大沽河含水層抽水試驗設計與分析

李 磊 李春俊 雒義全

（山東省青島市水文水資源勘測局 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，地下水埋藏淺，易采易補。該水源地在調劑區域間水量分配、平衡盈虧、彌補干旱年份的城市供水缺口起到了關鍵性作用，是青島市應對特大枯水年份的戰略性水源地。為了正確評價大沽河的地下水資源量，合理調配水資源，必須在大沽河流域內進行礫砂含水層抽水試驗工作，以確定含水層基本參數，為計算大沽河水源的水資源量提供重要依據。本次抽水試驗的主要目的：查明試驗區河床及其周邊地區含水層的分布規律、試驗區各松散含水層的滲透性以及周圍含水層的影響半徑。

2 施工區選擇

根據多年地質資料分析，實驗區選定在大沽河地區的即墨市移風店鎮東橋村南300m處，因該區地下含水層中地層構成比較單一，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，徑流穩定，基本處于無壓狀態，為典型的潛水，且該地區取水井較少，受外部干擾少。在此做抽水試驗較為合適。

3 抽水實驗設計及實施

3.1 試驗用抽水井（孔）、觀測孔

本次試驗為松散含水層中穩定流完整井多孔抽水試驗，依據地下水水力坡度的變化，決定設兩條觀測線：一條垂直于地下水流向，另一條平行于地下水流向。詳見圖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孔4個，抽水井、北1、北2、北3、北4觀測孔之間距離分別為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孔4個，抽水井、西1、西2、西3、西4觀測孔之間距離分別為3.0m、4.8m、9.0m、24.6m。

3.2 成井施工過程

施工采用反循環回轉鉆孔法成孔，孔徑分別為：抽水孔φ850mm，觀測孔φ350mm，具體成井結構如下：3.2.1 抽水井(孔)成井結構

①井深：穿過整個含水層，鉆至紫紅色泥頁巖，井深10m，并保證井深入含水層底部1m做沉砂用。

②井開孔至終孔直徑為700～800mm，井內徑為500mm水泥混凝管材。

③井壁管（過濾器）：內徑500mm無砂水泥花管，孔隙率為30%，外包22目尼龍紗網。竹排骨架支撐固定。

④過濾層：井壁管外厚150mm濾料選用磨圓度好φ10～20mm純凈碎石。3.2.2觀測孔成井結構

①井深：穿過整個含水層，鉆至紫紅色泥頁巖。

②井開孔至終孔直徑為350～400mm，井內徑200mm PVC管材。

③井壁管（過濾器）：內徑200mmPVC管，管身鉆φ5mm孔眼，孔隙率20%。外包22目尼龍紗網。

④過濾層：井壁管外填充磨圓度好φ10～20mm純凈碎石。

3.3 抽水試驗過程

試驗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，防止回流影響試驗結果。抽水井出水量精確測定采用量水堰箱，抽水前先用水泥砂漿砌磚將其安置于穩固的基礎上，保持水平；距堰口一定距離處設置固定的堰水位標尺，根據準確測定的堰口讀數，計算出水泵抽水流量。

正式抽水前，靜水位觀測30min觀測一次，2h內變幅不大于2cm，且無連續上升或下降，可以斷定此時試驗區周圍沒有其他的地方抽取地下水或者開挖基坑擾動地下水的情況，地下水位穩定。

正式抽水試驗第二日開始，觀測地下水位采用人工觀測法。試驗時抽水開始后的第5min、10min、15min、20min、30min、40min、50min、60min，宜各觀測一次動水位和出水量，以后每隔30min觀測一次。

抽水結束后，立即進行水位恢復觀測，在停止抽水后第2 min、5min、10min、15min、20min、30min、40min 各觀測一次動水位，以便分析該處地下水位的恢復情況。

3.4 試驗現場記錄

抽水孔和觀測孔結構施工、試驗設備及安裝等結束后，分別填寫了現場抽水井的降深表、水泵出水運行情況表、三角堰箱出水口高度表及水量換算表、觀測孔降深表等現場一手資料。另外，根據現場資料及時繪制了降深與時間、出水量與時間（S-t、Q-t）關系曲線。

4 計算成果和分析

4.1 地下水類型的確定

根據現場抽水井、觀測孔施工中鉆進而揭示的地質情況來看，本試驗區地下地層資料主要為：最上為含有機腐植物較多的耕植土，其下為顆粒較細的粉土，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巖為本試驗區的基巖。

本區的地下水埋深為2.4m，根據相關資料，地下水受季節變化影響較明顯，地下水含水層主要為粉土和中砂層，其上部和中間沒有粘土層等隔水層。地下水與地表水聯系密切。

據此可以認定本區地下水類型為潛水。

4.2 地下水流態及運動規律的確定

通過抽水孔及觀測孔水位的長期觀測，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，當抽水量穩定于10.43m3這個穩定值時，則各觀測孔的地下水位不再下降。由此得出Q—S圖為直線狀態。

另外，根據現場鉆孔揭示的地層資料來看，該區含水層介質均勻，條件單一，地下水流速均勻，無跳動及脈沖狀水流現象。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。

通過以上分析可以看出，本試驗區地下水徑流適用于達西流和平面輻射流的條件，因此可以確定本區地下水的流態為層流狀態，其地下水運動規律為穩定流。

4.3 滲透系數K的計算

縱觀以上地質條件可以分析出，本區含水層類型為天然潛水含水層。因此，滲透系數K的計算采用穩定流潛水完整井多孔抽水試驗法，計算公式如下：

其中：

K——含水層滲透系數

Q——抽水井出水量

H——潛水含水層含水厚度

S1，S2——觀測孔水位下降值

r1，r2——觀測孔至抽水井半徑

根據以上公式，將抽水試驗中按照觀測孔排列方向不同分別計算如下。

4.3.1 平行水源地地下水徑流方向的計算

根據現場觀測記錄，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 為觀測孔：K=15.6 m/d

B：以 N1，N4 為觀測孔：K=17.5 m/d

C：以 N2，N3 為觀測孔：K=21.3 m/d

D：以 N2，N4 為觀測孔：K=22.4 m/d

4.3.2 垂直水源地地下水徑流方向的計算

根據現場觀測記錄，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 為觀測孔：K=17.0 m/d

B：以 W1，W4 為觀測孔：K=19.0 m/d

C：以 W2，W3 為觀測孔：K=27.9 m/d

D：以 W2，W4 為觀測孔：K=25.6 m/d

4.4 影響半徑R的計算

本區的地下水抽水試驗井為穩定流潛水完整井多孔抽水實驗法，故其影響半徑R的計算公式如下：

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——觀測孔水位下降值

r1，r2——觀測孔至抽水井半徑

根據以上公式，將抽水試驗中按照觀測孔排列方向不同分別計算如下。

4.4.1 平行水源地地下水徑流方向的計算

根據現場觀測記錄，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 為觀測孔：lgR=1.7588 R=58m

B：以 N1，N4 為觀測孔：lgR=1.9108 R=81m

C：以 N2，N3 為觀測孔：lgR=1.9522 R=90m

D：以 N2，N4 為觀測孔：lgR=2.0088 R=102m

4.4.2 垂直于水源地地下水徑流方向的計算

根據現場觀測記錄，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 為觀測孔：lgR=1.6788R=48m

B：以 W1，W4 為觀測孔：lgR=1.8184 R=66m

C：以 W2，W3 為觀測孔：lgR=2.2044 R=101m

D：以 W2，W4 為觀測孔：lgR=1.8801R=76m

通過用每兩個觀測孔資料分別計算出的的滲透系數K及影響半徑R計算值如表1所示。

通過以上計算數據可以看出，以N1、W1等靠近抽水井太近的觀測孔作為計算依據的，得出的滲透系數K值普遍較偏低，而用離抽水井比較合適的觀測孔N2、W2等計算出的K值則相對正常。造成這種情況的原因為N1、W1觀測孔離主抽水孔中心只有3m的間距，而抽水井孔徑較大，從而當地下水流向中心抽水井時（在3m以內）因地下水下降太快，造成水頭跌落，形成局部紊流（在水井周圍），從而影響計算結果，因此，計算時應該將N，W1觀測孔資料作相應修正，對于本次試驗，由于觀測孔早已存在備用觀測孔，所以可以暫時棄用N1，W1資料。計算結果如表2、表3。

表1 滲透系數K及影響半徑R計算值

表2

表3

通過上述計算可以看出，在此地區地下水的徑流中，沿東西方向的地下水滲透系數比沿南北方向的地下水滲透系數稍大，這可能與試驗區西部臨河有關，河中蓄存地表水水位過高，對地下水進行補給，從而對本試驗區造成稍強的側向補給,致使西側地下水的滲透性稍強。但是，全面評觀本試驗區，地表平坦，地下地質成分單一，地下水位穩定，離蓄水河道有一定的距離，地下水受河道內地表水的變動影響較小，因此，可以將以上情況綜合處理，采用加權平均的方法推算出本區地下水的滲透系數K和影響半徑R的綜合值為：

滲透系數：K=24.5 m/d，影響半徑：R=90～100 m。

5 結論

本次試驗只獲取了大沽河水源地中游含水層成分及滲透性相關參數，抽水試驗表明：本試驗區地下水類型為潛水。主要通過：大氣降水、地表徑流（河道側向補給）、地下水上游徑流補給。試驗區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巖。地下水流態為層流，地下水運動規律為穩定流。本區含水層滲透系數K為24.5m/d，地下水單井影響半徑R為90～100m