海岛地区单孔稳定流抽水试验求取水文地质参数探讨

刘惠阳,邱锦安,张 荣

(1.广东省地质工程公司,广东 广州 510080;2.广东省地质灾害应急抢险技术中心,广东 广州 510080)

0 前言

渗透系数(K)和影响半径(R)在探讨地下水动力学问题与计算地下含水层允许开采量中是非常重要的水文地质参数[1-2],因此求取可靠的水文地质参数是正确评价地下水资源及其合理可持续开发利用,以及兴利除害的重要前期基础工作[3]。据了解,根据野外钻孔抽水试验数据求得地下含水层水文地质参数是水文地质工作中经常采用的,且比较有效的方法之一[4-5]。由于传统的地下水运动理论需满足含水层等厚、均质、各向同性、产状水平以及地下水为层流、地下水位水平等假定条件[6];而基岩裂隙水因受断裂构造、节理裂隙发育带产状的控制,常呈带状分布,形成不规则的含水带,导致同一含水层埋深不同,此外裂隙水赋存的空间介质不均匀、地下水运动状态复杂等[7]。因此,利用传统地下水运动理论公式计算基岩裂隙含水层水文地质参数是否合适需进一步探讨研究,特别是在水文地质参数求取缺少及研究程度低的小面积海岛地区。

由于海岛地区水文地质条件复杂,缺少长期观测资料,参数不易确定,给地下水资源计算带来很大的困难[8]。因此,海岛地区地下水资源评价一直以来是水文地质计算中的难题之一。故本文以广东珠海大横琴岛单孔稳定流抽水试验数据为例,进行海岛地区基岩裂隙含水层水文地质参数求取及探讨,从而推算其最大可开采水资源量。

1 区域地质背景

广东珠海横琴新区地处珠江口西侧,四面环水:南濒南海,北依马骝洲水道,西接磨刀门水道,东临契辛峡。研究区域低山丘陵与平原地貌并存,山地起伏,沟河间隔,地势总体上为两山夹一沟:北侧为小横琴岛低丘陵,中心为中心沟平原,南侧为大横琴岛高丘陵。其中山区面积约33.9 km2,南部大横琴岛地势较高,其中最高峰脑背山海拔457.7 m,南麓狭长陡峭,北麓宽阔平缓;中、北部平原区面积约51.1 km2,地势低平,中部中心沟贯穿东西,河渠发育,鱼塘密布。

横琴大地构造位置属于珠江三角洲断陷盆地西缘,莲花山构造带西南端,断裂构造发育。区内第四系主要以人工填土、第四系灯笼沙段和大湾镇组沉积物为主,基岩以侏罗纪花岗岩类最为发育,变质岩零星分布。区内构造以脆性断裂、韧脆性剪切带为主,其中北东-北东东向断裂带和北西向断裂带为区域性断裂,在区域上分别属于三灶断裂带和西江断裂带,其余方向断裂多为配套的次级断裂。一系列近平行的北东-北东东向断裂横穿大横琴岛,发育硅化岩、构造角砾岩、 磨砾岩、碎斑岩-碎粒岩等构造岩,指示断裂的多期活动性质。

松散岩类孔隙水和基岩裂隙水是研究区域主要地下水类型。松散岩类孔隙水主要分布在中心沟两岸、深井湾、长隆、小横琴岛北侧等河涌两岸、山间沟谷及环岛沙堤地区,赋存于第四系陆相冲洪积层、残坡积和海相海滩沉积,含水层岩性以砾砂、中粗砂及砂质粘性土为主,分为松散岩类孔隙潜水和微承压-承压水,水质多为咸水,Cl-Na型为主要水化学类型,矿化度普遍较高,富水性极贫乏-贫乏。基岩裂隙水,以风化裂隙水和块状岩类裂隙水为主,主要分布在大、小横琴岛等低山丘陵、残丘台地等,赋存于中侏罗世和晚侏罗世花岗岩风化裂隙带和构造断裂带中,水质为淡水,水化学类型主要为HCO3-Ca·Na、HCO3·Cl-Na型,富水性贫乏-中等。地下水主要接受大气降雨及山塘、水库、溪流等地表水补给;低山丘陵区地势较陡,地下水多在沟谷切割处或剥蚀面裂隙处以渗流形式及泉形式(少量)向沟谷排泄,排泄条件好;河涌两岸平原区,地下软土厚度较大,渗透性差,地下水主要排入中心沟或四周江河海域中。区内风化裂隙水和松散岩类孔隙潜水动态变化具有较明显的季节性,与气候因素关系密切;而构造裂隙水与松散岩类孔隙微承压-承压水动态变化较为稳定。

2 水文钻探与抽水试验

2.1 水文钻探

钻孔SWZ01位于广东省珠海市横琴新区大横琴岛长隆团结水库东侧约50 m,钻孔深54.41 m,孔口标高11.25 m,静止水位埋深4.15 m。岩芯自上而下可分为:(1)人工填土层(0～4.50 m),由土黄色粗砂、黏土及少量基岩碎块组成,欠饱和-饱和状态;(2)黏土质砂砾层(4.50～9.10 m),为山前沟谷冲洪积物,深灰色-灰黄、棕黄色,黏土约占总含量20%,砂砾约80%,呈稍密,湿、饱和状态,是浅层孔隙潜水的主要储存层位,富水性贫乏;(3)残积土层(9.10～12.20 m),岩性为砂质黏性土,浅棕黄色,石英呈次棱角状,斜长石、正长石风化严重,在部分岩芯横截面可见其花岗结构;(4)基岩(12.20～54.41 m),为中风化粗中粒黑云母二长花岗岩,岩芯整体呈碎块、短柱-长柱状,局部岩芯节理裂隙发育,13.10～13.50 m、21.60～22.10 m、28.50～29.00 m、29.30～29.70 m、36.60～37.00 m等处岩芯较破碎,呈碎屑-碎块状,裂隙面和碎块表面见明显绿泥石化现象,残留铁锈、青苔等水流痕迹,为主要承压含水层段,富水性贫乏-中等。

“蓄水构造”理论认为地层岩性、地质构造、地下水补给条件和水动力条件以及自然地理条件是不同蓄水构造中影响基岩裂隙水富集的主控因素[9]。钻孔所在区域发育深井坳断裂与望天台断裂,断裂具有多期次构造活动特征,断裂性质以压扭性为主,断裂规模较大。在强大的压力作用下,岩层压裂破碎,起到一定的隔水作用,但在压性断裂的两侧裂隙发育,透水性强,较容易构成一个储水空间;同时,在后期的张应力作用下,更增加了断裂周边破碎带的透水性,形成导水构造带,增加储水能力。该基岩裂隙系统成为钻孔SWZ01主要含水层,形成“断裂型蓄水构造”;外加沟谷纵深,集水面积大等地形优势,使得该区域富水性较好。

2.2 抽水试验概况

钻孔完成后,先将钢管下沉至基岩中风化面,埋深约12.20 m,防止因洗井而导致人工填土层、黏土质砂砾层及残积土层垮塌,此外还有阻挡孔隙潜水流向钻孔而影响抽水试验数据准确性的作用;然后进行抽水洗孔,先试抽水8 h至水清且出水量稳定;最后下入水泵开始抽水试验,抽水泵流量2 m3/h,水泵扬程30 m,泵量约1 m3。岩芯53 m之后几乎无裂隙,因此可认为该钻孔贯穿整个含水层,并能全面进水,视为完整承压水井。

该钻孔共进行三次不同水位降深抽水试验,每次试验持续7～8 h至涌水量稳定后再进行水位降深调整,由大降深逐渐变成小降深,最后停止抽水试验等待地下水位恢复。在试验期间,用钢尺水位记连续测量并记录钻孔水位。抽水试验孔不同水位降深及涌水量数据见表1。

表1 单孔抽水试验数据表

图1 Q、S-t过程曲线图

图2 Q=f(Sw)、q=f(Sw)关系曲线图

3 水文地质参数计算

3.1 试验结果分析

在野外的钻孔抽水试验现场,一般会当场检查和整理抽水流量(Q)、地下水位(S)与抽水延续时间(t)监测数据,并及时绘制Q-t、S-t等关系曲线,用以掌握抽水试验是否按要求正常进行,判断抽水曲线是否达到水位地质参数求取的要求。Q、S-t过程曲线图(图1)表明本钻孔抽水试验正常进行,流量和水位的观测成果可信;且从钻孔的 3次定水位抽水试验流量Q与时间关系t可以看出,当抽水试验进行80～120 min后,3次不同水位降深的出水量基本稳定,涌水量不再增加。此外,小水位降深抽水试验至水位稳定的所需时间与水位恢复至初始水位的所需时间比大降深的时间要短,表明该含水层涌水量与渗透系数的数据关系符合客观实际,补给条件正常。

钻孔SWZ01抽水试验数据经室内整理后,使用Aquifer Test成图软件绘制Q=f(Sw)、q=f(Sw)关系曲线图,含水层类型和边界性质以及抽水试验是否异常可依据曲线形态进行正确判定。曲线图显示:Q=f(Sw)、q=f(Sw)关系曲线属 Ⅰ 类曲线,表示承压井流[10](图2);此外,图2显示涌水量Q与水位降深 Sw呈线性关系,直线基本过原点,关系式为:Q=0.097·Sw,表明随着水位降深Sw增大,单位涌水量q不变,基本为一个定值(约0.027 L/s·m)。因此,该基岩裂隙含水层中的地下水为承压水,符合一开始的判断。

3.2 水文地质参数计算

对于地下承压含水层而言,渗透系数 K 与影响半径 R 是最重要的水文地质参数。为了方便求取水文地质参数,假设该承压含水层满足裘布依假设:含水层等厚、均质、各向同性、产状水平、侧向无限延伸;天然状态下的水力坡度在抽水前为零;含水层中地下水为层流,服从Darcy定律;水头下降引起的地下水释放是瞬间完成。

由于本文抽水试验是将抽水孔看作观测孔,在单井抽水条件下,影响半径 R常用经验值,但取经验值或估算值可能误差较大,所以仅用裘布依公式无法正确求取渗透系数 K 与影响半径 R。故本文试用前人相关成果,以裘布依公式与吉哈尔特经验公式为基础,采用迭代法求解K、R。裘布依公式(1)、吉哈尔特经验公式(2)分别如下:

(1)

(2)

式中:K为渗透系数,m/d;Q为抽水流量,m3/d;M为含水层厚度,m;Sw为水位降深,m;R为影响半径,m;r为钻孔半径,m。

表2 钻孔含水层水文地质参数

本文钻孔SWZ01共进行 3 次不同水位降深的抽水试验,已知含水层厚度(M=24.20 m)、钻孔半径(r=0.054 m),下面以大降深Sw=16.85 m对应的稳定抽水量Q=41.54 m3/d 为例,首先假设影响半径R=50 m,然后将以上各参数代入裘布依公式(1),可得:

之后将K=0.111 m/d 代人吉哈尔特经验公式(2),得;

再将R换成56.14 m代入式(1)得K=0.112 5 m/d;接着将K=0.112 5 m/d代入式(2)得R=56.51 m,将R=56.51 m代入式(1)得K=0.112 6 m/d;然后再次将K=0.112 6 m/d代入式(2)得R=56.54 m,将R=56.54 m代入式(1)得K=0.112 6 m/d。计算结果显示最后两次求得K值相同,故采用K=0.112 6 m/d(对应R=56.54 m)作为最终求取结果,以上所用方法即为迭代法。

依照上述方法,可以计算出其它两次不同水位降深下渗透系数 K 及影响半径 R 值,如表 2 所示。

4 讨论

由表2计算所得的渗透系数值可知,当抽水流量与水位降深值不同时,虽然最后求得的渗透系数值存在不同,但相差非常小,说明本文的稳定流抽水试验较为成功,试验数据正常,所采用的计算方法正确,所得结果较为可信、可靠。在计算地下水可开采资源量时,一般情况下采用渗透系数的最大值或平均值,由于本文抽水试验抽水泵的流量为2 m3/h,在抽水初期(水位降深约 6.0 m)出现涌水量超出流程,达2.43 m3/h 现象,因此选用其最大值 K=0.112 6 m/d更为合适,其对应影响半径R为 56.54 m。

依据裘布依公式可知,当渗透系数、影响半径、含水层厚度、钻孔半径等水文地质参数已知时,只要给出设计水位降深值,即可预报水井开采量;也可按设计的涌水量,预报抽水后的地下水位。根据钻孔SWZ01岩芯破碎程度及裂隙发育情况,该抽水试验孔水位降深值可达28 m,其推算涌水量约为 68 m3/d,地下水富水性等级为水量中等。

5 结语

(1)由于各种条件的限制,海岛地区基岩裂隙含水层的单孔抽水试验一般无观测孔,只能将抽水孔当作观测孔,故常采用裘布依公式与吉哈尔特经验公式相结合,运用迭代法求解渗透系数 K 及影响半径 R。经过本文海岛地区单孔稳定流抽水试验验证,这是一种比较简单、有效、可行的方法,对于海岛地区基岩裂隙含水层水文地质参数的求取具有参考意义。

(2)通过承压水完整井公式计算渗透系数 K 和影响半径 R,对于研究海岛地区地下水运动问题具有重要意义,同时也可为海岛地区地下水资源量评估及环境影响评价等项目提供有力依据。