水文地质现场试验-抽水试验

－2011年元月专业培训讲座水文地质现场试验－抽水试验(PUMPINGTEST))ln(4rwRTQsw抽水试验小结目录抽水试验的设计抽水试验计算抽水试验专题讲座1抽水试验原理抽水试验是对含水层产生一个人工激发，含水层做出一个响应（渗流场的流线发生变形），并形成一个井流场的过程。井流场的影响深度受取水构筑物形式的限制，影响范围小于或等于含水层渗流场。抽水试验的效果受到边界条件、水流特征及岩性均质性等影响。含水层井流线边界钻孔抽水试验示意性剖面图12345678910井流方程推导与假设地下水运动方程-承压含水层为例由基于层流的达西定律、质量与能量守恒原理及水流连续性原理可推导出地下水运动方程。在有边界及初始条件下，可有数值法求解。能进行sw(t)中长期预测。在设定无限边界、均质各向同性等条件下，推算出泰斯非稳定流公式，通过模板配线获得K/T、μ/S参数的水动力解析解，可进行sw(t)短期预测。假设存在一圆岛型补给边界的条件下，泰斯公式可简化为裘布依稳定流公式，通过代数计算即可获得简单的K/T参数值，只能用于sw-Q预测。)(4uWTQsw)ln(4rwRTQsw地下水仿真均质无边界概化条件高度简化抽水试验类型介绍一、抽水试验的分类1.按广义的抽注水形式：抽水试验，脉冲式注水试验2.按取水构筑物形式：钻孔抽水试验，机民井抽水试验3.按试验井孔数：单孔抽水试验，群孔抽水试验，开采性抽水试验4.按渗流的流态：稳定流抽水试验，非稳定抽水试验5.按井孔的结构类型：完整井抽水试验，非完整井抽水试验6.按含水介质的不同：裂隙水抽水试验，孔隙水（潜水，承压水）抽水试验二、稳定流抽水试验在勘查阶段比较低，供排水规模比较小及项目审查要求不很是严的情况下均可以采用，多数情况下无须布设水位观测井。该方法具有成本低，见效快及计算简单的特点。三、非稳定流抽水试验在勘查阶段比较高、水文地质条件复杂、供排水规模比较大，以及要进行动态水资源评价的情况下多采用。但该方法需要观测井，水位观测值基本上都要参与分析计算，水位及水量观测精度要求较高；配线过程比较复杂。但总体来看，一般只须进行一个落程的试验，不需要稳定观测过程。四、群孔抽水试验有二个以上的抽水井及有水位观测井，由于响应范围较大，取得的水文地质参数精度较单孔高，同时由于抽水试验过程较长，结果可用于数值模型识别，因此具有特别意义。1.稳定流抽水试验稳定流抽水试验的目的稳定流抽水试验是建立在裘布依稳定流理论体系之上，在有给定补给边界条件、具有均质性及无限补给有保障的假设前提下进行的；试验结果可获取含水层渗透系数近似值，不能获取给水度或储水系数参数值；考虑到裘布依公式的假设条件与现实条件有非常大的差别，影响半径模型（对称济姆模型）与圆岛模型不是一回事，试验结果不能直接用于水资源评价（平均布井法，稳定流干扰系数法，流线计算法等）。同时，按此理论，在新的供水水文地质规范中也明确提出要淡化“影响半径”的参数概念；考虑到边界对抽水试验的影响，稳定延续时间亦不宜太长。⑴确定地下水富水性等级，涌水量外推计算；⑵确定含水层性能参数，如渗透系数值；⑶确定洗井效果及井损情况；2抽水试验设计1.设计前的准备工作⑴获取井孔的结构情况，明确试验的目的与技术要求；⑵进行1～2km范围的水文地质勘测，避免周边水体及井孔影响；⑶推测单井涌水量，进行提水设备（水泵，压风机等）及落程安排；⑷提出观测时间，观测方法及观测误差的技术要求。2.抽水试验的观测要求⑴抽水井水位观测按非稳定流要求，正式抽水试验前进行几次静止水位观测；⑵水量观测要求；⑶气温及水温观测要求；⑷稳定延续时间要求（不能长也不能短）；⑸恢复水位观测要求；⑹试验前后的井深测量要求；3.非稳定流观测孔布置前，应进行抽水试验性能分析，保证观测井数据有效性4.重大抽水试验，应编制单井抽水试验设计书提示1、区域水位变化对长时间的抽水试验有一定的影响，特别是水位变幅较大的时期。因此，抽水试验应尽量安排在区域水位变幅较小的时期进行。2、无论区域水位如何变化，应尽可能在抽水试验前远距离设置一个区域水位观测井，在抽水试验计算时，进行水位误差消除。3、尽可能在试验过程中采用同一条测线，并在试验结束后进行测线刻度修正，修正值应反映到计算水位中。3抽水试验计算稳定流抽水试验计算步骤与要点：⑴分析抽水试验资料，用曲度法或差分法（包括相关系数法）确定抽水试验sw-Q，sw-q曲线类型，是否反常；⑵进行抽水试验sw-Q曲线方程拟合，并确定曲线类型及系数；⑶如果有2个以上落程试验则进行层流降深计算（去井损）；⑷确定井孔的非完整性及井孔特征值；⑸选择合理公式进行K值迭代计算；⑹进行涌水量外推计算。221.12(lnln)()2去井损后的潜水非完整井公式与影响半径经验公式迭代，如右图。如果只有单落程，则加入阿勃拉莫夫水跃值经验公式。非稳定流抽水试验计算步骤与要点：⑴分析抽水试验资料，确定抽水试验sw-lg(t)曲线拐点是否明显；⑵进行数据录入，确定是否有越流影响、边界影响及滞后影响等；⑶进行相应模型下的标准曲线配线分析，确定T及S值；⑷如果需要预测则录入设计井孔并进行降深预测。曲线类型判别配线及求参含水层非稳定流参数计算的AQUIFERTEST软件界面提示：⑴受骨架压缩及井筒涌水影响，第1分钟内的观测值可能偏离泰斯曲线；⑵受边界影响或越流等情况影响，尾部曲线可能偏离泰斯曲线；指定时间不同距离的泰斯曲线示意图AQUIFERTEST（V4.2）计算软件的指定时间降深场预报4抽水试验小结一、文字部分⑴抽水试验的类型，时间，落程安排及人员观测情况；⑵场地水文地质条件背景情况；⑶抽水试验观测值及误差统计情况；⑷抽水试验参数计算；⑸存在问题；二、图表部分⑴抽水试验现场曲线二条（稳定流），非稳定流一条；⑵降深与涌水量历时曲线，相应观测记录表；⑶配线及参数（非稳定流）；⑷抽水试验统计表及实际材料图。5抽水试验专题讲座⑴大厚度含水层⑵“影响半径模型”错误⑶抽水量的保障⑷由稳定流理论引发的开采量保证问题⑸抽水会影响到边界吗?⑹三维流及非完整性对抽水试验设计的影响⑺水文地质参数的正确概念⑻中外抽水试验的差异及进展⑼抽水试验性能分析可代替井群规划⑽抽水试验重要提示⑴大厚度含水层水文地质参数T/S与含水段的岩性结构有密切的联系,当含水层厚度非常大时,水文钻探及抽水设备不能满足了解整个含水层参数的要求.抽水井由于本身结构原因及层流要求,过水流速不能太大,因此,当含水层厚度(或滤水管长度)远大于滤水管有效工作长度时,滤水管长度的增加不能与出水量成正比关系,引发含水层有效厚度概念.根据陈雨孙等的试验对比结果,滤水管有效工作长度在17～35米,当含水层厚度或滤水管工作长度远大于这个数据时,求出的稳定流K值会大大偏小于经验值,这时应采用T值,若要进行K值对比则采用含水层有效厚度去计算.⑵“影响半径模型”错误裘布依提出的“圆岛模型”是高度概化的环岛状补给边界模型,抽水量完全是由”海水”补给的,取之不尽,用之不完,完全能够达到稳定状态。“影响半径”模型是德国土木工程师Thiem所提出。他认为：在水平方向无限延伸的含水层中的R值可以近似取为从抽水井中心到实际上观测不出地下水位下降处的水平距离，这样就引出“影响半径”的概念。⑶抽水量的保障⑷由稳定流理论引发的开采量保证问题⑸抽水会影响到边界吗?1.按照稳定流理论，抽水一段时间后存在一个影响半径，影响半径以外的区域不受井流影响，不产生水位下降，显然，这也意味着不会影响到距抽水很远的边界了。2.这时的水量均衡关系可表示为：Qb=Qp+△Qk，这个公式成立吗？，显然是不成立的，因为未开采时的Qb=Qp，既然开采未影响到边界，那么开采时的补给量和原有的排泄量也是不变化的。开采的地下水来自何处呢？3.根据前面的分析，如果抽水未影响到边界，那么开采量就应该完全是由动用储存量来提供的了。补给量Qb排泄量Qp增加开采后△Qk⑹三维流及非完整性对抽水试验设计的影响当降深很大或含水层顶底板变化较大时，靠近抽水井附近三维流的影响非常大，而常规的抽水试验设计的求参多为层流的KX或KY或KXY，并没有考虑KZ，因此，根据物探解释成果或机民井调查成果尽量选择有代表性的井孔，或尽量避免大降深，或水位观测井离开抽水井足够远。考虑到不同深度的观测井或观测井在不同深度具有不同的水位值，观测井与抽水井尽可能的同结构同孔深。•参数的概念•参数的应用条件•参数的尺度1、K-渗透系数，T-导水系数，S-储水系数，μ-给水度2、T=K*MS=μ+Ss*M3、在含水层厚度变化较大的情况下，采用K/Ss组合；在含水层厚度变化较小的情况下可以采用T/S组合，4、不存在在潜水含水层中采用K，S；承压含水层中采用T，S或稳定流为K，非稳定流为T，S说法。5、含水层参数与井流参数并不完全吻合，对井流而言,不同深度的K参数与水位值随高程的降低而变小，与地表水流的参数分布特征表现出高度的相似性。出现问题？中外研究交流方面以为然所以为然发展与创新解决问题！⑺水文地质参数的正确概念⑻中外抽水试验的差异及进展抽水试验井只提供激发，计算依靠水位观测井；单孔稳定流抽水试验参数计算结果受成井及冼井效果影响，多不采用；不只有稳定流试验才能计算井损，阶梯式非稳定流抽水试验同样也能提供；孔隙水与裂隙水的渗流计算公式并不等同；不同于国内，要求提供填砾层的厚度及渗透系数值；在抽水试验计算中允许变流量或流量有变化，并不影响非稳定流配线；在非稳定流计算前要进行异常值剔除及曲线类型判别；随着算法进步及计算机的利用，除了泰斯配线，博尔顿及纽曼等滞后给水越流存在的算法，出现了很多新的算法。主要非稳定流抽水试验计算方法统计一览表备注：根据加拿大滑铁泸水文地质公司AqufertestV35软件编制⑼抽水试验性能分析可代替井群规划井距(m)井1坐标井2坐标井3坐标孔壁降深(m)漏斗中心降深(m)10-8.66,-58.66,-50,103.723.4825-21.6,-12.521.6,-12.50,253.513.1750-43.3,-2543.3,-253.352.92100-86.6,-5086.6,-500,1003.212.70200-173.2,-100173.2,-1000,2003.052.45300-260,-150260,-1500,3002.952.31400-346.4,-200346.4,-2000,4002.892.21500-433,-250433,-2500,5002.862.12600-520,-300520,-3000,6002.812.06700-606,-350606,-3500,7002.772.02800-693,-400693,-4000,8002.741.97900-779,-450779,-4500,9002.711.941000-866,-500866,-5000,10002.681.91一、设定含水层及抽水井参数取承压完整含水层厚度72米,渗透系数86m/d,储水系数0.002，单井涌水量4400m3/d，井深130m，孔径650mm，管径426mm，滤水管工作长度为40m的系列含水层参数及生产井结构进行分析。二、井群坐标参数及计算采用等边三角形进行井群布设，共设置三眼相同结构的生产井，取三角形中心的坐标为原点（0，0），计算采用AQUFERTEST软件进行，将计算结果在曲线中查到后填入表1中。在其它软件中进行有关曲线的绘制。图1为单孔抽水试验1100天时的降深距离曲线图，图2为三孔等距群孔抽水1100天时的中心观测孔及孔壁降深—井距曲线图。表1为等距生产井坐标及计算结果数据统计一览表。三、计算结果及结论1、单井抽水时的孔壁降深—距离曲线与群孔抽水试验降落漏斗中心及生产井孔壁降深—井距曲线均为形态相近的曲线类型。抽水的前段曲线为半对数型，后中段为类似渐近线的贝塞尔极数类型。2、两种方法的井距分析结果相近，250～300米为可以接受的最小井距，取曲线2最大曲线