流量與降深之間的經(jīng)驗(yàn)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(píng)價(jià)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(shí)期抽水資料計(jì)算的結(jié)果不盡相同，任何一次抽水試驗(yàn)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(jì)算最大資源量，而地下水水文法可以計(jì)算枯水期可開(kāi)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(yàn)的正確性。反向抽水需要含水層賦水性強(qiáng)，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(yàn)。

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

(4)建議不求解影響半徑R，因?yàn)樵谫F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(shí)井內(nèi)的水位變化，或者降水量與徑流量之間的關(guān)系來(lái)求解。

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1004－1184(2012)06－0046－02

2012－10－15

曹振東(1984－)，男，甘肅會(huì)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。