張愛民，郝天鵬，周和平，于寶軍，馬占寶，崔師勝，郭文濤

(1.新疆白楊河流域管理局，新疆 烏魯木齊 830000：2.新疆水利廳水利管理總站，新疆 烏魯木齊 830000；3.新疆白楊河流域管理局水利管理中心，新疆 烏魯木齊 830039)

0 引言

地下水含水層厚度H滲透系數(shù)K導(dǎo)水系數(shù)T，是表征地下水含水層特性地下水出水能力主要指標(biāo)。張樂樂[1]采用地下水位動態(tài)法分析了新疆烏爾禾區(qū)域地下水含水層特征；邵忠瑞[2]采用均衡解析法分析郟縣四里營水源地地下水資源量；馬書明[3]依據(jù)近年淮北平原地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)分析地下水開發(fā)利用量；成六三等[4]運(yùn)用實(shí)地調(diào)查、文獻(xiàn)分析和地下水含水層管理模型，對重慶紅層區(qū)成井前后水量水位變化進(jìn)行評估；袁華等[5]將單純形-混沌優(yōu)化算法應(yīng)用于分析抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)求解含水層參數(shù)函數(shù)優(yōu)化問題。抽水試驗(yàn)是含水層水文地質(zhì)參數(shù)最直觀方法，基于非完整完整井[6-8]進(jìn)行抽水試驗(yàn)分析可取得較好的水文地質(zhì)參數(shù)。本文以潛水非完整井多觀測孔地下水抽水試驗(yàn)，采用裘布衣模型和正交試驗(yàn)分析地下水含水層主要水文地質(zhì)參數(shù)及單井出水能力。

1 材料與方法

1.1 流域概況

白楊河流域水系發(fā)源于新疆天山東部博格達(dá)峰南麓，上游烏魯木齊市達(dá)坂城盆地由黑溝河、阿克蘇河、高崖子三條源流，盆地南部峽口匯集形成白楊河干流全長150 km，向南沿途天然河道并有柯爾堿溝、阿拉溝等小支流匯入，進(jìn)入流域下游平原戈壁荒漠帶，由西向東南穿越吐魯番市托克遜縣城外50 km尾閭，注入我國最低高程-154.6 m艾丁湖[9]。上游達(dá)坂城盆地干旱區(qū)，下游極端干旱吐魯番托克遜區(qū)，流域坐標(biāo)E：88°10′～89°11′，N：42°29′～43°48′，艾丁湖河口以上流域總面積5 173.4 km2[10]。達(dá)坂城盆地北倚天山北麓博格達(dá)山，南為天格爾山，東為喀拉塔格山，三面環(huán)山，西面開闊半封閉狀態(tài)。地勢北高南低西高東低。地貌單元洪沖積扇平原及濕地，濕洼地周圍褶皺山地垂直帶景觀。沖積扇中下部分布栗鈣土棕鈣土以及塊狀態(tài)農(nóng)田，洼地多為沼澤土草甸土植被。河流流程短水量小坡陡流急，前山洪積和沖擊帶地表水運(yùn)移滲漏較大，地表地下水時隱時現(xiàn)轉(zhuǎn)化，由北至東南形成泉水溢出帶匯集白楊河。

1.2 試區(qū)布置

抽水試區(qū)位于流域上游達(dá)坂城高崖子河及阿克蘇河中游段，安裝4眼地下水監(jiān)測井，各河道安裝1眼抽水試驗(yàn)和1眼對照觀測井，監(jiān)測井每20分自動采集水位。高崖子河下游1號抽水試驗(yàn)井及下游2號對照井間距140 m，高程1 202.6～1 203.7 m，坐標(biāo)E：88°26′54″～54″，N：43°22′48″～43″；阿克蘇河下游4號抽水試驗(yàn)井及下游3對照水位觀測井間距60 m，地面高程1 229.8～1 231.3 m，坐標(biāo)E：88°26′15″～17″，N：43°23′35″～36″。高崖子河下游1號及2號井2021年5月20日安裝，井深15.7～15.6 m，井管直徑0.219 m，地下水埋深分別為4.4～6.0 m和9.1 m，觀測井位于高崖子河以西河階地，主要生長小灌木榆樹植被覆蓋率20%～30%，觀測井地質(zhì)剖面戈壁砂礫石質(zhì)地分布。阿克蘇河下游4號及3號井2021年5月19日安裝，井深15 m井管直徑0.219 m，地下水埋深分別為2.0 m和1.7 m，觀測井位于阿克蘇河以東階地，生長小灌木榆樹草本河谷林植被覆蓋20%～35%，間有零星耕地種植，觀測井地質(zhì)剖面戈壁砂礫石質(zhì)地分布。

1.3 分析方法

地下水含水層滲透系數(shù)K以及導(dǎo)水系數(shù)T等參數(shù)，基于潛水非完整井地下水抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用裘布衣承壓完整井、潛水非完整井出流算式分析[11]：

含水層厚度H算式：

(1)

因?yàn)橛绊懓霃絉為對數(shù)值，所以也可通過2次抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按下式計算：

(2)

式中：Q非1、Q非2分別為第1、2次抽水流量，m3/h；S1、S2分別為第1、2次抽水的水位降深，m。

供水半徑R，按下式計算：

(3)

R=10[1.364 K (2H-S0) S0]/(Q非+lg r0)

(4)

式中：當(dāng)有1個抽水井觀測孔時，如果抽水大小水位降深Si的比值，小于觀測孔內(nèi)水位降深(削減)值ti的比值時，則按下式：

(5)

R=10∣(S lg ri-S lg r0) /S-ti∣

(6)

地下含水層滲透系數(shù)K，按下式：

(7)

式中：當(dāng)有抽水井和1個觀測井資料時，按下式：

(8)

地下單位寬度含水層的水流通過能力，導(dǎo)水系數(shù)T，按下式：

T=KH (m/d·m)

(9)

式中：Q完為潛水完整井出水流量，m3/h；K為地下含水層滲透系數(shù)，m/h；H為含水層厚度或供水邊界定水頭高度，m；h0為井內(nèi)水位初始高度，m；S0為抽水井內(nèi)初始水位降深，m；R為井供水半徑(影響半徑)，m；r0為井管半徑，m。

2 結(jié)果與分析

2.1 水文地質(zhì)參數(shù)

由多次抽水試驗(yàn)監(jiān)測水位降深(Q～S0)關(guān)系看出，抽水流量與水位降深整體呈現(xiàn)線性關(guān)系，表明抽水觀測井水流通過附近存在三維流現(xiàn)象，但形成紊流區(qū)對水流影響不明顯，因此，采用裘布衣潛水非完整井出流模型參數(shù)分析，無需Q～S0曲線關(guān)系線性轉(zhuǎn)換。抽水試驗(yàn)井深15 m井管徑0.219 m過濾管長6 m，先后6次同步抽水試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)，按式(1)～(7)分析結(jié)果可知，高崖子河段測地下水含水層厚度H為7.6～16.5 m，平均11.0 m；供水半徑R為9.2 m；滲透系數(shù)K為2.7～32.2 m/d，平均18.9 m/d；導(dǎo)水系數(shù)T為31.6～299.1 m/d，平均201.5 m/d。阿克蘇河段含水層厚度H為5.6～15.1 m，平均10.2 m；供水半徑R為9.2 m；滲透系數(shù)K為5.6～79.3 m/d，平均20.9 m/d；導(dǎo)水系數(shù)T為33.3～470.6 m/d，平均202.2 m/d。分析結(jié)果表明，測井區(qū)位不同但供水半徑R基本一致，含水層厚度H變幅與井中水深動態(tài)相對應(yīng)，抽水試驗(yàn)出流過程對滲透系數(shù)K和導(dǎo)水系數(shù)T影響波動較大，監(jiān)測區(qū)地下含水層水流滲透速率較高與達(dá)坂城河流多戈壁砂礫地質(zhì)相吻合。

2.2 井水出流分析

基于抽水試驗(yàn)水文地質(zhì)參數(shù)變化范圍，結(jié)合地下水井灌區(qū)提水工程實(shí)踐，綜合考慮地下水含水層厚度H、抽水供水(影響)半徑R、含水層滲透系數(shù)K，以及抽水井內(nèi)水位降深S0、井管半徑r0因素，以裘布衣潛水完整井和承壓水井出流模型，計算得達(dá)坂城地下水文地質(zhì)參數(shù)與單井出流量如表1所示，可以看出，單井出流量隨影響因素增加而增長情形時，表現(xiàn)為地下水含水層厚度H、含水層滲透系數(shù)K、水位降深S0和供水井管D四個因素，對出流影響大小順序?yàn)镾0>K>H>D，其中隨著井管D的增加井水出流增長僅0.6%～2.0%，井管D增加井水出流量表現(xiàn)平緩。單井出流量隨著供水半徑R增加時反而出現(xiàn)負(fù)增長。為尋求水井出流適宜地質(zhì)參數(shù)，以供水井地下水含水層厚度H、含水層滲透系數(shù)K、供水半徑R、水位降深S0和井管半徑r0作為5個影響因素，每個因素設(shè)置4個水平如表2所示，由采用正交試驗(yàn)[12-13]選用正交表L16(45)設(shè)計分析結(jié)果(圖1)看出，在地下水含水層厚度15～63 m范圍內(nèi)，單井出流量由133 m3/h逐步增至267 m3/h，含水層厚度在63 m時最大，由此，井提水適宜含水層厚度45～60 m之間。井水位降深1～5m范圍，單井出流量先增后降，在水位降深5～20 m范圍，單井出流量開始明顯增加，但在水位降深12 m時出現(xiàn)增長趨緩，由此，井提水含水層水位降深適宜在10～12 m。在常用的井水管徑325～550 mm系列中，單井出流全程出于負(fù)增長狀態(tài)，表明井管增加并非提水量增加，出水量主要與井管過濾長度有關(guān)。由此，適宜井水管直徑宜小于或等于325 mm。在地下水含水層滲透系數(shù)10～52 m/d范圍，單井出流呈現(xiàn)明顯線性增加，但在地下水含水層滲透系數(shù)38 m/d時增長趨緩，由此，井提水適宜滲透系數(shù)35～50 m之間。在供水半徑100～1 900 m范圍，單井出流呈現(xiàn)明顯負(fù)增長，因此，井提水適宜供水半徑應(yīng)小于100 m。

表1 達(dá)坂城地下水文地質(zhì)參數(shù)與單井出流量

表2 井水地質(zhì)參數(shù)試驗(yàn)因素與水平設(shè)計

圖1 不同地質(zhì)因素與單井出流關(guān)系

4 結(jié)語

綜合達(dá)坂城地下水水文地質(zhì)參數(shù)與單井出流量分析表明，達(dá)坂城地下水滲透系數(shù)及含水層厚等主要地質(zhì)參數(shù)處于較好水平狀態(tài)，即便是在抽水參數(shù)處于初始條件也可獲得單井出流174 m3/h效果，地下水出水能力處于良好狀態(tài)。