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1、王兴(陕西省煤田地质局 186 队, 陕西 西安 710054) 摘 要 本文依据在西安地区地下热水开发中, 对有关水文地质参数的确定提出了看法。 并试图应用数值分析方法, 对地下热水的水文地质计算中含水层厚度、渗透性、影响半径等参数的选取进行讨论, 并对其精度进行分析, 相对准确地选择生产井和 回灌井的间距。 关键词 地下热水; 回灌井; 间距 中图分类号 P 641. 2 文献标识码 文章编号 1004- 1184 (2005) 02- 0116- 02ASpa ce be tween Produc t ionFa c tor s of thean d Reha rg in g W e l
2、l & Its In f luen c in gUn dergroun d Ho t- W a terW A N G X in g(T eam 186 o f Co a lf ie ld Geo lo g ica l B u reau in Sh aan x i P ro v in ce X ian sh aan x i 710054)A bstra c t: T h e a r t ic le is b a sed o n th e de te rm in a t io n o f som e h yd ro geo lo g ica l p a ram e te r s fo r th e
3、 exp lo ita2 t io n o f u n de rg ro u n d ho t- w a te r in X ian a rea an d p u t s fo rw a rd som e v iew s. It app lie s n um e r ica l va lu e an a ly sis m e tho d to d iscu ss how to choo se th e aqu ife r th ick n e ss, seep age ch a rac te r, in f lu en c in g rad iu s an d o th e r p a ram
4、 2 e te r s fo r th e h yd ro geo lo g ica l ca lcu la t io n o f u n de rg ro u n d ho t - w a te r, an d fu r th e rm o re an a lyze s it s p rec isio n an d re la t ive ly accu ra te choo se th e sp ace b e tw een p ro du c t io n w e ll an d rech a rg in g w e ll.Key word s: u n de rg ro u n d h
5、o t- w a te r, rech a rg in g w e ll an d sp ace关中盆地地下热水主要赋存于巨厚的新生界松散或半固结孔隙型沉积物中, 沿山前补给区及导水构 造渗入的地下水经过长途侧向隐伏径流, 在正常的地 温场中热交换升温形成热水。其赋存严格地受断块构 造控制, 一般为断块内部地温梯度较低, 热异常不明 显, 仅在断块边缘部位有局部的热异常显示, 同一储 热层在同一断块内埋深、温度、富水性等差异不大, 其 水文地质条件有一定的相似性1 。为了更好地了解热 水井单井涌水量与水位降深之间的关系、水位降深与 抽水试验延续时间的关系, 了解含水层的富水性, 确 定水文地质
6、参数, 了解地下水与地表水及不同含水层 之间的关系, 评价地下热水资源, 为开发热水资源, 合 理布井提供井距参数等, 多年来, 在盆地热水井施工 中, 进行了大量的水文地质计算, 取得了一定的收效。1 主要参数确定1. 1 静止水位 (H )盆地内地下热水埋藏较深, 封闭性较好, 承受压 力也较大。在揭露含水层后, 受地应力的变化, 存在一个短时间的能量释放, 使热水井的水位较高或发生井喷, 这时热水井的水位显然不能作为抽水时的静止水 位。 比如, R 9 井完井后水头高出地表+ 12. 86m , 一周 后稳定在+ 10. 50m 。另外, 在钻井抽水时, 由于下部高 温热水的涌入, 井内
7、水温有较大幅度的提高, 因而, 使 水的密度减小。 同时, 下部热水向上运动也是一个减 压过程, 使原来溶于水中的气体不断析出。 这种气体 散布于水中, 一方面使热水成为气水混合物, 密度变 小, 另一方面气体的上升对热水具有驱动作用。 在同 一水力系统内, 由于含水层内水的物理性质的改变, 水位也会产生相应的变化。 因此, 抽水前的静止水位 只能代表抽水前热水在特定物理条件下的静水位。抽 水时含水层物理性质发生变化, 密度变小, 与此相对 应的静止水位应为抽水时的等效静止水位2 。 可见, 抽水时的水位降深应从等效静止水位算起。在实际工作中, 对静止水位的确定, 一般采用实 测法。具体作法为
8、: 先进行短时间的抽水, 当井内水温基本稳定时, 停抽观测井内水位, 以骤然上升的最高 收稿日期 2004- 08- 15 作者简介 王兴 (1961) , 男, 西安高陵人, 高级工程师, 西安能源研究会理事, 西安市水资源专家顾问组专家。点作为抽水试验的静水位, 即等效静止水位。 比如:R 34 井抽水前的静水位为 10. 27m , 利用实测法测得 的等效静止水位为 8. 82m 。 除此之外, 还有相关计算 法等。 需要说明的是, 用这种方法测得的等效静止水 位值仍然是一个近似值, 对于这个问题, 目前尚待进 一步研究。1. 2 含水层厚度 (h )由于盆地内地层岩性、岩相及结构等严格
9、地受地 质 构 造 控 制, 储 热 层 水 文 地 质 特 征 存 在 着 较 大 的 差 异, 其孔隙度、渗透性等变化范围较大。 另外, 受开发 者个人意志影响, 使得含水层厚度的确定有一定的人 为因素。 因而, 在水文地质计算中应采用有效厚度。在实际工作中, 含水层有效厚度的确定, 对进行水 文地质计算具有重要意义。 首先, 对测井资料中的孔隙 度、渗透率及泥质含量等参数应进行综合研究和对比, 参 考测温资料及水文地质观测资料, 确定含水层之孔隙度、 渗透率及泥质含量的参数值, 以此为标准来确定含水层 之有效厚度。比如: XR 3 井井深258. 00 511. 00m 段含 水层总厚为
10、 88. 00m , 而有效厚度仅有 68. 00m 。R 34 井井深 1347. 50 1805. 86m 段含水层总厚 107. 52m , 其K = K 式中: = 0 - 1 为 时地下水的粘滞系数;= 1 + 0. 0337+ 0. 000222 为 时 的 校 正系数;K 时的渗透系数 (m d- 1 ) ;0 常温时的校正系数, 即取恒温带温度时的 校正系数。2利用迭代法求解渗透系数方程组根据上述方法, 利用盆地内 R 20 号热水井试验参 数 (见表 1) , 将三次降深所得数据构造方程组, 并根据方程组构造高斯塞德尔迭代公式3 为:(x )lg ( 10S1K 1 0. 0
11、6 (x + 1)K 1 = 0. 3663Q 1S H1(x + 1)lg ( 10S2K 10. 06(x + 1)K 2 = 0. 3663Q 2S H2(x + 1)lg ( 10S3K 2 0. 06 (x + 1)K 3 = 0. 3663Q 3S H3中孔隙度 20% , 渗透率180mD , 泥质岩含量 10%表 1关中盆地 R 20 井抽水试验参数表的近似有效厚度仅有88. 50m 。1. 3影响半径 (R )目前, 所施工的热水井多以开发为目的, 井位相 对孤立或不能协调, 而用于获取勘查资料及专门的水 文地质试验者极少。 除部分井外, 大多采用单井稳定 流抽水试验方法,
12、影响半径的计 算 采 用 D up u it&W .S ia rd t 公式:迭代结果见表 2:表 2渗透系数迭代结果表K = 0. 3663Q lg (R r)ShR = 10S式中: R 影响半径 (m ) ;K 渗透系数 (m d- 1 ) ; S 水位降深 (m ) ;h 含水层厚度 (m ) ;r 热水井半径 (m ) ;K温度及影响半径值校正后的渗透系数见表 3。表 3R 20 井 Q s 关系参数表Q 单井涌水量 (m 3 d- 1 )由于温度对水的粘滞性影响很大, 因此, 其对地 下热水的渗流有明显的影响。 温度愈高, 水的粘度愈 低, 其渗透系数愈大, 影响半径值也就愈大。
13、所以, 应 对所计算的渗透系数进行校正, 同时, 对影响半径值也进行校正。 校正公式为:值得指出的是, 目前盆地内地下热水的开发利用尚处于初期阶段, 用 W . S ia rd t 公式求得的影响半径 值仅适于开采初期, 而且是一个近似值。3利用正交函数拟合的 Q - S 曲线类型及误差分析根据正交函数最小二乘定义, 基(下转第 120 页)117S i7. 0016. 0024. 00Q i48010201380K t1. 992. 252. 32kK 1 (x+ 1)K 2 (x+ 1)K 3 (x+ 1)01. 0000010. 882420. 933740. 8888720. 8816
14、80. 933690. 8888730. 881680. 933690. 88887顺序降深S (m )出水量Q (m 3d)含水层有效 厚度 H (m )井半径r (m )17. 0048085. 000. 06216. 001020324. 001380一般超采区 (1 1. 2)。 有些地区将地下水开采区划分为短期超采区和长期超采区, 笔者认为这种划分虽然有时间上的理论 依据, 但在实际工作中, 不利于对开采量的具体控制。5. 2 按照规划开采量划分1) 鼓励开采区 鼓 励 开 采 区 为 未 开 发 区 或 尚 有 潜 力 开 发 区, 同时, 该区当地地下水埋深在 0 到最佳埋深之间
15、, 地下 水埋深在这一范围内的地区, 适当鼓励加大开采量, 这样既可解决需水要求, 又可增加当地地下水的补给 量。2) 限制开采区限制开采区为尚有潜力开发区或一般超采区, 同时, 地下水埋深达最佳埋深, 在这一开采层, 要保持现有的水环境不变, 应当限制开采量, 并指明超量开采 可能出现的问题。3) 禁止开采区 禁止开采区为一般超采区或严重超采区, 或者,地下水埋深大于最佳埋深, 地下水补给量随着地下水 埋深的增加而减少速率明显的这一段。地下水超采区水资源开发利用过程应高度重视。 评价方面应采用理论和实际相结合的方法, 寻找符合 当地水环境状况的科学计算方法, 准确评价水资源。 在 实 际 开
16、 发 利 用 中, 应 充 分 考 虑 当 地 地 下 水 埋 深 状 况, 综合各类影响因素, 科学划定地下水超采区, 制定 开采区类型, 合理配置开采量, 避免和缓解地下水超采现象的发生和加重。函数 5 n (x ) 及权函数 n (x ) , 在给定(上接第 117 页)水延续时间密切相关。 因此, 在实际工作中应注意以下几点:1) 在盆地内, 含水层厚度大、分布广、补给条件好 的地区作小降深试验时, Q - S 曲线呈近似直线型, 而 在相同条件下作大降深试验时, Q - S 曲线则表现为 抛物线形。 这是因为对于不同的降深条件, 地下热水 的水动力特征不同, 反映出不同的曲线关系。
17、在含水 层规模较小、补给条件差的地区, 试验初期, 曲线呈抛 物线型, 随着降深的增大, 补给量不足, 曲线将呈指数 型。 而在补给条件极差的地区, 曲线将呈对数型。 所 以, 在利用涌水量曲线方程进行预算时, 应考虑各种 条件下的推断范围, 试验降深应尽可能接近未来开采 利用时的降深。2) 井径结构的不同亦影响 Q - S 曲线特征, 尤其 是在大降深情况下。 由于小径井在大降深时, 水的运 动阻力增大, 出现水动力条件的改变和明显的水跃现象。 因此, 应尽可能采用大口径结构。的点集x i ( i= 0, 1, , n ) 上成立。 设出水量 (Q ) 与降深 ( s) 关系式为二次拟合曲线
18、:Q 3 ( s) = 0 3 + 1 3 ( s- 1 ) + 2 3 ( s- 2 ) ( s- 1 ) - 1 首先, 根据各降深点 si ( i= 0, 1, 2, 3) , 构造带权 i 正交 多 项式, 并计算出这些正交多项式在点集上的值 ( 见 表 4) , 然后在由公式 k 3 = (f, p k ) (f, p k ) 求出最佳拟 合的系数。表 4R 20 井 Q s 关系参数表由公式得到 Q - s 曲线方程:Q 3 ( s) = - 1. 4 s2 + 93 s- 73. 1由于函数 Q 34 s2 + 93 s -( s) =- 1.73.1 在 Q 、s正向为单调增,
19、 曲线类型为近抛物线型。 其均方误差313 地下热水与普通地下水相比, 具有明显的不稳)(S i) - Q i 2 iQ2 14. 82 =定性, 水动力条件相对复杂, 应尽可能地延续试验时间, 以增强 Q - S 曲线特征反映的真实性。4) 回灌井的间距应在最大降深的影响半径范围 以内, 以期最小的压力回灌。 而开采井的间距亦应在最大降深的 2 个影响半径以外。i= 0分析这一误差值较大的原因主要是以渗透系数K i 作为权函数, 对 Q 3 ( s) 曲线方程进行了趋势限定。 若取 i (x ) = 1, 则误差会更小, 但出水量 (Q ) 不可能无 限增大。4单井最大涌水量与井间距预测依据
20、单井抽 (放) 水试验成果, 采用涌水曲线方程 外推法可以对单井最大涌水量进行预算。此方法是建 立在通过抽 ( 放) 水试验得到的 Q - S 曲线方程, 来外 推一定降深范围内的涌水量。一般采用差分法和曲度 法。由于Q - S 曲线方程的建立较为复杂, 它与抽水试 验井的水文地质条件、水位降深大小、试验井结构、抽参考资料王兴. 渭河盆地地温场特征与地热系统 J .1997 (2).1陕西煤炭技术.2 杨成田. 专门水文地质学 M . 地质出版社, 1985.3 龙熙华等. 数值分析 M . 陕西省科学技术出版社, 2000.si7. 0016. 0024. 00P 0 ( s)111P 1 ( s)- 6. 42. 610. 6P 2 ( s)- 35. 6- 63. 547. 7
