大沽河含水层抽水试验设计与分析

李 磊 李春俊 雒义全

（山东省青岛市水文水资源勘测局 青岛 266071）

1 引言

青岛市大沽河水源地含水砂层沿古河谷分布，面积广，透水性、富水性强，地下水埋藏浅，易采易补。该水源地在调剂区域间水量分配、平衡盈亏、弥补干旱年份的城市供水缺口起到了关键性作用，是青岛市应对特大枯水年份的战略性水源地。为了正确评价大沽河的地下水资源量，合理调配水资源，必须在大沽河流域内进行砾砂含水层抽水试验工作，以确定含水层基本参数，为计算大沽河水源的水资源量提供重要依据。本次抽水试验的主要目的：查明试验区河床及其周边地区含水层的分布规律、试验区各松散含水层的渗透性以及周围含水层的影响半径。

2 施工区选择

根据多年地质资料分析，实验区选定在大沽河地区的即墨市移风店镇东桥村南300m处，因该区地下含水层中地层构成比较单一，基本为中粗砂、含砾中砂为主，覆盖较厚，为大沽河流域含水层的主体。埋深保持在4～6m左右，径流稳定，基本处于无压状态，为典型的潜水，且该地区取水井较少，受外部干扰少。在此做抽水试验较为合适。

3 抽水实验设计及实施

3.1 试验用抽水井（孔）、观测孔

本次试验为松散含水层中稳定流完整井多孔抽水试验，依据地下水水力坡度的变化，决定设两条观测线：一条垂直于地下水流向，另一条平行于地下水流向。详见图1。

①自抽水井向北，按平行于地下水径流方向的形式布置观测孔4个，抽水井、北1、北2、北3、北4观测孔之间距离分别为3.0m、4.9m、9.0m、20.0m。

②自抽水井向西，按垂直垂直于地下水径流方向的形式布置观测孔4个，抽水井、西1、西2、西3、西4观测孔之间距离分别为3.0m、4.8m、9.0m、24.6m。

3.2 成井施工过程

施工采用反循环回转钻孔法成孔，孔径分别为：抽水孔φ850mm，观测孔φ350mm，具体成井结构如下：3.2.1 抽水井(孔)成井结构

①井深：穿过整个含水层，钻至紫红色泥页岩，井深10m，并保证井深入含水层底部1m做沉砂用。

②井开孔至终孔直径为700～800mm，井内径为500mm水泥混凝管材。

③井壁管（过滤器）：内径500mm无砂水泥花管，孔隙率为30%，外包22目尼龙纱网。竹排骨架支撑固定。

④过滤层：井壁管外厚150mm滤料选用磨圆度好φ10～20mm纯净碎石。3.2.2观测孔成井结构

①井深：穿过整个含水层，钻至紫红色泥页岩。

②井开孔至终孔直径为350～400mm，井内径200mm PVC管材。

③井壁管（过滤器）：内径200mmPVC管，管身钻φ5mm孔眼，孔隙率20%。外包22目尼龙纱网。

④过滤层：井壁管外填充磨圆度好φ10～20mm纯净碎石。

3.3 抽水试验过程

试验前先将水泵下入抽水井离井口9m处，用配套水管将抽出的水引到500m以外，防止回流影响试验结果。抽水井出水量精确测定采用量水堰箱，抽水前先用水泥砂浆砌砖将其安置于稳固的基础上，保持水平；距堰口一定距离处设置固定的堰水位标尺，根据准确测定的堰口读数，计算出水泵抽水流量。

正式抽水前，静水位观测30min观测一次，2h内变幅不大于2cm，且无连续上升或下降，可以断定此时试验区周围没有其他的地方抽取地下水或者开挖基坑扰动地下水的情况，地下水位稳定。

正式抽水试验第二日开始，观测地下水位采用人工观测法。试验时抽水开始后的第5min、10min、15min、20min、30min、40min、50min、60min，宜各观测一次动水位和出水量，以后每隔30min观测一次。

抽水结束后，立即进行水位恢复观测，在停止抽水后第2 min、5min、10min、15min、20min、30min、40min 各观测一次动水位，以便分析该处地下水位的恢复情况。

3.4 试验现场记录

抽水孔和观测孔结构施工、试验设备及安装等结束后，分别填写了现场抽水井的降深表、水泵出水运行情况表、三角堰箱出水口高度表及水量换算表、观测孔降深表等现场一手资料。另外，根据现场资料及时绘制了降深与时间、出水量与时间（S-t、Q-t）关系曲线。

4 计算成果和分析

4.1 地下水类型的确定

根据现场抽水井、观测孔施工中钻进而揭示的地质情况来看，本试验区地下地层资料主要为：最上为含有机腐植物较多的耕植土，其下为颗粒较细的粉土，再向下为磨圆度及分选性都较好的中砂，中砂层底部有少量的砾石，下伏棕黄色的夹砾粘土层，粘土层下棕红色的泥页岩为本试验区的基岩。

本区的地下水埋深为2.4m，根据相关资料，地下水受季节变化影响较明显，地下水含水层主要为粉土和中砂层，其上部和中间没有粘土层等隔水层。地下水与地表水联系密切。

据此可以认定本区地下水类型为潜水。

4.2 地下水流态及运动规律的确定

通过抽水孔及观测孔水位的长期观测，可以看出地下水位的下降随着抽水量的增加而呈直线下降状态，当抽水量稳定于10.43m3这个稳定值时，则各观测孔的地下水位不再下降。由此得出Q—S图为直线状态。

另外，根据现场钻孔揭示的地层资料来看，该区含水层介质均匀，条件单一，地下水流速均匀，无跳动及脉冲状水流现象。地下水径流方向单一，为自沿大沽河上游向下的NE至SW方向。

通过以上分析可以看出，本试验区地下水径流适用于达西流和平面辐射流的条件，因此可以确定本区地下水的流态为层流状态，其地下水运动规律为稳定流。

4.3 渗透系数K的计算

纵观以上地质条件可以分析出，本区含水层类型为天然潜水含水层。因此，渗透系数K的计算采用稳定流潜水完整井多孔抽水试验法，计算公式如下：

其中：

K——含水层渗透系数

Q——抽水井出水量

H——潜水含水层含水厚度

S1，S2——观测孔水位下降值

r1，r2——观测孔至抽水井半径

根据以上公式，将抽水试验中按照观测孔排列方向不同分别计算如下。

4.3.1 平行水源地地下水径流方向的计算

根据现场观测记录，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 为观测孔：K=15.6 m/d

B：以 N1，N4 为观测孔：K=17.5 m/d

C：以 N2，N3 为观测孔：K=21.3 m/d

D：以 N2，N4 为观测孔：K=22.4 m/d

4.3.2 垂直水源地地下水径流方向的计算

根据现场观测记录，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 为观测孔：K=17.0 m/d

B：以 W1，W4 为观测孔：K=19.0 m/d

C：以 W2，W3 为观测孔：K=27.9 m/d

D：以 W2，W4 为观测孔：K=25.6 m/d

4.4 影响半径R的计算

本区的地下水抽水试验井为稳定流潜水完整井多孔抽水实验法，故其影响半径R的计算公式如下：

式中：

R——含水层影响半径

Q——抽水井出水量

H——潜水含水层含水厚度

S1，S2——观测孔水位下降值

r1，r2——观测孔至抽水井半径

根据以上公式，将抽水试验中按照观测孔排列方向不同分别计算如下。

4.4.1 平行水源地地下水径流方向的计算

根据现场观测记录，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 为观测孔：lgR=1.7588 R=58m

B：以 N1，N4 为观测孔：lgR=1.9108 R=81m

C：以 N2，N3 为观测孔：lgR=1.9522 R=90m

D：以 N2，N4 为观测孔：lgR=2.0088 R=102m

4.4.2 垂直于水源地地下水径流方向的计算

根据现场观测记录，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 为观测孔：lgR=1.6788R=48m

B：以 W1，W4 为观测孔：lgR=1.8184 R=66m

C：以 W2，W3 为观测孔：lgR=2.2044 R=101m

D：以 W2，W4 为观测孔：lgR=1.8801R=76m

通过用每两个观测孔资料分别计算出的的渗透系数K及影响半径R计算值如表1所示。

通过以上计算数据可以看出，以N1、W1等靠近抽水井太近的观测孔作为计算依据的，得出的渗透系数K值普遍较偏低，而用离抽水井比较合适的观测孔N2、W2等计算出的K值则相对正常。造成这种情况的原因为N1、W1观测孔离主抽水孔中心只有3m的间距，而抽水井孔径较大，从而当地下水流向中心抽水井时（在3m以内）因地下水下降太快，造成水头跌落，形成局部紊流（在水井周围），从而影响计算结果，因此，计算时应该将N，W1观测孔资料作相应修正，对于本次试验，由于观测孔早已存在备用观测孔，所以可以暂时弃用N1，W1资料。计算结果如表2、表3。

表1 渗透系数K及影响半径R计算值

表2

表3

通过上述计算可以看出，在此地区地下水的径流中，沿东西方向的地下水渗透系数比沿南北方向的地下水渗透系数稍大，这可能与试验区西部临河有关，河中蓄存地表水水位过高，对地下水进行补给，从而对本试验区造成稍强的侧向补给,致使西侧地下水的渗透性稍强。但是，全面评观本试验区，地表平坦，地下地质成分单一，地下水位稳定，离蓄水河道有一定的距离，地下水受河道内地表水的变动影响较小，因此，可以将以上情况综合处理，采用加权平均的方法推算出本区地下水的渗透系数K和影响半径R的综合值为：

渗透系数：K=24.5 m/d，影响半径：R=90～100 m。

5 结论

本次试验只获取了大沽河水源地中游含水层成分及渗透性相关参数，抽水试验表明：本试验区地下水类型为潜水。主要通过：大气降水、地表径流（河道侧向补给）、地下水上游径流补给。试验区地下含水层成分单一，地层自上而下主要为粉土及中砂，地下含水层隔水底板为白垩系王氏组紫红色泥页岩。地下水流态为层流，地下水运动规律为稳定流。本区含水层渗透系数K为24.5m/d，地下水单井影响半径R为90～100m