水文地质现场试验-抽水试验

1、2011年元月专业培训讲座 水文地质现场试验抽水试验抽水试验(PUMPING TEST)(PUMPING TEST)ln(4rwRTQsw目录抽水试验的设计抽水试验的设计1 抽水试验原理抽水试验是对含水层产生一个人工激发，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。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。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、水流特抽水试验的效果受到边界条件、

2、水流特征及岩性均质性等影响。征及岩性均质性等影响。含水层井流线井流线边界边界钻孔钻孔抽水试验示意性剖面图抽水试验示意性剖面图1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010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，推算出泰泰斯非稳定流公式斯非稳定流公式，通过模板配线获得K/T、/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

3、依稳定流公式裘布依稳定流公式，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地下水仿真地下水仿真均质无边界概化均质无边界概化条件高度简化条件高度简化抽水试验类型介绍一、抽水试验的分类一、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

4、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.

5、稳定流抽水试验稳定流抽水试验的目的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。确定地下水富水性等级，涌水量外推计算；确定含水层性

6、能参数，如渗透系数值；确定洗井效果及井损情况；2 抽水试验设计1.设计前的准备工作获取井孔的结构情况，明确试验的目的与技术要求；进行12km范围的水文地质勘测，避免周边水体及井孔影响；推测单井涌水量，进行提水设备（水泵，压风机等）及落程安排；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；水量观测要求；气温及水温观测要求；稳定延续时间要求（不能长也不能短）；恢复水位观测要求；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

7、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：稳定流抽水试验计算步骤与要点：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）确定抽水试验验sw-Qsw-Q，sw-qsw-q曲线类型，是否反常；曲线

8、类型，是否反常；进行抽水试验进行抽水试验sw-Qsw-Q曲线方程拟合，并确定曲线类型及系数；曲线方程拟合，并确定曲线类型及系数；如果有如果有2 2个以上落程试验则进行层流降深计算（去井损）；个以上落程试验则进行层流降深计算（去井损）；确定井孔的非完整性及井孔特征值；确定井孔的非完整性及井孔特征值；选择合理公式进行选择合理公式进行K K值迭代计算；值迭代计算；进行涌水量外推计算。进行涌水量外推计算。221.12(lnln)()2wwwQRhLahKHhrLarRsK H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

9、骤与要点：非稳定流抽水试验计算步骤与要点：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；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；进行相应模型下的标准曲线配线分析，确定T及S值；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含水层非稳定流参数计算的AQUIFERTEST软件界面软件界面提示：提示：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；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计算软件的指定时间

10、降深场预报4 抽水试验小结一、文字部分抽水试验的类型，时间，落程安排及人员观测情况；场地水文地质条件背景情况；抽水试验观测值及误差统计情况；抽水试验参数计算；存在问题；二、图表部分抽水试验现场曲线二条（稳定流），非稳定流一条；降深与涌水量历时曲线，相应观测记录表； 配线及参数（非稳定流）；抽水试验统计表及实际材料图。5 抽水试验专题讲座 大厚度含水层大厚度含水层 “影响半径模型影响半径模型”错误错误 抽水量的保障抽水量的保障 由稳定流理论引发的开采量保证问题由稳定流理论引发的开采量保证问题 抽水会影响到边界吗抽水会影响到边界吗? ? 三维流及非完整性对抽水试验设计的影响三维流及非完整性对抽水试

11、验设计的影响 水文地质参数的正确概念水文地质参数的正确概念 中外抽水试验的差异及进展中外抽水试验的差异及进展 抽水试验性能分析可代替井群规划抽水试验性能分析可代替井群规划 抽水试验重要提示抽水试验重要提示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1735米,当含水层厚度或滤水管工

12、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.“影响半径模型”错误裘布依提出的裘布依提出的“圆岛模型圆岛模型”是高度概化的环岛状补给边是高度概化的环岛状补给边界模型界模型,抽水量完全是由抽水量完全是由”海水海水”补给的补给的,取之不尽取之不尽,用之用之不完不完,完全能够达到稳定状态。完全能够达到稳定状态。“影响半径影响半径”模型模型是德国土木工程师是德国土木工程师Thiem所提出。所提出。他认为：在水平方向无限延伸的含水层中的他认为：在水平方向无限延伸的含水层中的R值可以近值可以近似取为从抽水井中心到实际上观测不出地下水

13、位下降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，这样就引出处的水平距离，这样就引出“影响半径影响半径”的概念。的概念。抽水量的保障由稳定流理论引发的开采量保证问题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。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：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

14、，这个公式成立吗？，显然是不成立的，因为未开采时的立的，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，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？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。量来提供的了。补给量补给量Qb排泄量排泄量Qp增加开采后增加开采后Qk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

15、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，渗透系数，T-导水系数，导水系数，S-储水系数，储水系数，-给水度给水度2、T=K*M S=+Ss*M3、在在含水层厚度变化较大的情况下，采用含水层厚度变化较大的情况下，采用K/Ss组合；在组合；在含水层含水层厚厚 度变化较小的情况下可以采用度变化较小的情况下可

16、以采用T/S组合，组合，4、不不存在在潜水含水层中采用存在在潜水含水层中采用K，S；承压含水层中采用承压含水层中采用T，S或稳定流或稳定流为为K，非稳定流为非稳定流为T，S说法。说法。5、含水层含水层参数与井流参数并不完全吻合，对井流而言参数与井流参数并不完全吻合，对井流而言,不同不同深度深度的的 K参数参数与水位值随高程的降低而变小，与地表水流的与水位值随高程的降低而变小，与地表水流的参数参数分布特征分布特征表现出高度的表现出高度的相似性。相似性。出现问题？出现问题？中外研究交流方面中外研究交流方面以为然所以为然以为然所以为然发展与创新发展与创新解决问题！解决问题！ 水文地质参数的正确概念中

17、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；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；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；供；孔隙水与裂隙水的渗流计算公式并不等同；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；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；在抽水试

18、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；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。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主要非稳定流抽水试验计算方法统计一览表备注备注 ：根据加拿大滑铁泸水文地质公司：根据加拿大滑铁泸水文地质公司Aqufertest V35软件编制软件编制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

19、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

20、,-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

21、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，250300米为可以接受的最小井距，取曲线2最大曲线降幅（约2.5

22、m）的20%段或曲线曲率明显变缓段的点位对应的优化井距为350米。3、两种方法在井距分析时均有效，但以第一种方法最简单；第二种方法计算烦琐但曲线拐点明显。在计算报告书中根据情况进行选用，如果第一方法拐点明显则用之，若不明显则应用第二种方法。1. 稳定流抽水试验一般安排在非勘探孔中进行，抽水试验的目的多为：计算稳定流抽水试验一般安排在非勘探孔中进行，抽水试验的目的多为：计算K或或T参参数值，建立涌水量外推方程。数值，建立涌水量外推方程。2. 参与计算的水位降深值有一定的要求：抽水孔中的水位降深值参与计算的水位降深值有一定的要求：抽水孔中的水位降深值sw需要进行去井损需要进行去井损计算，消除水跃、三维流及紊流的降深影响；观测孔的距离必须满足计算，消除水跃、三维流及紊流的降深影响；观测孔的距离必须满足r1.2M及及r0.2R，并且