劉延鋒，劉 倩，王建軍

(中國地質(zhì)大學 環(huán)境學院，湖北 武漢430074)

抽水試驗是通過水文地質(zhì)鉆孔抽水確定水井出水能力，獲取含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，判明某些水文地質(zhì)條件的野外水文地質(zhì)試驗工作。抽水試驗的主要任務(wù)之一是確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)，如滲透系數(shù)(K)、導(dǎo)水系數(shù)(T)、釋水系數(shù)(μe)和給水度(μd)等。穩(wěn)定流抽水試驗數(shù)據(jù)一般采用經(jīng)驗公式處理［1］，非穩(wěn)定流抽水試驗數(shù)據(jù)多采用配線法、直線圖解法進行處理，有越流補給但不考慮弱透水層彈性釋水時，可采用拐點法計算［1-2］。水文地質(zhì)參數(shù)確定的精度直接影響地下水滲流場定量分析與地下水資源評價的可靠性。生產(chǎn)過程中多采用配線法和直線圖解法處理非穩(wěn)定流抽水試驗數(shù)據(jù)來確定參數(shù)，在處理過程中存在人為主觀判斷，造成相同數(shù)據(jù)不同人計算出的結(jié)果不同，從而影響地下水滲流場定量刻畫與比較［3］。為了便于數(shù)據(jù)處理，出現(xiàn)了一些處理抽水試驗數(shù)據(jù)的專業(yè)軟件，如AquiferTest、AQTESOLV、Aquifer -Well-Test 等，它們采用了優(yōu)化技術(shù)，降低了人為主觀性，處理速度快，計算結(jié)果精確，可對比性好，在國外得到了比較廣泛的應(yīng)用;但國內(nèi)目前在生產(chǎn)實際中的應(yīng)用并不多，一些學者和單位開始使用AquiferTest 軟件進行數(shù)據(jù)處理［3-4］。AquiferTest 軟件是加拿大滑鐵盧水文地質(zhì)公司(Waterloo Hydrogeologic Inc．)開發(fā)研制的專門用于抽水試驗和微水試驗(Slug test)資料分析、數(shù)據(jù)處理的圖形化分析軟件，處理試驗數(shù)據(jù)快捷簡便，軟件中包含了多種分析模型，包括Theis、Cooper ＆ Jacob、Theis with Jacob Correction、Double Porosity 等模型，能夠確定多種類型含水層的參數(shù)，如承壓含水層、潛水含水層、越流含水層和基巖裂隙含水層等，并能夠進行水位預(yù)測、井群干擾降深計算、含水介質(zhì)性質(zhì)判斷以及試驗數(shù)據(jù)處理報告等功能［5］。

非穩(wěn)定流抽水試驗數(shù)據(jù)處理及水位降深計算是地下水動力學這門專業(yè)基礎(chǔ)課實踐教學中的重要內(nèi)容，也是水文地質(zhì)調(diào)查的重要工作內(nèi)容。由于非穩(wěn)定井流理論公式比較復(fù)雜，計算過程中需要查表獲取數(shù)據(jù)，過程繁瑣，學生通常難以完全理解和掌握抽水試驗數(shù)據(jù)處理理論與方法。手動處理抽水試驗數(shù)據(jù)需要透明雙對數(shù)紙、標準曲線圖、單對數(shù)坐標紙等材料，且存在一定主觀性，影響計算精度。而使用AquiferTest 軟件處理抽水試驗和微水試驗數(shù)據(jù)，學生只要掌握基本原理及不同水文地質(zhì)條件所對應(yīng)的解析模型就能進行數(shù)據(jù)處理，很容易地掌握各種抽水試驗數(shù)據(jù)的處理方法。利用該軟件的降深預(yù)測、邊界條件性質(zhì)判斷等功能，可以幫助學生更好地理解問題，增加學習興趣，還便于學生開展探索性研究。在教學過程中，筆者指導(dǎo)學生使用AquiferTest 4．2 測試版進行抽水試驗數(shù)據(jù)處理、水文地質(zhì)條件識別和降深預(yù)測等，學生們很快掌握了相關(guān)技巧，并提高了學習興趣。

1 抽水試驗數(shù)據(jù)處理

1．1 數(shù)據(jù)

在某灰?guī)r承壓含水層中進行抽水試驗，抽水井流量比較穩(wěn)定，平均為Q=5 136 m3/d，觀測孔G1距抽水井的距離為r =52 m，觀測孔中水位降深(見表1)。

表1 無界承壓含水層中抽水試驗觀測資料［6］

1．2 配線法

在透明雙對數(shù)坐標紙上繪制觀測孔的lgs -lgt 實測曲線，將該實測曲線與標準曲線進行對比，當曲線最佳擬合時，選擇匹配點(見圖1)，坐標分別為:

依據(jù)泰斯(Theis)公式，可推導(dǎo)出計算含水層的導(dǎo)水系數(shù)T 和釋水系數(shù)μe值的公式:

圖1 標準曲線配比法圖解

在AquiferTest 軟件中的Pumping Test 選項卡中輸入抽水試驗信息、物理量單位、含水層厚度、抽水井和觀測井的坐標、類型、半徑、濾管位置和孔隙度等基本信息;在Discharge 選項卡中輸入開采量;在Water Levels 選項卡中輸入觀測孔的水位或降深。在Analysis 選項卡中選擇所使用的觀測孔，圖形區(qū)會顯示s -t 曲線，界面右側(cè)顯示AquiferTest 軟件中分析模型，在本例中選擇Theis 模型，然后點擊Fit 按鈕，程序運行收斂后，在Results 區(qū)中顯示計算結(jié)果。使用G1觀測數(shù)據(jù)獲取的參數(shù)值為:T =954 m2/d，μe=2．30 ×10-3。

手動配線時，lgs-lgt 點的繪制及匹配點選取上具有一定人為性，導(dǎo)致計算出的T 和μe值不盡相同。對學生們手動配線法獲取的參數(shù)值進行統(tǒng)計分析(見表2)，結(jié)果顯示其確定的T 值范圍為454．12 ～1 119．75 m2/d，標準差為94． 91 m2/d，變 差 系 數(shù) 為10． 34%;μe值 范 圍 為1．79 ×10-3～4．67 ×10-3，標準差為4．12 ×10-4，變差系數(shù)為17．87%?？梢姡M管數(shù)據(jù)相同，受擬合程度判斷的主觀性的影響，獲取的參數(shù)差別很大，T 和μe值的極差可達665．63 m2/d 和2．88 ×10-3，最大值和最小值之比分別為2．5 和2．6。

表2 手動法獲取參數(shù)的統(tǒng)計分析

1．3 直線圖解法

可見s 與lgt 成線性關(guān)系，即s-lgt 為直線(見圖2)，可利用直線段的斜率m 確定含水層導(dǎo)水系數(shù)T:

延長直線段與s=0 橫軸相交點為t0=3 min=2．08 ×10-3d，可獲得釋水系數(shù)μe:

圖2 直線圖解法圖解

與配線法相似，在輸入基本信息和數(shù)據(jù)后，在Analysis 選項卡中選擇Cooper ＆ Jacob I 分析模型，點擊Fit 按鈕采用直線圖解法進行求解。通過試算，使用G1 觀測孔50min 之后的觀測水位，計算出的參數(shù)為:T =965 m2/d，μe=2．17 ×10-3，此時，觀測孔處的u=0．044 ＜0．05，滿足假設(shè)條件。計算結(jié)果與手動直線圖解法計算出的參數(shù)很相近，但釋水系數(shù)偏差較大。

直線圖解法亦存在一定主觀性，學生們獲取的參數(shù)值亦存在較大差別，其中T 值范圍為870．27 ～1044．32 m2/d，標準差為31．69 m2/d，變差系數(shù)為3．35%;μe值范圍為1．80 ×10-3～3．82 ×10-3，標準差為3．53 ×10-4，變差系數(shù)為15．25%。盡管直線圖解法比配線法結(jié)果的差別幅度小，但獲取的參數(shù)差別仍比較大，T 和μe值的極差可達174．05 m2/d 和2．02 ×10-3，最大值和最小值之比分別為1．2 和2．1。

2 降深預(yù)測

利用AquiferTest 軟件還可以進行開采條件下的水位降深預(yù)測，其過程與前述利用抽水試驗數(shù)據(jù)確定參數(shù)相似。首先在Pumping Test、Discharge 選項卡中確定開采井的位置、相關(guān)信息以及預(yù)測孔的位置，然后在Water Levels選項卡中輸入預(yù)測時間，在水位或降深列中輸入任意數(shù)值，在Analysis 選項卡中點擊Show Parameter Controls 按鈕，在Parameter 對話框中輸入導(dǎo)水系數(shù)和釋水系數(shù)等參數(shù)，并鎖定;在右側(cè)Model Assumption 中將Discharge 選項設(shè)置為Variable;點擊Fit 按鈕進行計算，最后Analysis 菜單下的Statistics 菜單項命令窗口中，可以獲取預(yù)測水位降深值。

群井階梯狀流量抽水的水位或降深預(yù)測非常繁瑣，且容易計算錯誤，利用AquiferTest 軟件則很容易實現(xiàn)。某地區(qū)一無界承壓含水層中有3 眼完整井開采，分布如圖3 所示，含水層的導(dǎo)水系數(shù)T =200 m2/d，釋水系數(shù)μe=2 ×10-3，3 眼井的開采情況如表3 所示［6］。若用解析法計算某一時刻觀測點M 處水位降深，則需要包含5 項降深計算公式。利用AquiferTest 軟件，很容易就可以獲取M 點處的降深歷時曲線(見圖4)。

3 含水介質(zhì)及邊界性質(zhì)診斷

AquiferTest 軟件具有通過s -t 曲線判斷含水介質(zhì)特性的功能。在Analysis 選項卡中的Diagnostic Graph 中，給出了Confined、Leaky or recharge boundary、Barrier boundary、Double porosity 和Well effects 五種情況下的泰斯理論降深(Theis type curve，短劃線)、特定條件下的理論降深(Theoretical drawdown curve under the expected conditions，黑色實線)及降深的時間導(dǎo)數(shù)(Drawdown derivative curve，綠色實線)3 條曲線。將實際曲線與5 種標準曲線對比，可以判斷邊界性質(zhì)和含水介質(zhì)特性。

圖3 開采井分布圖

圖4 預(yù)測降深歷時曲線

表3 抽水井工作情況一覽表

表4 為某斷裂附近承壓含水層完整井抽水時的觀測孔降深數(shù)據(jù)，開采量為1 000 m3/d，觀測孔與抽水井位于斷裂同一側(cè)，距開采井20 m［6］。將相關(guān)信息輸入Aquifer-Test 軟件，在Analysis 選項卡中的Diagnostic Graph 中顯示觀測孔的實測降深及降深導(dǎo)數(shù)點線(見圖5)，二者關(guān)系與Barrier Boundary 標準圖形一致，表明該斷層為阻水斷層。

表4 斷層附近抽水試驗觀測孔降深數(shù)據(jù)［6］

圖5 實測降深曲線及降深導(dǎo)數(shù)曲線與標準曲線對比圖

4 結(jié) 論

抽水試驗及地下水位降深預(yù)測是地下水動力學教學中的重要內(nèi)容，也是水文地質(zhì)實際工作中重要的工作內(nèi)容。依據(jù)地下水非穩(wěn)定流理論手動處理抽水試驗數(shù)據(jù)以獲取水文地質(zhì)參數(shù)具有主觀性，且費時費力。利用AquiferTest 軟件可以快速確定水文地質(zhì)參數(shù)及復(fù)雜開采條件下的水位降深預(yù)測，人為主觀性小，計算精度高。依據(jù)實測降深及其導(dǎo)數(shù)曲線關(guān)系，可以確定抽水試驗場地的含水層性質(zhì)、介質(zhì)特征、邊界條件及井效應(yīng)等，選擇更為合適的模型進行抽水試驗數(shù)據(jù)處理與降深預(yù)測。

通過在教學中引入AquiferTest 軟件，提高了學生的學習興趣，使學生快速掌握了抽水試驗數(shù)據(jù)的處理方法，并能夠利用該軟件進行水文地質(zhì)條件診斷及降深預(yù)測，提高了計算的準確度和精度。

［1］中華人民共和國水利部． 水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程(SL320 -2005)［S］．西安:陜西人民教育出版社，2005．

［2］陳崇希，林敏，成建梅．地下水動力學［M］．北京:地質(zhì)出版社，2011．

［3］蔣 輝． 基于AquiferTest 的抽水試驗參數(shù)計算方法分析［J］．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2011，38(2):34 -38．

［4］陶宗濤，閆志為．AquiferTest 軟件求解承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)的方法及效果［J］．水電能源科學，2012，10(10):58 -60．

［5］Schlumberger Water Services． AquiferTest User’s Manual［R］． Waterloo:Waterloo Hydrogeologic Inc，2010．

［6］靳孟貴，成建梅． 地下水動力學實驗與習題［M］． 北京:中國水利水電出版社，2010．