陳 陽(yáng)

(安徽省煤田地質(zhì)局水文勘探隊(duì)，安徽 宿州 234000)

煤田地質(zhì)勘探中，提供水文地質(zhì)參數(shù)是進(jìn)行各種水文地質(zhì)計(jì)算時(shí)不可缺少的數(shù)據(jù)，水文地質(zhì)參數(shù)主要通過(guò)抽水試驗(yàn)來(lái)獲得[1]。在獲得抽水試驗(yàn)涌水量和降深數(shù)據(jù)時(shí)，一般情況下采用Excel軟件求得水文地質(zhì)參數(shù)，并通過(guò)換算經(jīng)驗(yàn)公式繪制散點(diǎn)圖擬合出直線經(jīng)驗(yàn)方程，再換算成原經(jīng)驗(yàn)公式，這反復(fù)換算過(guò)程中所取系數(shù)值準(zhǔn)確度已有所降低并容易出錯(cuò)[2-4]。根據(jù)煤礦防治水規(guī)定，以水位降深10 m為準(zhǔn)時(shí)孔徑91 mm的鉆孔單位涌水量評(píng)價(jià)含水層的富水性，實(shí)際生產(chǎn)中大多還需換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單位涌水量，此換算過(guò)程計(jì)算工作量大且小數(shù)部分人為取舍因素較大，造成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單位涌水量不精準(zhǔn)。本文是運(yùn)用VB6.0可視化編程軟件，化繁就簡(jiǎn)直接運(yùn)算得出水文地質(zhì)參數(shù)、10 m降深時(shí)91 mm孔徑下單位涌水量大小并繪制Q-S曲線，并在實(shí)際生產(chǎn)中得以良好運(yùn)用，提高了運(yùn)算效率。

1 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算的理論基礎(chǔ)

1.1 井流計(jì)算公式

地下水向承壓水井的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)理論基礎(chǔ)上，承壓含水層完整井穩(wěn)定流時(shí)Dupuit公式

(1)

式中：S為井中水文降深；Q為抽水井流量；M為含水層厚度；K為滲透系數(shù)；r為井的半徑；R為影響半徑。

對(duì)于同一含水層不同抽水過(guò)程的K值，在計(jì)算公式一致的情況下，理論上差別也不大。一般情況選用及哈爾特公式計(jì)算抽水鉆孔的影響半徑：

(2)

1.2 各類曲線類型及經(jīng)驗(yàn)方程

通過(guò)前人大量抽水井的實(shí)測(cè)資料證明，常見(jiàn)的Q-S曲線類型有直線型、拋物線性、對(duì)數(shù)曲線型和冪函數(shù)曲線型。

相關(guān)系數(shù)R2，越接近1，曲線的擬合效果越好，通常情況下由此值判定擬合效果。

表1 流量和降深關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式和采用最小二乘法確定系數(shù)值表

1.3 孔徑換算

《規(guī)定》中按統(tǒng)一10 m降深時(shí)單位涌水量才評(píng)價(jià)含水層富水性大小，根據(jù)得出的Q-S曲線方程確定降深10 m時(shí)抽水孔的涌水量，再用下述公式轉(zhuǎn)換孔徑為91 mm的涌水量，然后再除以10 m即得標(biāo)準(zhǔn)條件下單位涌水量。

(3)

式中Q91，R91，r91為孔徑為91 mm鉆孔的涌水量、影響半徑和鉆孔半徑；Q孔，R孔，r孔為孔徑為r的鉆孔的涌水量、影響半徑和鉆孔半徑。其中R91、R孔的值在《規(guī)定》中并沒(méi)有十分明確的闡述他們的差別或者計(jì)算方法，本文是按相同數(shù)值參與計(jì)算[5-6]。

1.4 富水性評(píng)價(jià)

在《規(guī)定》中，將含水層富水性按鉆孔單位涌水量以口徑91 mm、抽水水位降深10 m為準(zhǔn)分為以下4個(gè)等級(jí)：

弱富水性：q≤0.1 L/s·m-1

中等富水性：0.1 L/s·m-1

強(qiáng)富水性1.0 L/s·m-1

極強(qiáng)富水性：q>5.0 L/s·m-1

除根據(jù)《規(guī)定》對(duì)抽水含水層的富水性進(jìn)行等級(jí)劃分外，還用當(dāng)結(jié)合Q-S曲線類型對(duì)含水層的水文地質(zhì)條件和富水性進(jìn)行深度分析和評(píng)價(jià)。

圖1中曲線Ⅰ為直線型，表示承壓徑流；曲線Ⅱ?yàn)閽佄锞€型，表示潛水、承壓-無(wú)壓或三維流、紊流影響下的承壓井流；曲線Ⅲ為冪函數(shù)型，表示從某一降深值起，涌水量Q隨降深S的增大而增加很少；曲線Ⅳ為對(duì)數(shù)型，表明補(bǔ)給衰竭或水流受阻，即隨S增大，Q增量很小，曲線趨向S軸；曲線Ⅴ則通常表明試驗(yàn)可能有誤。

圖1 不同類型的Q-S曲線

2 VB6.0可視化軟件語(yǔ)言設(shè)計(jì)

2.1 迭代計(jì)算求值語(yǔ)言設(shè)計(jì)

利用公式(1)和(2)對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)K通過(guò)多次迭代進(jìn)行求解，在VB程序語(yǔ)言中可以通過(guò)循環(huán)語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)這一繁瑣運(yùn)算。在相同涌水量和降深有效數(shù)值下，該程序自變量精確度可以達(dá)到10～14，然而實(shí)際生產(chǎn)中并不需要如此之高的精準(zhǔn)度，本程序K精確度取到小數(shù)點(diǎn)后7位，其他參數(shù)結(jié)果均保留6位有效數(shù)字，這樣既可以提供一個(gè)相對(duì)其他方法更為精準(zhǔn)的數(shù)值又留存了供使用者取舍的余地。其中迭代的核心程序如下：

K0 = 1

R = 10 * S * Sqr(K0)

K = 86.4 * Q * (Log(R / (R0 / 2000))) / (2 * Pi * M * S)

Do While Abs(K - K0) > 0.0000001

K0 = K

R = 10 * S * Sqr(K0)

K = 86.4 * Q * (Log(R / (R0 / 2000))) / (2 * Pi * M * S)

Loop

在一次降深的抽水試驗(yàn)中將所得出的滲透系數(shù)K，影響半徑R，單位涌水量q利用公式(3)求解出10 m降深時(shí)91 mm孔徑下單位涌水量q91，用于評(píng)價(jià)含水層富水性。

2.2 三次降深中待定系數(shù)語(yǔ)言設(shè)計(jì)

在三次降深的抽水試驗(yàn)中采用相同的代碼求解水文地質(zhì)參數(shù)，對(duì)于Q-S曲線經(jīng)驗(yàn)方程的待定系數(shù)求解，其核心代碼如下：

For i = 1 To 3

Next i

即可求出待定系數(shù)a，b

b = (U(1, 0) * U(2, 0) - 3 * U(3, 0)) / (U(1, 0) ^ 2 - 3 * U(4, 0))

a = U(2, 0) / 3 - bb * U(1, 0) / 3

將所求出的待定系數(shù)，帶入經(jīng)驗(yàn)公式即可求出Q-S曲線經(jīng)驗(yàn)方程并通過(guò)VB6.0可視化效果顯示在程序文本框中。其中R2的大小同樣可以通過(guò)循環(huán)運(yùn)算得出，其值與待定系數(shù)a、b在VB6.0中的取舍到小數(shù)點(diǎn)后6位。

2.3 Q-S曲線繪制語(yǔ)言設(shè)計(jì)

在繪制Q-S曲線時(shí)，借助圖片框功能的可視化效果，將圖片框邊界(Scale)屬性重新定義，利用圖片框PSet描點(diǎn)屬性在圖片框中依次繪制出Q-S曲線。部分核心程序如下：

Picture1.Scale (-0.6, -0.5)-(Qstep - 0.6, Sstep - 0.5)

Picture1.DrawWidth = 1.5

Picture1.Line (0, 0)-(Qstep - 0.8, 0), vbBlue‘橫坐標(biāo)

Picture1.Line (0, 0)-(0, Sstep - 0.8), vbBlue‘縱坐標(biāo)

Picture1.PSet (W / Qmlong, V / Smlong), &H8000&‘繪制曲線點(diǎn)

設(shè)計(jì)出的軟件界面如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)軟件界面圖

在得到Q-S曲線經(jīng)驗(yàn)方程之后，將10 m降深值導(dǎo)入經(jīng)驗(yàn)方程求解出此時(shí)涌水量大小，再帶入公式(3)中求得10 m降深時(shí)單位涌水量大小，用來(lái)評(píng)價(jià)含水層富水性。

3 實(shí)例應(yīng)用

淮北某礦區(qū)為了查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件，布置了1個(gè)水文地質(zhì)地面長(zhǎng)觀孔，對(duì)該孔太原組一至四灰進(jìn)行抽水試驗(yàn)一次，獲得水文地質(zhì)參數(shù)涌水量和滲透系數(shù)等。該孔孔口致太灰頂下置直徑127 mm，太原組一至四灰裸孔孔徑91 mm。經(jīng)止水檢查合格后，對(duì)太灰段洗井、抽水試驗(yàn)，該水文長(zhǎng)觀孔在承壓完整井含水層抽水試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定流時(shí)，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 抽水試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

將其輸入生成的exe軟件，直接快速運(yùn)算得出水文地質(zhì)參數(shù)、10 m降深時(shí)單位涌水量及經(jīng)驗(yàn)方程并繪制Q-S曲線，其效果見(jiàn)圖3所示。

圖3 計(jì)算軟件效果圖

根據(jù)R2大小可以判定對(duì)數(shù)型與原始數(shù)據(jù)擬合程度較好，因此將回歸方程類型定為對(duì)數(shù)型。最終得出的水文地質(zhì)參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)方程見(jiàn)表3。

表3 軟件計(jì)算成果表

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)該程序軟件的實(shí)例運(yùn)用，可以直接得出10 m降深時(shí)單位涌水量大小和判定Q-S曲線關(guān)系類型，反映了該礦含水層補(bǔ)給衰竭的特征，根據(jù)計(jì)算q91大小和《規(guī)定》富水性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)該礦區(qū)含水層富水性為弱富水性。

(2)本文將VB6.0編程軟件運(yùn)用到水文地質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)處理中，雖然與常規(guī)處理方法運(yùn)用了相同的原理，但是借助語(yǔ)言程序?qū)竭M(jìn)行編程可以直接得出最終結(jié)果，不僅僅是各類型Q-S曲線圖直觀對(duì)比還有擬合曲線相關(guān)系數(shù)大小的比較，彌補(bǔ)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中有效值取舍不當(dāng)和人為失誤這一漏洞，有效地提升了數(shù)據(jù)的處理效率和參數(shù)的準(zhǔn)確性。