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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a0.5-1。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＝0.7112＝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。