大沽河含水層抽水試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

李 磊 李春俊 雒義全

（山東省青島市水文水資源勘測(cè)局 青島 266071）

1 引言

青島市大沽河水源地含水砂層沿古河谷分布，面積廣，透水性、富水性強(qiáng)，地下水埋藏淺，易采易補(bǔ)。該水源地在調(diào)劑區(qū)域間水量分配、平衡盈虧、彌補(bǔ)干旱年份的城市供水缺口起到了關(guān)鍵性作用，是青島市應(yīng)對(duì)特大枯水年份的戰(zhàn)略性水源地。為了正確評(píng)價(jià)大沽河的地下水資源量，合理調(diào)配水資源，必須在大沽河流域內(nèi)進(jìn)行礫砂含水層抽水試驗(yàn)工作，以確定含水層基本參數(shù)，為計(jì)算大沽河水源的水資源量提供重要依據(jù)。本次抽水試驗(yàn)的主要目的：查明試驗(yàn)區(qū)河床及其周邊地區(qū)含水層的分布規(guī)律、試驗(yàn)區(qū)各松散含水層的滲透性以及周?chē)畬拥挠绊懓霃健?/p>

2 施工區(qū)選擇

根據(jù)多年地質(zhì)資料分析，實(shí)驗(yàn)區(qū)選定在大沽河地區(qū)的即墨市移風(fēng)店鎮(zhèn)東橋村南300m處，因該區(qū)地下含水層中地層構(gòu)成比較單一，基本為中粗砂、含礫中砂為主，覆蓋較厚，為大沽河流域含水層的主體。埋深保持在4～6m左右，徑流穩(wěn)定，基本處于無(wú)壓狀態(tài)，為典型的潛水，且該地區(qū)取水井較少，受外部干擾少。在此做抽水試驗(yàn)較為合適。

3 抽水實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)施

3.1 試驗(yàn)用抽水井（孔）、觀測(cè)孔

本次試驗(yàn)為松散含水層中穩(wěn)定流完整井多孔抽水試驗(yàn)，依據(jù)地下水水力坡度的變化，決定設(shè)兩條觀測(cè)線：一條垂直于地下水流向，另一條平行于地下水流向。詳見(jiàn)圖1。

①自抽水井向北，按平行于地下水徑流方向的形式布置觀測(cè)孔4個(gè)，抽水井、北1、北2、北3、北4觀測(cè)孔之間距離分別為3.0m、4.9m、9.0m、20.0m。

②自抽水井向西，按垂直垂直于地下水徑流方向的形式布置觀測(cè)孔4個(gè)，抽水井、西1、西2、西3、西4觀測(cè)孔之間距離分別為3.0m、4.8m、9.0m、24.6m。

3.2 成井施工過(guò)程

施工采用反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆孔法成孔，孔徑分別為：抽水孔φ850mm，觀測(cè)孔φ350mm，具體成井結(jié)構(gòu)如下：3.2.1 抽水井(孔)成井結(jié)構(gòu)

①井深：穿過(guò)整個(gè)含水層，鉆至紫紅色泥頁(yè)巖，井深10m，并保證井深入含水層底部1m做沉砂用。

②井開(kāi)孔至終孔直徑為700～800mm，井內(nèi)徑為500mm水泥混凝管材。

③井壁管（過(guò)濾器）：內(nèi)徑500mm無(wú)砂水泥花管，孔隙率為30%，外包22目尼龍紗網(wǎng)。竹排骨架支撐固定。

④過(guò)濾層：井壁管外厚150mm濾料選用磨圓度好φ10～20mm純凈碎石。3.2.2觀測(cè)孔成井結(jié)構(gòu)

①井深：穿過(guò)整個(gè)含水層，鉆至紫紅色泥頁(yè)巖。

②井開(kāi)孔至終孔直徑為350～400mm，井內(nèi)徑200mm PVC管材。

③井壁管（過(guò)濾器）：內(nèi)徑200mmPVC管，管身鉆φ5mm孔眼，孔隙率20%。外包22目尼龍紗網(wǎng)。

④過(guò)濾層：井壁管外填充磨圓度好φ10～20mm純凈碎石。

3.3 抽水試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)前先將水泵下入抽水井離井口9m處，用配套水管將抽出的水引到500m以外，防止回流影響試驗(yàn)結(jié)果。抽水井出水量精確測(cè)定采用量水堰箱，抽水前先用水泥砂漿砌磚將其安置于穩(wěn)固的基礎(chǔ)上，保持水平；距堰口一定距離處設(shè)置固定的堰水位標(biāo)尺，根據(jù)準(zhǔn)確測(cè)定的堰口讀數(shù)，計(jì)算出水泵抽水流量。

正式抽水前，靜水位觀測(cè)30min觀測(cè)一次，2h內(nèi)變幅不大于2cm，且無(wú)連續(xù)上升或下降，可以斷定此時(shí)試驗(yàn)區(qū)周?chē)鷽](méi)有其他的地方抽取地下水或者開(kāi)挖基坑擾動(dòng)地下水的情況，地下水位穩(wěn)定。

正式抽水試驗(yàn)第二日開(kāi)始，觀測(cè)地下水位采用人工觀測(cè)法。試驗(yàn)時(shí)抽水開(kāi)始后的第5min、10min、15min、20min、30min、40min、50min、60min，宜各觀測(cè)一次動(dòng)水位和出水量，以后每隔30min觀測(cè)一次。

抽水結(jié)束后，立即進(jìn)行水位恢復(fù)觀測(cè)，在停止抽水后第2 min、5min、10min、15min、20min、30min、40min 各觀測(cè)一次動(dòng)水位，以便分析該處地下水位的恢復(fù)情況。

3.4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)記錄

抽水孔和觀測(cè)孔結(jié)構(gòu)施工、試驗(yàn)設(shè)備及安裝等結(jié)束后，分別填寫(xiě)了現(xiàn)場(chǎng)抽水井的降深表、水泵出水運(yùn)行情況表、三角堰箱出水口高度表及水量換算表、觀測(cè)孔降深表等現(xiàn)場(chǎng)一手資料。另外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料及時(shí)繪制了降深與時(shí)間、出水量與時(shí)間（S-t、Q-t）關(guān)系曲線。

4 計(jì)算成果和分析

4.1 地下水類(lèi)型的確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽水井、觀測(cè)孔施工中鉆進(jìn)而揭示的地質(zhì)情況來(lái)看，本試驗(yàn)區(qū)地下地層資料主要為：最上為含有機(jī)腐植物較多的耕植土，其下為顆粒較細(xì)的粉土，再向下為磨圓度及分選性都較好的中砂，中砂層底部有少量的礫石，下伏棕黃色的夾礫粘土層，粘土層下棕紅色的泥頁(yè)巖為本試驗(yàn)區(qū)的基巖。

本區(qū)的地下水埋深為2.4m，根據(jù)相關(guān)資料，地下水受季節(jié)變化影響較明顯，地下水含水層主要為粉土和中砂層，其上部和中間沒(méi)有粘土層等隔水層。地下水與地表水聯(lián)系密切。

據(jù)此可以認(rèn)定本區(qū)地下水類(lèi)型為潛水。

4.2 地下水流態(tài)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的確定

通過(guò)抽水孔及觀測(cè)孔水位的長(zhǎng)期觀測(cè)，可以看出地下水位的下降隨著抽水量的增加而呈直線下降狀態(tài)，當(dāng)抽水量穩(wěn)定于10.43m3這個(gè)穩(wěn)定值時(shí)，則各觀測(cè)孔的地下水位不再下降。由此得出Q—S圖為直線狀態(tài)。

另外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔揭示的地層資料來(lái)看，該區(qū)含水層介質(zhì)均勻，條件單一，地下水流速均勻，無(wú)跳動(dòng)及脈沖狀水流現(xiàn)象。地下水徑流方向單一，為自沿大沽河上游向下的NE至SW方向。

通過(guò)以上分析可以看出，本試驗(yàn)區(qū)地下水徑流適用于達(dá)西流和平面輻射流的條件，因此可以確定本區(qū)地下水的流態(tài)為層流狀態(tài)，其地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律為穩(wěn)定流。

4.3 滲透系數(shù)K的計(jì)算

縱觀以上地質(zhì)條件可以分析出，本區(qū)含水層類(lèi)型為天然潛水含水層。因此，滲透系數(shù)K的計(jì)算采用穩(wěn)定流潛水完整井多孔抽水試驗(yàn)法，計(jì)算公式如下：

其中：

K——含水層滲透系數(shù)

Q——抽水井出水量

H——潛水含水層含水厚度

S1，S2——觀測(cè)孔水位下降值

r1，r2——觀測(cè)孔至抽水井半徑

根據(jù)以上公式，將抽水試驗(yàn)中按照觀測(cè)孔排列方向不同分別計(jì)算如下。

4.3.1 平行水源地地下水徑流方向的計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄，可得：

Q=263.38m3/d，H=5.6m

SN1=1.66m SN2=0.93m SN3=0.62m SN4=0.35m

rN1=3m rN2=7.9m rN3=16.9m rN4=36.9m

A：以 N1，N3 為觀測(cè)孔：K=15.6 m/d

B：以 N1，N4 為觀測(cè)孔：K=17.5 m/d

C：以 N2，N3 為觀測(cè)孔：K=21.3 m/d

D：以 N2，N4 為觀測(cè)孔：K=22.4 m/d

4.3.2 垂直水源地地下水徑流方向的計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄，可得：

Q=263.38m3/d，H=5.6m

SW1=1.39m SW2=0.71m SW3=0.48m SW4=0.18m

rW1=3m rW2=7.8m rW3=16.9m rW4=41.4m

A：以 W1，W3 為觀測(cè)孔：K=17.0 m/d

B：以 W1，W4 為觀測(cè)孔：K=19.0 m/d

C：以 W2，W3 為觀測(cè)孔：K=27.9 m/d

D：以 W2，W4 為觀測(cè)孔：K=25.6 m/d

4.4 影響半徑R的計(jì)算

本區(qū)的地下水抽水試驗(yàn)井為穩(wěn)定流潛水完整井多孔抽水實(shí)驗(yàn)法，故其影響半徑R的計(jì)算公式如下：

式中：

R——含水層影響半徑

Q——抽水井出水量

H——潛水含水層含水厚度

S1，S2——觀測(cè)孔水位下降值

r1，r2——觀測(cè)孔至抽水井半徑

根據(jù)以上公式，將抽水試驗(yàn)中按照觀測(cè)孔排列方向不同分別計(jì)算如下。

4.4.1 平行水源地地下水徑流方向的計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄，可得：

Q=263.38m3/d，H=5.6m

SN1=1.66m SN2=0.93m SN3=0.62m SN4=0.35m

RN1=3m RN2=7.9m rN3=16.9m rN4=36.9m

A：以 N1，N3 為觀測(cè)孔：lgR=1.7588 R=58m

B：以 N1，N4 為觀測(cè)孔：lgR=1.9108 R=81m

C：以 N2，N3 為觀測(cè)孔：lgR=1.9522 R=90m

D：以 N2，N4 為觀測(cè)孔：lgR=2.0088 R=102m

4.4.2 垂直于水源地地下水徑流方向的計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄，可得：

Q=263.38m3/d，H=5.6m

SW1=1.39m SW2=0.71m SW3=0.48m SW4=0.18m

RW1=3m RW2=7.8m rW3=16.9m rW4=41.4m

A：以 W1，W3 為觀測(cè)孔：lgR=1.6788R=48m

B：以 W1，W4 為觀測(cè)孔：lgR=1.8184 R=66m

C：以 W2，W3 為觀測(cè)孔：lgR=2.2044 R=101m

D：以 W2，W4 為觀測(cè)孔：lgR=1.8801R=76m

通過(guò)用每?jī)蓚€(gè)觀測(cè)孔資料分別計(jì)算出的的滲透系數(shù)K及影響半徑R計(jì)算值如表1所示。

通過(guò)以上計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，以N1、W1等靠近抽水井太近的觀測(cè)孔作為計(jì)算依據(jù)的，得出的滲透系數(shù)K值普遍較偏低，而用離抽水井比較合適的觀測(cè)孔N2、W2等計(jì)算出的K值則相對(duì)正常。造成這種情況的原因?yàn)镹1、W1觀測(cè)孔離主抽水孔中心只有3m的間距，而抽水井孔徑較大，從而當(dāng)?shù)叵滤飨蛑行某樗畷r(shí)（在3m以?xún)?nèi)）因地下水下降太快，造成水頭跌落，形成局部紊流（在水井周?chē)?，從而影響?jì)算結(jié)果，因此，計(jì)算時(shí)應(yīng)該將N，W1觀測(cè)孔資料作相應(yīng)修正，對(duì)于本次試驗(yàn)，由于觀測(cè)孔早已存在備用觀測(cè)孔，所以可以暫時(shí)棄用N1，W1資料。計(jì)算結(jié)果如表2、表3。

表1 滲透系數(shù)K及影響半徑R計(jì)算值

表2

表3

通過(guò)上述計(jì)算可以看出，在此地區(qū)地下水的徑流中，沿東西方向的地下水滲透系數(shù)比沿南北方向的地下水滲透系數(shù)稍大，這可能與試驗(yàn)區(qū)西部臨河有關(guān)，河中蓄存地表水水位過(guò)高，對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)給，從而對(duì)本試驗(yàn)區(qū)造成稍強(qiáng)的側(cè)向補(bǔ)給,致使西側(cè)地下水的滲透性稍強(qiáng)。但是，全面評(píng)觀本試驗(yàn)區(qū)，地表平坦，地下地質(zhì)成分單一，地下水位穩(wěn)定，離蓄水河道有一定的距離，地下水受河道內(nèi)地表水的變動(dòng)影響較小，因此，可以將以上情況綜合處理，采用加權(quán)平均的方法推算出本區(qū)地下水的滲透系數(shù)K和影響半徑R的綜合值為：

滲透系數(shù)：K=24.5 m/d，影響半徑：R=90～100 m。

5 結(jié)論

本次試驗(yàn)只獲取了大沽河水源地中游含水層成分及滲透性相關(guān)參數(shù)，抽水試驗(yàn)表明：本試驗(yàn)區(qū)地下水類(lèi)型為潛水。主要通過(guò)：大氣降水、地表徑流（河道側(cè)向補(bǔ)給）、地下水上游徑流補(bǔ)給。試驗(yàn)區(qū)地下含水層成分單一，地層自上而下主要為粉土及中砂，地下含水層隔水底板為白堊系王氏組紫紅色泥頁(yè)巖。地下水流態(tài)為層流，地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律為穩(wěn)定流。本區(qū)含水層滲透系數(shù)K為24.5m/d，地下水單井影響半徑R為90～100m