邱 欣，陳彥美

(長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430100)

抽水試驗(yàn)可通過水文地質(zhì)鉆孔或水井抽水確定井(孔)涌水量，獲取含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，評價含水層的富水性，了解地下水、地表水及不同含水層之間的水力聯(lián)系，為地下水資源開發(fā)利用及相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)依據(jù)。在實(shí)際工作中，求參方法主要包括穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)常用的裘布依穩(wěn)定井流法和非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)采用的配線法、直線圖解法等。裘布依穩(wěn)定井流法以裘布依模型為基礎(chǔ)，對含水層條件進(jìn)行了概化處理，求參方法單一，不適用與復(fù)雜水文地質(zhì)條件。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在含水層參數(shù)計(jì)算中的廣泛應(yīng)用，利用軟件計(jì)算滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)變得方便快捷，并得到推廣。

本文以某傍河水源地潛水含水層抽水試驗(yàn)為例，應(yīng)用裘布依穩(wěn)定井流法和Aquifer Test軟件的Theis with Jacob correctio法和Neuman法進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證參數(shù)計(jì)算方法的合理性。

1 抽水試驗(yàn)概述

研究區(qū)分布著第四系沖洪積物含水層和泥質(zhì)板巖相對隔水層，構(gòu)成現(xiàn)代河谷低階地及河漫灘帶，多具二元結(jié)構(gòu)，表層為土黃色亞砂，是良好的植被區(qū)，下部為砂礫卵石層，構(gòu)成較好的地下水含水空間，滲透性較強(qiáng)，補(bǔ)給條件好。區(qū)內(nèi)地下水垂向上主要接受大氣降雨補(bǔ)給，側(cè)向上主要接受河流測滲補(bǔ)給，同時在山前接受少量的砂巖裂隙水補(bǔ)給，然后沿河道向下游方向徑流，最終在河流深切處向河流排泄。在水源地完成兩個鉆孔，鉆孔編號分別為BK-1和GJ-1，并各帶一個觀測孔，觀測孔與鉆孔的連線垂直于河床(圖1)。為防止上層滯水對含水層的影響，兩個鉆孔均在穩(wěn)定水位以上安置無縫鋼管進(jìn)行隔水。鉆孔BK-1中水位埋深5.54～6.50 m，含水層厚度約為21.5 m，孔徑為0.084 m，觀測孔孔徑0.084 m，鉆孔距離觀測孔5 m，距離河邊35 m；鉆孔GJ-1中水位埋深5.54 m，含水層厚度約為21.5 m，孔徑為0.188 5 m，觀測孔孔徑0.084 m，鉆孔距離觀測孔10 m，距離河邊35 m。根據(jù)含水層及抽水井結(jié)構(gòu)，兩口井均為完整井，抽水試驗(yàn)采用2個落程的穩(wěn)定流抽水，因此可以通過穩(wěn)定流相關(guān)公式計(jì)算含水層水文地質(zhì)參數(shù)，本文以BK-1和GJ-1的抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行討論。

圖1 抽水試驗(yàn)降深示意圖

2 裘布依穩(wěn)定井流

裘布依穩(wěn)定井流假設(shè)條件：均質(zhì)、各向同性、隔水底板水平的圓柱形潛水含水層，外側(cè)面保持定水頭，中心一口完整抽水井，簡稱圓島模型，沒有垂向入滲補(bǔ)給和蒸發(fā)排泄，且滲流服從線性定律的穩(wěn)定流動。這些假設(shè)條件下，以定流量對一單井進(jìn)行抽水，井中水位迅速下降，周圍含水層中的地下水便向井流動，形成軸對稱的降落漏斗。隨著抽水的延續(xù)，降落漏斗不斷向外并向縱深發(fā)展，經(jīng)一定時間后，當(dāng)?shù)叵滤蚓膹搅髁颗c井的涌水量相平衡時，漏斗便不再發(fā)展而達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，水量和各斷面的水位為穩(wěn)定值，整個漏斗范圍內(nèi)水流達(dá)到新的平衡狀態(tài)而呈現(xiàn)穩(wěn)定流動的特征。

2.1 單孔抽水無觀測孔

(1)

影響半徑一般采用庫薩金經(jīng)驗(yàn)公式：

(2)

2.2 單井抽水有一觀測

(3)

式(1)(2)(3)中：K為含水層滲透系數(shù)，m/d；Q為抽水試驗(yàn)流量，m3/d；R為影響半徑，m；rw為抽水井半徑，m；r1為抽水井到觀測井距離，m；sw為抽水井水位穩(wěn)定時水位降深，m；s1為觀測井水位穩(wěn)定時水位降深，m；H為潛水含水層厚度，m。

在研究區(qū)抽水試驗(yàn)中，將BK-1和GJ-1試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式(1)(2)(3)進(jìn)行求解，結(jié)果見表1。

表1 含水層參數(shù)計(jì)算結(jié)果

裘布依穩(wěn)定井流法計(jì)算的精度有限，主要在于研究區(qū)水文地質(zhì)條件與裘布依穩(wěn)定井流概念模型設(shè)定條件有很大差異所導(dǎo)致。因此，在實(shí)際工作中，不宜采用由裘布依穩(wěn)定井流計(jì)算所獲水文地質(zhì)參數(shù)。

3 Aquifer Test軟件求參

3.1 Aquifer Test軟件求參方法

Aquifer Test軟件是專門用于抽水試驗(yàn)資料分析、數(shù)據(jù)處理的圖形化分析軟件，處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)快捷簡便，提供14種理論分析方法計(jì)算含水層參數(shù)，本文主要介紹Theis with Jacob correction和Neuman法兩種理論分析方法。

3.2 Aquifer Test軟件求參過程

本次研究試驗(yàn)中，各孔組抽水試驗(yàn)水位采用地下水位自動觀測儀進(jìn)行記錄，觀測頻率為每1 min觀測一次，既達(dá)到穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)要求，也滿足非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。觀測時間均延續(xù)到了穩(wěn)定狀態(tài)，時間t足夠大，使得u遠(yuǎn)小于0.01，且降深遠(yuǎn)小于含水層厚度(s≤0.1～0.3 H)，這時能夠利用Aquifer Test軟件中的Theis with Jacob correction法和Neuman法進(jìn)行計(jì)算。

在Aquifer Test中設(shè)置抽水孔和觀測孔兩口完整井，輸入井的具體參數(shù)；在水位界面選擇觀測井，輸入數(shù)據(jù)；在分析窗口分別選擇Theis with Jacob correction和Neuman、Boulton兩種求解方法以專業(yè)判斷力進(jìn)行配線。

3.2.1 Theis with Jacob correction法

選擇Theis with Jacob correction進(jìn)行配線，移動曲線，調(diào)整曲線圖以實(shí)現(xiàn)自動和手工的最佳擬合效果，所求的水文地質(zhì)參數(shù)的結(jié)果會隨理論曲線的移動而更新。輸入鉆孔GJ-1抽水量1 400 m3/d的觀測孔數(shù)據(jù)，配線結(jié)果為：導(dǎo)水系數(shù)T=3.34×102m2/d，貯水系數(shù)μ*=4.25×10-3，計(jì)算K值為15.53 m/d。擬合結(jié)果見圖2。

圖2 GJ-1觀測孔Theis with Jacob correction配線

同樣，對其他抽水井運(yùn)用Theis with Jacob correction法進(jìn)行求參，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 Theis with Jacob correction法計(jì)算匯總

3.2.2 Neuman法求參

輸入鉆孔GJ-1抽水量1 400 m3/d的觀測孔數(shù)據(jù)，選擇Neuman進(jìn)行配線，調(diào)整后的曲線如圖4。配線結(jié)果為：T=3.29×102m2/d，計(jì)算K值為15.3 m/d。擬合結(jié)果見圖3。

同樣，對其他抽水井運(yùn)用Neuman法進(jìn)行求參，計(jì)算結(jié)果見表3。

圖3 GJ-1觀測孔 Neuman 配線

編號落程涌水量/m3/dNeuman法導(dǎo)水系數(shù)/m2/d貯水系數(shù)滲透系數(shù)/m/dBK-1GJ-115762．93×1027．71×10-313．6321103．20×1021．07×10-314．88114403．29×1023．19×10-315．3027203．34×1022．24×10-315．53

4 求參結(jié)果對比

4.1 穩(wěn)定井流求參對比

本實(shí)例中進(jìn)行了2組抽水試驗(yàn)，每組有一個抽水孔和一個觀測孔，屬帶一個觀測孔的單孔抽水試驗(yàn)。從兩種穩(wěn)定流公式法計(jì)算結(jié)果可看出，利用帶觀測孔數(shù)據(jù)計(jì)算的滲透系數(shù)跟接近真實(shí)值。原因在于抽水孔存在水躍值，使得抽水井內(nèi)水位值與井壁水位值存在一個差值。若直接用抽水井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算，其結(jié)果比用觀測孔計(jì)算的值大。

4.2 AquiferTest 軟件求參對比

AquiferTest軟件的兩種分析方法，即Theis with Jacob correction法與Neuman法所求導(dǎo)水系數(shù)T和滲透系數(shù)K結(jié)果相吻合。Theis with Jacob correction法，雖然使用簡單方便，但其求解是在給水度和導(dǎo)水系數(shù)T為常數(shù)的假定條件下推導(dǎo)出來的，而潛水含水層的實(shí)際給水度和導(dǎo)水系數(shù)T隨含水層厚度的改變而變化的。因此利用Theis with Jacob correction求水文地質(zhì)參數(shù)，與實(shí)際情況有一定出入。Neuman法要求潛水含水層是均質(zhì)各向異性的，重力給水度是常量，考慮垂向滲透速度和彈性釋放，并把“重力滯后給水”近似替換為“潛水面滯后反應(yīng)”。實(shí)際中，水源地含水介質(zhì)不是各向同性的，潛水面是一個曲面，地下水滲流是三維流，因此，Neuman井流公式的假定條件與研究區(qū)水文地質(zhì)條件擬合度更高，利用Neuman井流計(jì)算得出的水文地質(zhì)參數(shù)方法科學(xué)，數(shù)據(jù)可靠程度高。

4.3 穩(wěn)定井流法與AquiferTest軟件計(jì)算對比

穩(wěn)定井流公式法與AquiferTest軟件對滲透系數(shù)的計(jì)算結(jié)果有一定誤差。原因在于穩(wěn)定井流法對實(shí)際的水文地質(zhì)條件概化處理，而實(shí)際情況往往很復(fù)雜，用穩(wěn)定流公式計(jì)算的結(jié)果就會有一定的偏差。而Aquifer Test軟件的分析依據(jù)的是非穩(wěn)定流理論，假設(shè)條件更接近真實(shí)情況。因此，在粗略估算水文地質(zhì)參數(shù)時可以采用穩(wěn)定流計(jì)算公式，但是在進(jìn)行地下水資源評價及模擬計(jì)算時，水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算最好采用多種方法進(jìn)行比較分析，從而選取科學(xué)、合理的參數(shù)。

5 結(jié)語

(1)根據(jù)抽水試驗(yàn)資料，利用Aquifer Test軟件計(jì)算取得的結(jié)果，符合當(dāng)?shù)貙?shí)際水文地質(zhì)條件，也說明用Aquifer Test軟件計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)方法合理可行、計(jì)算結(jié)果可靠，是一種計(jì)算方便快捷且結(jié)果精確的新方法，為水源地的選取及開發(fā)利用提供重要的理論依據(jù)。

(2)由于本次試驗(yàn)中二組抽水井的抽水量、抽水時間、抽水井與觀測井距離等因素均沒有統(tǒng)一，致使無法研究抽水量、抽水井與觀測井距離對水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算的影響，因此還需進(jìn)一步地深入探索研究。

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