关于含水层富水性单位涌水量定量评价方法存在的实际问题及改进技术途径的讨论

关于含水层富水性单位涌水量定量评价方法存在的实际问题及

改进技术途径的讨论

摘要：传统被广泛应用的抽水钻孔单位涌水量为一些文献和规程确定为含水层富水性定量评价的依据（标准），但在裂隙、溶隙含水层的实际应用中存在明显的不准确性问题，往往造成勘探工程的浪费，并贻误防治水等工程。本文阐述了这一严重缺陷存在的机理，并给出了解决此问题的技术途径。

1.单位涌水量方法存在的实际问题

有些文献和规程，如《煤矿防治水规定》，将单位涌水量，即含水层抽水钻孔涌水量与水位降深的比值作为含水层富水性评价的依据（标准），这种传统被普遍应用的单孔单位涌水量的定量评价方法在裂隙和溶隙含水层的实际应用的效果上存在很大的问题，主要问题是缺少准确性。

例如，某一煤矿井筒在施工中对将要揭露的下伏溶隙含水层打了7个钻孔，钻孔涌水量由零至数拾每小时立方，7个钻孔之间单位涌水量的差别在数倍，数拾倍至百倍以上。

单位涌水量定量评价含水层富水性无准确性的害处是：1）造成勘探工程的浪费；2）含水层富水性的错误信息会贻误供水工程，特别是防治水工程。

2.问题存在的机理分析

出现这种定量评价不准确的原因有二：1）含水层的不均一性，裂隙、溶隙地层含水系统由纵横交错大小不一的含水裂隙构成；2）一孔之见的偶然性，抽水钻孔口径小，相当于一个点，是打到大裂隙

或是打到小裂隙纯属偶然（设想一下，如果钻孔截面积有足球场那么大，就没有这种明显的偶然性了）。

问题存在的机理可用数学式表示。

设钻孔打到微含水裂隙，则抽水水量Q 很小，如1m 3/h ，而钻孔水位下降S 很大，如100m ，但实际含水层含水裂隙系统的水位下降甚微（若打一个观测孔的话），如仅1cm ，100m 和1cm 之间为10000倍关系。这是由于揭露微裂隙钻孔与含水层含水裂隙系统之间存在瓶颈效应，有一个附加阻力R ，R 是大是小完全是偶然的（见图）。

① — 大裂隙

② — 小裂隙

③ — 微裂隙

④ — 无裂隙

图 裂隙（溶隙）含水层瓶颈效应机理图

图b 中A 代表概化的含水层，即一含水裂隙系统，b 为连通抽水孔C 与含水层A 的裂隙。裂隙b 渗流阻力为ρ，水头降Q s b ρ=Δ。含水层水头降为s A 。含水层单位涌水量为q A 。传统方法计算出的C 孔单位涌水量为q ，则有

A A A b q 1ρ1s Q ρQ s s ΔQ s Q q +=+=+==

钻孔所揭露裂隙的渗流阻力ρ是随机的，上式当ρ→0（大裂隙）时，q→q A ，当ρ很大（微裂隙）时q →0。这就是说，传统方法计算A 含 水 层 抽水孔 裂隙 b C ① ② ③

④

抽水孔 图a 图b

q 的结果（大小）是随机的。因此应得出的结论是，将抽水孔水位误视为含水层水位的单孔单位涌水量法不具备定量评价的本质。裂隙b 的渗流阻力ρ称为瓶颈阻力。

3.改进技术途径

传统单位涌水量方法存在问题解决途径有：1）废止传统单位涌水量作为含水层富水性定量评价的资格；2）通过技术途径，将钻孔单位涌水量变为含水层单位涌水量，即将计算单位涌水量的钻孔水位降深，变为统一孔径，统一总降深（如10m ）条件下钻孔孔壁含水层的水位降深。孔壁含水层降深可通过观测孔获得。在单孔条件下，可利用含水层参数计算求得孔壁含水层水位降深，或在统一总降深条件的钻孔涌水量。

含水层参数可用单孔非稳定流方法获取。

非稳定流法可以排除瓶颈因素。原理如下：

在稳定流中，不存在时间因素，因此是用降深的定值进行计算的。降深与流量成正比关系，因此不能用稳定流公式将含水层降深s A 从钻孔总降深s c 中区分出来（s c =s A +△s b ）。在非稳定流中，降深是时间的函数，因此是用降深变量进行计算的，形象地说，是用降深曲线的特征求参的。

上图中含水层A 之水头降深公式

)(4=u W T πQ s A ，Tt

S r u 4=2 如果有瓶颈裂隙b ，b 的水位降（水头损失）有Q ρs Δb =，则抽水孔C 降深有

()b c s u W T πQ s Δ+4==()Q ρu W T

πQ b +4 在定流量抽水中Q 不变，因此△s b 为常数。分别用s A (t)和s C (t)数据作降深曲线，曲线形状一样，仅在坐标中的高度不同，用非稳定流方法（如配线法）计算参数结果相同。

进一步用数学论证：

对s C (t)求导，获抽水孔水位降速公式 []b ∞

-S +∂∂=t ∂H ∂∫Δdu u

e T π4Q H t u u

即 []t

u u d u e T π4Q

s ΔH du d u u

b 0∂∂-+=∫∞

-

u Tt 4S

r e t 1T π4Q e t 1T π4Q t H 2-

•=•=∂∂

利用定流量抽水钻孔相对稳定期水位下降速度V （t H

∂∂=)，用此

式可求参，但无瓶颈效应（△s b ），证明成立。