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(píng)價(jià)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(duì)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(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證參數(shù)計(jì)算方法的合理性。
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(duì)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(cè)滲補(bǔ)給,同時(shí)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(gè)鉆孔,鉆孔編號(hào)分別為BK-1和GJ-1,并各帶一個(gè)觀測(cè)孔,觀測(cè)孔與鉆孔的連線垂直于河床(圖1)。為防止上層滯水對(duì)含水層的影響,兩個(gè)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(cè)孔孔徑0.084 m,鉆孔距離觀測(cè)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(cè)孔孔徑0.084 m,鉆孔距離觀測(cè)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(gè)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
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(dòng)。這些假設(shè)條件下,以定流量對(duì)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(dòng),形成軸對(duì)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(shí)間后,當(dāng)?shù)叵滤蚓膹搅髁颗c井的涌水量相平衡時(shí),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(gè)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(dòng)的特征。
(1)
影響半徑一般采用庫薩金經(jīng)驗(yàn)公式:
(2)
(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(cè)井距離,m;sw為抽水井水位穩(wěn)定時(shí)水位降深,m;s1為觀測(cè)井水位穩(wěn)定時(shí)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)。
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。
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(dòng)觀測(cè)儀進(jìn)行記錄,觀測(cè)頻率為每1 min觀測(cè)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(cè)時(shí)間均延續(xù)到了穩(wěn)定狀態(tài),時(shí)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(shí)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(cè)孔兩口完整井,輸入井的具體參數(shù);在水位界面選擇觀測(cè)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(dòng)曲線,調(diào)整曲線圖以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(huì)隨理論曲線的移動(dòng)而更新。輸入鉆孔GJ-1抽水量1 400 m3/d的觀測(cè)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(cè)孔Theis with Jacob correction配線
同樣,對(duì)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(cè)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(duì)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(cè)孔 Neuman 配線
編號(hào)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
本實(shí)例中進(jìn)行了2組抽水試驗(yàn),每組有一個(gè)抽水孔和一個(gè)觀測(cè)孔,屬帶一個(gè)觀測(cè)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(cè)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(gè)差值。若直接用抽水井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算,其結(jié)果比用觀測(cè)孔計(jì)算的值大。
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(gè)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。
穩(wěn)定井流公式法與AquiferTest軟件對(duì)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(duì)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(huì)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(shí)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(píng)價(jià)及模擬計(jì)算時(shí),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)。
(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(shí)間、抽水井與觀測(cè)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(cè)井距離對(duì)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。
[1]中國地質(zhì)調(diào)查局.水文地質(zhì)手冊(cè).第2版[M].地質(zhì)出版社.2012.
[2]陳崇希,林敏.地下水動(dòng)力學(xué)[M].中國地質(zhì)大學(xué)出版社.1999.
[3]Neuman, S.P. And P.A.Withers Poon. Analysis of non-steady with a free surface using the finite element method [J]. Water Resour. Res,1971.(7):57-59.
[4]Bear J. Hydraulics of groundwater[M]. Beijing: Geological PublishingHouse.1985.
[5]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(xué).2012(10):58-60.
[6]任改娟,楊立順,回廣榮,等.傳統(tǒng)公式法和AquiferTest計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)的對(duì)比分析[J].地下水.2015(4):165-167.
[7]唐輝,蔡懷恩. 基于Aquifertest4.2求解水文地質(zhì)參數(shù)方法分析[J].中國水運(yùn)月刊.2014.14(8):220-221.
[8]蔣輝.基于AquiferTest的抽水試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算方法分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).2011.38(2):35-38.
[9]馬國珍,郭守鋆,汪恩福.供水水文地質(zhì)勘查中水文地質(zhì)參數(shù)確定與選取問題[J].青海國土經(jīng)略.2010(6):35-37.
[10]惠宏偉,孫健,董海寶.單孔抽水試驗(yàn)中水文地質(zhì)參數(shù)的分析[J].黑龍江水利科技.2012(11):6-7.