水文地质学20地下水资源评价4

水文地质学——地下水资源评价（3）评价方法主讲人余强3.开采试验法•在未来水源地地段，进行较长时间的抽水试验，根据开采量－降深(Q-s)关系，对地下水可开采资源量进行评价。•适用条件：–水文地质条件复杂，一时难以查清而又急需作出水资源评价的地区。–进入水文地质详勘阶段，必须进行抽水试验，运用开采实验法进行可开采资源量评价。–该方法主要适用于中小型水源地的地下水资源评价。3开采试验法•开采抽水法•试验外推法•补偿疏干法3.1开采抽水法•开采抽水法是按实际(设计)抽水量进行抽水试验，并对地下水进行可开采资源量评价的一种方法。•抽水时期：旱季（why?）–为了用抽水试验揭露当地地下水的补给能力，一般选择旱季开始抽水。•延续时间：尽量延长抽水时间，在抽水量达到设计开采量后，一般至少为整个旱季+1个月，从抽水到恢复水位期间进行全面观测水位观测结果可能出现两种情形•可开采量评价–①在长期抽水过程中，如果水位达到设计降深并趋近稳定状态，即钻孔水位下降值保持在一个稳定的水平上，不再随时间继续下降，并且抽水量大于或等于需水量；停抽后，水位又能较快地恢复到原来的水平，这就表明实际抽水量小于开采条件下的补给能力，按需水量开采是有保证的。这时，实际的抽水量就是可开采资源量。抽补QQ开采试样法-第一种情况恢复曲线水位降深曲线水位观测结果可能出现两种情形②如果在长期定流量抽水过程中，井中水位不稳定，特别是观测孔水位具有持续下降的趋势；停抽后，水位虽有恢复，但始终达不到原始水位。说明抽水量已超过开采条件下的补给能力，按此抽水量开采是没有保证的。这时，考虑：单位储存量法开采试验法-第二种情况近似直线下降单位储存量法•用开采情况下抽水稳定、水位下降较均匀时，任意时段内的水量均衡：–式中：为水位下降1m时储存量的减少量，简称单位储存量（m3/m）；S为Δt时段的水位降深（m）。•此时，抽水量是由两部分组成–一是开采条件下的补给量；–二是含水层中消耗的储存量。–利用抽水稳定、水位下降较均匀时的若干时段资料，分别带入上面公式，利用消元法求出补给量和单位储存量。–并利用单位储存量河水位恢复资料检验所计算的补给量的可靠性（为等幅回升，故取负值）SQQFt抽补SQQFt抽补StF开采试验法小结①用旱季抽水所求的补给量评价地下水可开采资源量结果是比较保守的；②不同的开采条件下，Q补是有可能不同的，即Q补是一个与开采条件有关的变量。因此，为了更准确评价可开采资源量，应在开采过程中继续进行水位的长期观测，逐步用多年平均补给量进行评价；③开采抽水法评价地下水可开采资源量，往往需要进行相当长的抽水试验，必然要花费较多的人力、物力。•因此，该方法只有在难以查清地下水补给条件而又急需进行评价，且供水部门对用水量的保证程度要求又比较高时，才采用这种方法。开采试验法－实例【例题】某水源地位于基岩裂隙水的富水地段。在0.2km2面积内施工了12个钻孔，最大孔距不超过300m,在其中3个钻孔中进行了4个多月的抽水试验，观测数据列于表中。抽水试验结果表时段（月.日）5.1－5.255.26－6.26.7－6.106.11－6.196.20－6.30平均抽水量（m3/d）31692773326230712804平均降速（m/d）0.470.090.940.540.19这些数据表明，在水位急速下降结束后，开始等幅持续下降；停抽或暂时中断抽水以及抽水量减少时，水位都有等幅回升现象。这说明正常抽水量已大于补给量。将表中的资料代入下式：①3169=Q补＋0.47μF；②2773=Q补＋0.09μF；③3262=Q补＋0.94μF；④3071=Q补＋0.54μF；⑤2804=Q补＋0.19μFtSFQQ抽补开采试验法－实例解联方程计算表联立方程①和②③和④③和⑤④和⑤平均值Q补36792813268826592710μF1042473611763723从计算结果来看，不同时段组合所求出的Q补相差不大，但μF值变化较大，可能是由于裂隙发育不均匀和降落漏斗扩展速度不均所致。用水位恢复资料也可计算Q补，其原始数据和计算结果列于下表。可以做出这样的评价：本区的补给量有限，如果开采量超过2700m3/d，则会引起水位大幅度下降。因此，有保证的地下水可开采资源量应控制在2600－2700m3/d之内。水位恢复计算表时段（月日）水位恢复值（m）)/(dmts平均抽水量（m3/d）采用公式补给量（m3/d）7.2－7.619.363.870tsFQ补27987.21－7.2619.963.33107tsFQQ抽补2517平均值26583.2试验外推法•根据多个流程的抽水量-降深关系，确定可开采资源量。•适用条件：–含水层富水程度较好、补给充足–抽水设备能力限制，达不到实际需水量情况下•要求：–至少进行三次降深–最大抽水量尽量接近实际需水量–最大降深尽量接近设计降深3.2试验外推法野外常见的Q—S曲线类型表达式说明直线型qsQq为单位涌水量（m3／dm）抛物线型2BQAQs在QQs/坐标系中为直线。A、B为待定系数。幂函数型BAsQ在1gQ—1gs坐标系内为直线。对数型sBAQlg在Q—lgs坐标系中为直线。3.2试验外推法注意事项：–以稳定流为基础–利用该方法推算可开采量时，必须充分考虑地下水的补给情况–抽水水位降深不能太小，否则影响降落曲线类型。尤其是采用对数曲线方程时，水位降深很小时不宜应用。–用抽水资料计算系数时，若当按不同降深资料求得系数值有出入时，应以最大的两次降深资料的计算值为依据。–各类曲线允许外推的范围：推断的设计降深为抽水试验最大降深的1.75~2.0倍。–把设计降深代入建立的方程求出的就是相应的地下水可开采量。3.3补偿疏干法•充分利用含水层的储水空间和调节能力,通过抽水试验进行地下水可开采资源量的评价方法。•适用条件：–地下水补给在时间上分配不均匀–含水层具有一定的调节能力,但分布面积有限•必要条件：–借用的储存量满足旱季开采量的需要–雨季补给量除满足当前开采量外，还能补偿旱季动用的储存量抽水井水位下降、流量过程线与补给关系旱季雨季下降迅速等速下降开采量大于旱季补给能力3.3补偿疏干法•评价步骤–计算旱季开采量－通过求单位储存量，继而计算旱季开采量–计算雨季补给量–评价可开采资源量评价步骤之一－计算旱季开采量•在旱季进行开采抽水试验，因为旱季补给量基本没有，完全靠疏干储存量来维持抽水，再者由于蓄水构造范围有限，抽水降落漏斗极易扩展到边界，所以抽水过程中的水量均衡式为则–式中：为单位储存量（m3／m）；Q抽为试验抽水量（m3／d）；Δt、Δs为抽水过程中水位急速下降后开始平稳等速下降的延续时间（d）和相应的水位下降值（m）。tsFQ抽stQF抽F评价步骤之一－计算旱季开采量•求出单位储存量后，再根据含水层的厚度和取水设备的能力给出最大允许降深Smax，再查明整个旱季时间T旱，则可以计算旱季的开采量（Q开），即：–式中：S0为开采抽水开始等幅下降时井中的水位降深（m），可根据地下水动力学的有关公式确定开始等幅下降的时间。旱开TSSFQ0max评价步骤之二－计算雨季补给量地下水雨季补给量除了保证雨季的开采外，多余部分就要补偿疏干的储存量，引起水位等幅回升。因此雨季补给量等于抽水量与补偿疏干的储存量之和，即：式中：为水位回升时的单位补偿量，可以近似认为与水位下降时的单位储存相同；为水位回升速率（m/d），可以根据旱季抽水试验资料求得；Q′抽为雨季抽水试验的抽水量（m3/d）。抽补QtsFQ'tsF评价步骤之三－评价可开采资源如果地下水一年接受补给的时间为T雨，由此可以得到补给总量=Q补T雨，把补给总量分配到全年即得到年平均补给量：'()365TsQFQt雨抽开评价步骤之三－评价可开采资源•结论分析Q补≥Q开，则计算的Q开可作为可开采资源量；Q补Q开，则应以Q补作为可开采资源量。考虑开采时水文气象因素变化对开采的影响，为了安全起见，可开采资源量应乘以一个小于1的安全系数β（一般取0.5～1）使之总是小于补给量，以保证长期开采的需要。补偿疏干法－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，面积约十平方公里。灰岩分布区有间歇性河，故岩溶水的补给来源主要是季节性河水渗漏和降水渗入。为了评价开采量，在整个旱季作了长期抽水试验，试验资料归纳如下图所示。勘查年的旱季时间t开=253天，雨季补给时间为T补=112天，允许降深规定为Smax=23米。抽水试验和恢复试验曲线补偿疏干法－实例•按旱季抽水资料求出值。•求开采量。把允许降深作为旱季末期的最大降深，令t开＝253天•求补给量。分析当地多年水文气象资料后，取安全系数r=0.7，•综合计算结果，Q补Q开，故开采量1841.2m3/d是有补给保证又能取出来的开采量。mmssttQF/325880553.14)10150(7.1761)(0101dmtSSFQ/2.18412535232588030max开开日补补6.881127.0rTtdmTQtsFQ/332.19633656.88)1900)150199(7.1125880365)('（雨抽补F4解析法•运用地下水解析解(井流公式)对含水层进行地下水可开采量进行评价的方法。–取水构筑物–井流公式–评价方法和步骤–局限性4解析法•取水构筑物•提取地下水的工程设施称之为取水构筑物•取水构筑物分类•垂直取水构筑物－井（管井、大口井）•水平取水构筑物－集水管（渗水管）、渗渠–抽水井分类•潜水井、承压水井、混采井•完整井、非完整井•稳定流、非稳定流•单井抽水、群井抽水4.1解析法：井流公式•地下水流向完整井的稳定流(裘布依公式)–裘布依公式的假设条件（？）–潜水含水层–承压含水层)ln()(220wwrRhhKQ)ln()2(0)ln()(20wwrRhhKMQKMrRQsww2)ln(裘布依公式的假设条件•稳定流，抽水产生稳定的降落漏斗，漏斗半径为Ｒ－影响半径；•天然水力坡度为零，抽水时为了用流线倾角的正切代替正弦，则井附近的水力坡度不能大于0.25；•含水层均质各向同性，含水层的底板是隔水的、水平的；•影响半径的范围内无渗入，无蒸发，每个过水断面上流量不变，在影响半径的圆周上为定水头边界；•降落漏斗范围内的地下水为平面二维流（径向流）4.1解析法：井流公式•地下水流向完整井的非稳定流(泰斯公式)–承压含水层•泰斯假设（？）•泰斯公式•当u0.01时，简化为：uuduueuwTtSruuwTQs)(4)(42225.2ln4SrTtTQs4.1解析法：井流公式•地下水流向完整井的非稳定流–潜水含水层–潜水和承压含水层非稳定井流公式比较TtruuwKQhhs4)(22200泰斯公式假设•含水层是均质的、各向同性、等厚、侧向无限延伸、水平•抽水前天然状态下地下水的水力坡度为零•完整井定流量抽水•含水层中水流服从达西定律•水头下降引起的地下水的储存量的释放量是瞬时完成的•抽水井井径无限小Theis公式4.1解析法：井流公式•群井抽水公式–承压含水层–潜水含水层TtSruuwQTsiiniii4)(4121tMKruuwQKhhsiiniii4)(21212004.1解析法：井流公式•矩形开采区承压含水层解析公式10212122*12*21*11*),(*2,2,2,2),(),(),(),(41),,(derferfSatylatylatxlatxlSSSSSSSttyxsyyxx开采影响范