补偿疏干法

开采试验法~

在水文地质条件复杂，一时难以查清地下水补给、径流、排泄规律而又急需做出水量评价的地区，一般通过打探采结合孔，按未来开采量和降深要求进行实地抽水试验，然后根据抽水试验结果确定单井或水源地供水能力和补给保证程度。
开采试验法常用于水源地的允许开采量评价。具体方法有：开采抽水法和补偿疏干法。
（一）开采抽水法
1.稳定流抽水试验
按设计需水量长时间抽水，主井的动水位在允许降深范围内，并能保持稳定。观测井内动水位也能保持稳定。停抽后，水位又能较快恢复到原始水位。这表明在开采过程中含水层内建立了新的动态平衡，开采量小于或等于补给量，有补给保证。
稳定流抽水一般要求进行三次不同水位降深（落程）的抽水，三次抽水的降深一般根据抽水层的透水性和抽水设备能力确定。对于潜水含水层通常要求最大降深值在含水层厚度的1/3～1/2之间；对于承压含水层，最大降深不得低于承压含水层顶板高度。其余两次降深分别取最大降深的2/3和1/3。当抽水设备达不到这些要求时，相邻两次的降深差不能小于1m。
理论上讲，抽水延续的时间愈长愈好，在实际工作中，首先确定抽水流量和水位达到稳定状态的时间，然后根据勘探目的和含水层渗透性能，确定稳定抽水延续时间。对于城镇及工矿供水，一般抽水延续的时间要长些；而对于农田灌溉供水勘探，稳定抽水延续的时间可以短些；对渗透性较差的含水层，稳定延续的时间应长些；而对于渗透性较好的含水层，可短些。具体时间的确定可参考《城市供水水文地质勘察规范》（CJJ 16-88）。
2.非稳定流抽水试验
如果按设计需水量长时间抽水，水位不稳定，观测孔中地下水水位持续下降，停止抽水后，地下水水位不能恢复到原始水位。说明抽水量大于补给量，这样的开采量是没有补给保证的，这时需要进行下列工作。
在水位持续下降过程中，只要地下水水位降落漏斗开始等幅下降，则任一时段内（Δt）的水量均衡应满足下式：
（Q抽-Q补）·Δt=μ·F·ΔS（3-37）
式中：Q抽为抽水量（m3/d）；Q补为补给量（m3/d）；μ·F为水位下降1m时储存资源的减少量，简称单位储存量（m3/m）；ΔS为Δt时段内的水位降深（m）。
由上式，可得
Q抽=Q补+μ·FΔS/Δt（3-38）
由式（3-38）可见，抽水量由两部分组成：一是开采条件下的补给量；二是地下水储存资源消耗量。评价任务之一是将补给量从中分离出来。分离的方法可以采用抽水比较稳定、水位下降比较均匀的两个时段资料，分别代入式（3-38），然后联立两个方程求解，就可以得到补给量。
为了使求出的补给量更准确，可以采用多个时段的资料每两组联立求解，得到一系列的补给量，然后求其平均值，这样得到的补给量就可以作为允许开采量。
3.适用范围及优缺点
开采抽水法对于潜水和承压水、新水源地建立和旧水源地扩建，都能适用。但是主要适用于中小型水源地评价，不适用区域性地下水数量评价。
该方法确定的允许开采量准确可靠，但是需要进行长期的抽水实验，成本较高。
4.要注意的问题
利用旱季抽水实验资料所求的补给量，评价结果比较保守。在不同开采条件下所求的补给量，可靠性各不相同。因此，为了更准确地评价水源地地下水允许开采量，应在开采过程中继续进行地下水水位动态监测，多以平均补给量作为水源地允许开采量。
（二）补偿疏干法
1.评价步骤
（1）旱季开采量计算
在旱季进行抽水实验，由于无任何补给来源，完全靠疏干储存资源来维持抽水，所以抽水形成的地下水水位降落漏斗容易扩展到边界，其水均衡方程为

区域地下水功能可持续性评价理论与方法研究

则有

区域地下水功能可持续性评价理论与方法研究

式中各符号的意义，同式（3-38）。
根据抽水实验资料，利用式（3-39）求出μF值。然后，再根据含水层厚度和取水设备能力，给出最大允许降深Sm，查明旱季持续时间t，则计算出最大允许降深下的允许开采量：

区域地下水功能可持续性评价理论与方法研究

则旱季疏干地下水体积为
V干=μ·F（Sm-S0）（3-41）
式中：S0为抽水开始等幅下降时刻井中的地下水水位降深（m）。
（2）雨季补给量计算
根据雨季抽水实验资料，求出地下水水位回升速率（ΔS/Δt），并假设地下水水位回升的单位补偿量近似等于地下水水位下降时的单位储变量，则雨季补给量的体积为

区域地下水功能可持续性评价理论与方法研究

则全年的平均补给量为

区域地下水功能可持续性评价理论与方法研究

雨季补给的补偿体积为
V补偿=V补-V雨开（3-44）
（3）允许开采量评价
根据以上计算结果，若Q补≥Q开，V补偿≥V开，则以计算的Q开作为允许开采量；若Q补＜Q开，V补偿＜V开，则以Q补作为允许开采量。
2.适用条件
补偿疏干法适用于含水层分布范围有限，但有较丰富的储存资源可供调节，地下水补给在时间上分配不均的地区。例如季节性河流的河谷地区、构造断块岩溶发育地区等。
采用补偿疏干法，需要满足以下条件：
1）可动用的储存资源必须满足旱季连续开采。
2）雨季补给时，除保证当时开采需求外，其剩余补给量能全部补偿旱季消耗的储存资源。
3）不能影响相邻地区的地下水数量。例如我国西北地区，往往在山前形成构造盆地（图3-10），盆地内有巨厚的第四纪沉积物，具有良好的储存空间，但是其下游串联的盆地依赖上游盆地地下水转化为地表水下泄补给。因此，若在旱季大量动用上游盆地地下水储存资源，就会削减下游盆地地下水补给资源。这种情况下，不宜采用疏干补偿法评价。

图3-10 西北内陆地区地下水系统示意图

基坑降水是在开挖基坑时,地下水位高于开挖底面,地下水会不断渗入坑内，为保证基坑能在干燥条件下施工,防止边坡失稳、基础流砂、坑底隆起、坑底管涌和地基承载力下降而做的降水工作。基坑降水方法主要有：明沟加集水井降水、轻型井点降水、喷射井点降水、电渗井点降水、深井井点降水等等。一般采用井水位测绳监测降水井点水位，控制基坑地下水水位在合理范围内。

（一）方法原理及适用条件

补偿疏干法是在含水层有一定调蓄能力地区，运用水量均衡原理，充分利用雨、洪水扩大可采量的一种方法。该种方法主要适用于含水层分布范围不大，但厚度较大，有较大的蓄水空间起调节作用的地区，并且该地区仅有季节性补给，旱季没有地下水补给来源，雨季有集中补给，补给量充足，含水层介质渗透系数较大，易接受降水和地表水入渗补给，例如季节性补给的河谷地区、局部块状岩溶发育地区。这些地区若按天然补给量进行评价时，容易得出地下水资源贫乏的结论。若充分利用含水层系统储存量的调节作用，在旱季动用部分储存量，维持开采，被疏干的这部分含水层腾出了储水空间，在雨季或丰水年补给量增大且被疏干的储存量也能得到补偿，因而，就可以增加地下水补给量，扩大地下水可采资源量。

用这种方法计算评价时必须满足两个条件：①可借用的储存量必须满足旱季连续开采不能中断；②雨季补给量除了满足当时的开采外，多余的补给量必须把借用的储存量全部补偿回来。另外，还应注意计算区流域内水资源的合理优化配置。

为求得地下水最大允许开采量，应在旱季未雨季初进行大型开采抽水试验，抽水应造成地下水位等幅下降，根据抽水和观测资料进行计算。

（二）计算方法和步骤

1.计算旱季最大允许开采量

（1）通过旱季的抽水试验求得单位储存量μF。因为旱季抽水无任何补给来源，完全靠疏干储存量来维持抽水。由于蓄水构造范围有限，抽水时的降落漏斗极易扩展到边界，所以抽水时的水均衡式为：

专门水文地质学

则

专门水文地质学

式中：μ为给水度；F为含水层的抽水影响面积（m²）；Q_旱抽为旱季抽水量（m³/d）；Δt为抽水时间（d）；ΔS为Δt时段的水位降（m）；t₀为抽水时水位急速下降后开始平稳等166幅下降的时间，即降落漏斗扩展到边界的时间（d）；S₀为对应于t₀的水位降深（m）；t₁为旱季未时刻或任一抽水延续时刻（d）；S₁为对应于t₁的水位降深（m）；μF为水位下降1m时的单位储存最（m³/m）。在上述地区，μF一般可视为常数。所以，只要有一段平稳等幅下降的抽水试验资料便可以计算出来。如果不是常数，则用整个旱季的抽水试验资料，计算出一个平均值。

（2）计算最大允许开采量。求出了单位储存量（μF）之后，再根据含水层的厚度和取水设备的能力，给出最大允许下降值S_max，查明整个旱季的时间t_旱，则旱季最大的允许开采量（Q_开）为：

专门水文地质学

旱季未的疏干体积V_疏干为：

V_疏干=Q_开×t_旱=μF（S_max-S₀） （10-64）

用上述式子求得的Q_开可保证旱季连续开采而不中断，但不一定有补给保证。

2.计算雨季的补给量

根据旱季延续至雨季抽水试验资料，求出水位回升的速率

，则雨季的补给水体积为：

专门水文地质学

式中：Q_雨抽为雨季抽水量（m ³/d）；

为水位回升速度（m/d）；μF为水位回升1m的单位补偿量，与水位下降1m时的单位储存量近似相等；t_雨补为雨季实际补给时间（d），为了安全起见，一般乘一个小于1 的修正系数（安全系数）γ，通常γ=0.5～1，即t_补=t_雨补·γ。

把雨季补给的水体积分配到全年使用，则得全年的平均补给量Q_补为：

专门水文地质学

雨季补给时的补偿体积V_补偿为：

专门水文地质学

3.允许开采量评价

根据以上两步计算结果，则可进行评价。如果Q_补≥Q_开，V_补偿≥V_疏干，则以计算的Q_开作为允许开采量；如果Q_补≤Q_开，V_补偿＜V_疏干，则以Q_补作为允许开采量（可开采量）。

（三）实例

某水源地的含水层为厚层灰岩，呈条带状，面积10km²。灰岩分布区有间歇性河流通过，故岩溶水的补给来源主要是季节性河水渗漏和降雨渗入。为了评价地下水允许开采量（可开采量），在整个旱季做了长期抽水试验，一直延续到雨季，试验资料归纳如图10-11所示。勘查年的旱季时间t_旱=253 天，雨季补给时间为t_雨补=112 天，据当地条件，允许降深定为S_max=23m。试对该水源地的允许开采量作出评价。

图10-11 抽水试验过程曲线图

解：（1）根据旱季抽水资料求μF值，把有关数据代入（10-62）式，则得：

专门水文地质学

（2）计算最大允许开采量。最大允许降深S_max=23m，S₀=5m，t_旱=253天，代入（10-63）式，得：

专门水文地质学

V_疏干=μF（S_max-S₀）=25880（23-5）=465840（m³）

（3）求补给量。分析当地多年水文气象资料后，取安全系数γ=0.8，t_补=γ·t_雨补=0.8×112=89.6天，代入（10-66）得：

专门水文地质学

则：

专门水文地质学

（4）评价。根据计算结果，Q_补＞Q_开，V_补偿＞V_疏干，故以Q开=1841.2m³/d作为允许开采量，是既有补给保证，又能取出来的开采量，即Q_允开=1841.2m³/d。

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