吉林大学精品课>>专门水文地质学>>教材>>专门水文地质学  §8.2开采试验法 含水层分布面积不大，试验期的下降漏斗有可能扩展到所人边界；含水层厚度较大，在试验期或开采期有一定储存量可起调节作用；已知含水层的可能补给源，常年补给或季节补给，但具体补给条件很复杂。一时很难查清。在这类地区拟建中小型水源地时，如按一般方法进行复杂而精度不高的勘察和计算，还不如打勘探开采井或种用已有的生产进行开采试验，直接评价开采量更可靠些。 开采试验的时间和方法主要取决于含水层的可能补给源：在常年补给为主地区，可做旱季变量开采试验，利用时段均衡关系解出补给量做为评价依据；在季节补给为主地区，宜做跨季定量抽水试验，利用补偿疏干原理求出补给量评价开采量。具体方法如下： 一、常年补给为主地区 这类地区虽有常年补给源，但水文地质条件复杂，一般很难查清补给边介和补给量。如果需水量不大，而又急需做出评价时，最好按下列条件进行开采试验：试验时间安排在旱季后期，延续一至数月，抽水量必须等于或大于需水量。满足未来的需水量要求，抽水期间宜由小到大调节抽水量，形成若干落程：从抽水到恢复进行全面观测，随时划出开采动态历时曲线。结果可能出现两种开采动态。 （1）稳定动态：在按等于或大于需水量的抽水期间，动水位降到设计降深以前便相对稳定下来。停抽后的动水位又能恢复到原始水位。这就说明，在一定开采水平上可以形成均衡开采。按需水量开采显然是有补给保证的，这时的实际抽水量就是要求的开采量。 （2）非稳定动态：按等于或大于需水量抽水后，动水位降到设计降深仍不停止，持续下降。如果减少抽水量，也有水位回升，但停抽后的动水位迟迟不能恢复到原始水位。这说明，抽水量已经超过开采条件下的可能补给量。按需求量开采没有保证。开采动态的历时曲线如图8-5。 出现这种动态时，可按时段均衡法分离补给量做为开采量。因为，当下降漏斗已经扩展到含水层边介后，动水位便开始等幅下降。降速大小同抽水量成比例。所以任一时段的水量均衡都应满足下式： μFΔS＝（Q抽－Q补）Δt μF是漏斗范围内动水位下降一米时提供的储存量（米2）简称单位储存量。可视为定值；ΔS为Δt时段水位的等幅下降值（米）Q抽是时段的平均抽水量（米3/日）。Q补为开采条件下的补给量（米3/日）。 由上式得解出Q抽得 Q抽＝Q补＋μ （8-5） 结果说明，抽水量由两部分组成，一是开采条件下的补给量；二是含水层消耗的储存量。我们的任务就是把包括在抽水量中的两部分水量设法分解出来。以便用补给量评价开采量。 分解的方法，把抽水量相对稳定，动水位接近等幅下降的若干时段资料。如图8-5中的～Q1轴，～Qa轴等，分别代入（8-5）式组成代数方程组，再用消元法解出Q补和μF值。具体解法在例题中再讲。 为了核对所求Q补的可靠性。可用水位恢复资料进行检查。在抽水过程中，如果抽水量小于补给量，则有水位回升，漏斗收缩。这时，式（8-5）中的＝－，见图8-5，故得补给量： Q补＝Q抽＋μF　　　　　　　　　　　　　② 这里μF应取消元法解出的平均值；表示水位的等幅回升速度。停抽时，Q抽＝0，由此又得简单式： Q补＝μF　　　　　　　　　　　　　　③ 根据以上所求的Q补做为开采量，无疑是有补给保证的，但没有考虑雨季可能引起的补给增量，可用长观资料求出来。设雨季的水位变幅为Δh，则补给增量为μFΔh，把它分配为全年使用加入开采量中，即得： Q开＝Q补＋μF　　　　　　　　　（8-6） 实例：某水源地，位于基岩裂隙水的富水地段。在0.2平方公里面积内打了12个钻　，最大孔距不超过300米。在其中三孔中进行了四个多月的抽水试验，观测数据列入表8-1中。 表8-1 时段（月、日） 5.1-5.25 5.26-6.2 6.7-6.10 6.11-6.19 6.20-6.30  平均抽水量（米3/日） 3169 277.3 3262 3071 2804  平均降速（米/日） 0.47 0.09 0.94 0.54 0.14  （根据陕西省第二水文地质大队资料） 在抽水过程中，水位急剧下降结束年，开始等幅持续下降；抽水量减少和暂时中断抽水或停抽后都发现有水位等幅回升现象。这说明抽水量已经大于补给量，可以按式（8-5）计算Q补和μF值。将表8-1中的数据代入（8-5）式得： ①3169＝Q补＋0.47μF ②2773＝Q补＋0.09μF ③3262＝Q补＋0.94μF ④3071＝Q补＋0.54μF ⑤2804＝Q补＋0.14μF 考虑到数据的合理性的，把五个方程搭配联解求出Q补和μF值，结果列入表8-2中。 表(8-2) 联立方程编号 ①和② ③和④ ③和⑤ ④和⑤ 平均值  Q补 2679 2813 2688 2659 2710  μF 1042 473 611 763 723  数据证明，各时段的补给量比较稳定，但μF值变化较大，这可能是富水性和漏斗展速不均的反映。 用水位恢复资料核对Q补时，原始数据和计算结果列入表8-3中 表(8-3) 时段 （月、日） 水位恢复值 （米）  平均抽水量 （米3/日） 公　　式 补给量 （米3/日）  7.2～7.6 19.36 3.87 0 式③ 2798  7.21～7.26 19.96 3.83 107 式② 2517  平均值     2658  综合以上的计算结果，可以做出这样的评价结论：本区补给量有限，如果开采量超过2700米3/日，则会破坏均衡开采，引起水位持续下降：有保证的开采量宜在2600～2700之间。在短期内，允许超过这个数值，暂时借用储存量，但在丰水季节应能补偿回来。本区尚缺乏长观资料。无计计算雨季的补给增量。应立即着手长期观测工作。 二、季节补给为主地区 这类地区的常年补给量很少或没有，不可能满足需水要求，虽然在雨季有补给源，但时间短、又集中，如果不及时利用就要自然消耗掉。所以，在勘察中容易得出不适且开采或没有补给保证的评价结论。然而，季节补给为主地区有可改造的水量均衡关系，只要因势利导使水量均衡向有利开采的方向发展。就可增加补给量。扩大开采量。 在天然条件下，旱季补给不足时消耗储存量，水位下降：到雨季补给充足时补偿储存量。水位回升。这样随季节变化而起调节作用的储存量。可以把雨季的补给量分配为全年的消耗量。在开采条件下这种天然分配过程。可向有利开采的方向发展。旱季补给不足时，可以暂借储存量，保证连续开采；雨季补给时，借助于疏干的含水层空间和增大水位差的作用，增大补给量，除保证开采外，多余的可以补偿储存量，留下一个旱季再借用。枯水年和丰水年之间也有类似的分配关系。充分利用这种补偿疏干原理，即旱季或枯水年暂借储存量。雨季或丰水年补偿储存量，即能增加补给量，又可扩大开采量。这就叫以丰补欠的评价方法。 采用这种评价方法时，水文地质条件应满足两个要求：一是旱季允许借用的储存量必须满足旱季连续开采的要求。而不能中断开采；二是雨季可能得到的多余补给量。必须把旱季借用的储存量全部补偿回来，而不能部分补偿。因此，可按下列条件进行开采试验，第一，试验时间应当跨季抽水，宜从旱季末期开始，雨季补期停止，以便观测到下降漏斗内动水位的等幅下降和等幅回升过程；第二，抽水量可以小于、等于或大于需水量，由现场的设备条件决定。但必须使漏斗扩展到含水层所有边介；第三，定量抽水。开采动态的历时曲线。 在旱季，漏斗等幅下降过程中，说明漏斗已经波及全区，并形成全区的疏干过程，所以，从急速下降结束时间T0开始，任何时段抽出的水体积应等于含水层储存量的变化量，即： μFΔS＝QΔt ④ μF是单位储存量，可视为定值，ΔS是动水位在Δt时段的等幅下降值，Q是定量抽水量。 如把旱季抽水资料代入④式，可求得： 　　　　　　　　　　　　　　⑤ Q1是旱季的平均抽水量，S1是旱季末刻t1的水位降，S0是急速下降结束t0时的水位降。见图8-6. 有了μF值，可分别计算开采量、补给量，并做出评价。 （1）计算开采量 旱季借用的储存量，必须保证整个旱季连续开采，所以旱季末期形成的最大水位降不得超过设计的允许降深。设允许降深ΔS＝S允－S0；一年的旱季时间用t旱表示，Δt＝t旱－t0。 把这些代入（4）式，并令Q＝Q开，得  （8-7） 因t旱＞＞t0，故在计算中允许略去t0，这样计算的Q开，只能保证整个旱季连续开采，不会中断，但不一定有补给保证。 （2）计算补给量 在雨季，无论补给方式（垂向补给、侧向补给或二者兼有）如何，进入含水层的补给量除了平衡雨季开采量外，多余部分就要补偿旱季借出的储存量，引起水位回升，这时可以近似认为，等幅回升时的单位补偿量和等幅下降时的单位储存量相等。 设雨季初期测得的水位回升ΔS2。经过时段Δt2，则单位时间内补偿的水体积为，如用t补表示雨季的总补给时间，则雨季补给的总体积可近似认为： t补 式中Q2为雨季开采量，把这个体积分配为全年开采时，即得平均补给量：  （8-8） 为了供水安全，考虑到可能出现旱年系列时段应从多年气象周期出发，采用安全系数a=0.5-1。这时的t补＝aT补，T补为勘察年的实际补给时间。 综合以上两步计算结果，如果Q补≥Q开，则证明Q开是可以取出来又能补给保证的开采量，否则，应取Q补做为开采量。 实例，某新建水源地，据勘探查明：含水层为厚层灰岩，呈条带状分布，面积约5平方公里；灰岩分布区有季节性河流，所以岩溶水的补给源主要是季节性河水渗漏和和降雨入渗补给。为了评价开采量，做了跨季开采试验，试验资料归纳如图8-6所示，勘察年的旱季时间t旱＝253天，雨季补给时间T补＝112天，允许降深规定为S允＝23米。 首先，按旱季抽水资料计算  其次，求开采量，把有关数据代入（8-7）式得  最后，求补给量。分析当地多年水文气象资料后，取安全系数a＝0.7，故t补＝aT补＝0.7×112＝88.6日，代入（8-8）式得：  综合上述结果，Q补＞Q开，故Q开＝1841米3/日是即可取出又能补给保证的开采量。这就是以丰补欠的评价方法。 此外，还有稳定流的水力削减法，非稳定流的水力削减法等。都是根据两口的开采试验资料，予报井群开采量的方法，在水文地质条件简地区，正确使用这些方法，也能得出比较可靠的评价结果。