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: 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85 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: uF△S=(Q抽-Q补)△t uF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;△S为△t时段水位的等幅下降值(米)Q是时段的平均抽水量(米日)。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 4t10,个,~Q2等,分别代入(85)式组成代数方程组,再用消元法解出Q和以
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 Δt Δs （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 1 1 Δt Δs ～Q1 轴， a a Δt Δs ～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μ
F值。具体解法在例题中再讲 为了核对所求Q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(85)中的△S=-AS,见图85,故 得补给量: 这里μF应取消元法解出的平均值:一3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=F3 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△h,则补给增量为HF△h,把它分配 为全年使用加入开采量中,即得: Q开=Q补+F (8-6) 实例:某水源地,位于基岩裂隙水的富水地段。在02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81中。 表8-1 时段(月、日) 5.1-5.25 5.26-6.2 6.11-6 620-6.30 平均抽水量(米3/旧) 3071 平均降速(米/日) 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)i 算Q补和F值。将表8-1中的数据代入(8-5)式得: ①3169=Q#+047F ③3262=Q补+0.94F ④3071=Q补+0.54F ⑤2804=Q补+0.14F 考虑到数据的合理性的,把五个方程搭配联解求出Q*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 679 2813 2659 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 均的反映, 用水位恢复资料核对Q*时,原始数据和计算结果列入表8-3中 表(8-3)
F 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 Δt Δs ＝－ a a Δt Δs ，见图 8-5，故 得补给量： Q 补＝Q 抽＋μF 3 3 Δt Δs ② 这里μF 应取消元法解出的平均值； 3 3 Δt Δs 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 3 Δt Δs 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 365 Δh （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 水位恢复值 (米旧)平均抽水量公式 补给量 (月、日) (米) (米3/日) (米3/日) 7.2~76 7.21~7.26 3.83 107 式② 平均值 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 700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: HF△S=Q△t 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: HF=21(1-to) Q1是旱季的平均抽水量,S1是旱季末刻t的水位降,So是急速下降结束to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tq表示,△t=tg-t 把这些代入(4)式,并令Q=Q开,得
时段 （月、日） 水位恢复值 （米） （米/日） t s 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： 1 o 1 1 0 S S Q (t t ) F − − = 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
因t旱>≯,故在计算中允许略去to,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△S2。经过时段△t,则单位时间内补偿的水体积为μFAS2, 如用t表示雨季的总补给时间,则雨季补给的总体积可近似认为 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: Q补 Q2) (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 =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 AF=9(-1)=17617150-10)=258米 14.53-5 其次,求开采量,把有关数据代入(8-7)式得 Q开=F =25880 1841.2米2/日 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 0.7×112=886日,代入(8-8)式得: 886 +Q2)=(2588 11.7 +1900)=196332米3/日 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
旱 允 旱 允 开 － － － ＝ t t t Q 0 0 0 S S F S S F = （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 2 2 Δt ΔS μF ， 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： Q ) Δt ΔS (μμ 2 2 2 + 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： 补（ 2） 2 2 补 S F 365 Q Q t t + = （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 25880米 /日 14.53 5 1761.7(150 10) S S Q (t t ) F 2 1 0 1 1 0 = − − = − − = 其次，求开采量，把有关数据代入（8-7）式得 ＝ 米 日 － ＝ 旱 允 开 1841.2 / 253 23 5 25880 S S Q F 0 − 2 t 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： 补＝ 补（ ） 1900) 1963.32米 /日。 49 11.7 (2588 365 88.6 Q Δt ΔS F 365 t Q 3 2 a a + = + = 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