利用開采性抽水試驗(yàn)評價(jià)地下水允許開采量

李愛平，張國飛，苗建軍，劉志強(qiáng)

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)水文中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000;2.通遼市水利勘測設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙 通遼 028000)

地下水允許開采量的計(jì)算是地下水資源評價(jià)的核心問題，其評價(jià)方法多種多樣。對于中小型水源地地下水資源評價(jià)，特別是水文地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)，若在短期內(nèi)不易查清補(bǔ)給條件而又急需作出評價(jià)結(jié)果時(shí)，相比其他評價(jià)方法而言，利用開采性抽水試驗(yàn)方法來確定水源地地下水允許開采量會收到事半功倍的效果。

1 基 本理 論［1，2］

開采性抽水試驗(yàn)其原理是根據(jù)計(jì)算區(qū)擬定的開采方案，按照設(shè)計(jì)的開采降深和開采量進(jìn)行一至數(shù)月開采性抽水，抽水降落漏斗應(yīng)能擴(kuò)展到計(jì)算區(qū)的天然邊界，根據(jù)抽水結(jié)果確定允許開采量。根據(jù)抽水水位穩(wěn)定狀況，可分為穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流兩種類型。

1.1 穩(wěn)定流狀態(tài)

按設(shè)計(jì)需水量進(jìn)行長期抽水時(shí)，主井或井群中心點(diǎn)的動水位等于或小于設(shè)計(jì)降深時(shí)，呈現(xiàn)出穩(wěn)定流狀態(tài)，并且觀測井的水位也能保持穩(wěn)定狀態(tài)，其穩(wěn)定狀態(tài)均達(dá)到規(guī)范要求，而且在停抽后，水位又能較快的恢復(fù)到原始水位，這表明實(shí)際抽水量小于或等于開采時(shí)的補(bǔ)給量，按設(shè)計(jì)需水量進(jìn)行開采是有補(bǔ)給保證的，此時(shí)，實(shí)際抽水量就等于允許開采量。若將抽水量作為設(shè)計(jì)需水量，水源地地下水完全是有保障的。

1.2 非穩(wěn)定流狀態(tài)

在長期抽水過程中，主井及觀測井的水位一直持續(xù)緩慢下降，停止抽水后，水位雖有恢復(fù)，但始終達(dá)不到初始水位，說明抽水量大于補(bǔ)給量，消耗了含水層中的儲存量。計(jì)算補(bǔ)給量的方法是選擇抽水后期，主井與觀測井出現(xiàn)同步等幅下降時(shí)的抽水試驗(yàn)資料，建立水量均衡關(guān)系式，求出補(bǔ)給量。此時(shí)，若沒有其他消耗時(shí)，任一抽水段內(nèi)產(chǎn)生水位降深的水均衡關(guān)系式為:

由此可見，抽水量有兩部分組成，即開采條件下的補(bǔ)給量和含水層消耗的儲存量。選擇水位等幅下降階段若干個(gè)時(shí)段資料，就可利用消元法計(jì)算出補(bǔ)給量和 μF值。為了檢驗(yàn)所求補(bǔ)給量的可靠性，可利用水位恢復(fù)階段的資料計(jì)算補(bǔ)給量進(jìn)行檢驗(yàn)，水位恢復(fù)時(shí)，ΔS/Δt為水位回升速度，計(jì)算時(shí)取負(fù)號。水位恢復(fù)時(shí)計(jì)算補(bǔ)給量的公式為:

同時(shí)，也可將抽水階段水均衡關(guān)系式(1)式與水位恢復(fù)階段水均衡關(guān)系式(2)式聯(lián)立，消去μF值，直接求解補(bǔ)給量Q補(bǔ)。

2 實(shí)例

水源地位于內(nèi)蒙古赤峰市寧城縣天義鎮(zhèn)北部池家窩鋪附近，老哈河一級階地地區(qū)，區(qū)內(nèi)地勢平坦，第四系孔隙潛水分布廣，水位埋藏淺，一般為2.66～5.30 m之間，含水層厚度大，厚度一般35～49 m之間，水量豐富，富水性大，含水層由第四系砂、砂礫石、砂卵石組成。根據(jù)抽水試驗(yàn)成果得知，400 mm口徑下的單位涌水量 50～90 m3/h·m，滲透系數(shù)58.43 ～76.34 m/d，影響半徑 150 m，pH 值 7.06 ～8.08，礦化度 0.27 ～0.55 g/L，水化學(xué)類型 HCO3—Ca型。

2.1 水源地布井方案

根據(jù)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件，水源地選擇在距老哈河河岸400 m 附近，坐標(biāo):X=440 887.01—441 258.34，Y=461 273 0.77—461 296 3.33，面積約 0.1 km2。水源地共布井 3眼，即 T1、T2和 T3，孔徑 600 mm，管徑 400 mm，設(shè)計(jì)井深 55 m，中心觀測孔1眼。水源地布井示意見圖1。

圖1 水源地布井示意圖

2.2 開采性抽水試驗(yàn)

本次開采性抽水試驗(yàn)共計(jì)井?dāng)?shù)16眼，其中抽水井3眼(T1、T2和 T3)，觀測井13眼，三眼井總抽水量25 392 m3/d，試驗(yàn)時(shí)間共計(jì)40 d，其中抽水階段30 d，水位恢復(fù)階段10 d。由于抽水時(shí)間短，后期動水位始終處于緩慢下降狀態(tài)(后期呈擬穩(wěn)定狀態(tài))，說明抽水量大于補(bǔ)給量，消耗了含水層中的儲存量。因此，水源地地下水允許開采量采用非穩(wěn)定狀態(tài)下的開采試驗(yàn)法計(jì)算。根據(jù)開采試驗(yàn)法的適用條件，選擇主井與觀測井同步等幅下降時(shí)的抽水試驗(yàn)資料。為了直觀，利用中心觀測孔時(shí)間—降深曲線來計(jì)算地下水允許開采量，中心觀測孔時(shí)間—降深曲線見圖2。水位下降及上升選擇曲線中直線部分，見表1。

圖2 中心觀測孔時(shí)間－降深曲線

表1 水源地抽水試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)

將上表數(shù)據(jù)代入(1)和(2)式，得到:

聯(lián)立二式，消去 μF，求解得知:

本次任務(wù)是通過開采試驗(yàn)法評價(jià)新增2萬 m3/d開采量的可行性，水源地允許開采量為20 209 m3/d，由此可見，規(guī)劃開采量2萬 m3/d是完全有保障的。

為了說明抽水井之間的相互干擾情況，采用抽水后期擬穩(wěn)定狀態(tài)下的降深值，計(jì)算主井流量干擾及降深干擾，結(jié)果見表2。由表可知，三個(gè)開采井T1、T2和T3流量干擾和降深干擾均小于20%，說明水源地地下水補(bǔ)給條件好，徑流通道暢通，降深小，影響范圍小，各單孔之間相互干擾小，長期供水是有保障的［3］。

表2 主井流量干擾及降深干擾計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語

利用開采性抽水試驗(yàn)方法來評價(jià)水源地允許開采量，抽水試驗(yàn)抽水量接近設(shè)計(jì)開采量，相應(yīng)的流量與降深也最直觀地體現(xiàn)在以后實(shí)際運(yùn)作時(shí)相應(yīng)的數(shù)值上［3］。因此，開采性抽水試驗(yàn)成為水源地建立與否的驗(yàn)證手段，尤其對于短時(shí)間內(nèi)作出評價(jià)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)而言。利用開采性抽水試驗(yàn)評價(jià)水源地允許開采量準(zhǔn)確、可靠，但需要花費(fèi)人力、物力較大。

［1］供水水文地質(zhì)手冊［M］.北京:地質(zhì)出版社.1977.

［2］曹劍鋒，遲寶明，王文科等.專門水文地質(zhì)學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社.2008:143－144.

［3］何寶林.群孔干擾抽水試驗(yàn)在評價(jià)水量中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程.2004，3:91 －92.