傳統(tǒng)公式法和Aquifer Test計算水文地質(zhì)參數(shù)的對比分析

任改娟，楊立順，回廣榮，師沙沙

(河北省地礦局秦皇島礦產(chǎn)水文工程地質(zhì)大隊，河北 秦皇島066001)

抽水試驗是通過水文地質(zhì)鉆孔或水井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。其主要目的之一是確定含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，如滲透系數(shù)(K)、導水系數(shù)(T)、給水度(μ)、貯水系數(shù)或釋水系數(shù)(μ*)等，參數(shù)的計算精度直接關系到地下水資源評價的精度和對區(qū)域水文地質(zhì)條件的認識以及地下水數(shù)值模擬及預報等工作的可靠程度。穩(wěn)定流抽水試驗一般采用公式法求參，非穩(wěn)定流抽水試驗采用傳統(tǒng)的配線法［1］、直線圖解法求參等，但這些傳統(tǒng)方法人工計算同一井孔抽水試驗參數(shù)時會因人為誤差而得到不同結(jié)果［2，3］，進而直接影響地下水資源的評價結(jié)果。近年來隨著計算機技術在含水層參數(shù)計算中的廣泛應用［4－7］，利用 Excel模板計算滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)變得方便快捷，但是精確與否無法直觀判斷。為此，本文以秦皇島某水源地鉆孔抽水試驗為例，對比分析應用經(jīng)驗公式法和AquiferTest軟件的Theis、Cooper－Jacob理論分析方法，發(fā)現(xiàn)AquiferTest軟件對抽水試驗參數(shù)計算的優(yōu)越性。

1 抽水試驗概況

1.1 區(qū)域水文地質(zhì)條件

水源地位于河北省撫寧縣境內(nèi)，處于燕山山脈的東部，瀕臨渤海，以丘陵地貌為主，主要山脊近南北走向。地勢北高南低，西高東低，最高海拔780 m，但一般海拔低于400 m。研究區(qū)分布著第四系孔隙潛水和寒武、奧陶系地層中碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。本次鉆孔揭露含水層底板埋深295.2 m，含水層由奧陶系馬家溝組和亮甲山組灰?guī)r組成。碳酸鹽巖上覆第四系松散巖類砂卵石層，孔隙水和巖溶水水力聯(lián)系密切，大氣降水是唯一的補給來源。在12.3 m處采用水泥灌漿阻止孔隙水和巖溶水之間的水力聯(lián)系，因而，本次討論的是承壓水含水層的水文地質(zhì)參數(shù)計算方法。

1.2 抽水試驗資料

該抽水試驗在碳酸鹽巖裂隙溶洞水含水層中進行帶觀測孔的穩(wěn)定流抽水試驗。抽水鉆孔編號zk3，井深295.2 m，井徑0.11 m，靜止水位埋深11.45 m，流量比較穩(wěn)定，為 1 650.8 m3/d;觀測孔編號 zk2，井深 295.4 m，井徑 0.11 m，靜止水位埋深12.22 m，距離抽水孔45 m。根據(jù)現(xiàn)場水文地質(zhì)鉆探編錄資料，承壓水含水層厚度為73.6 m，抽水觀測總延續(xù)時間4 650 min。抽水時，zk2觀測孔的觀測數(shù)據(jù)見表1。

2 公式法計算參數(shù)

傳統(tǒng)抽水試驗方法中，在計算含水層參數(shù)時可采用穩(wěn)定流方法和非穩(wěn)定流方法。潛水和承壓水的穩(wěn)定井流，采用Dupuit公式及Thiem公式;潛水非穩(wěn)定井流，采用仿Theis公式、Boulton模型、Neuman模型、水位恢復法;承壓水非穩(wěn)定井流，采用Theis配線法、Jacob直線圖解法、拐點法、水位恢復法［1］。實際工作中，多為單井穩(wěn)定流抽水試驗，一般采用Dupuit及Thiem公式進行計算。

2.1 計算公式

潛水完整井穩(wěn)定流抽水計算公式:

承壓水完整井穩(wěn)定流抽水計算公式:

承壓水完整井帶一個觀測孔穩(wěn)定流抽水計算公式:

式中:K為含水層滲透系數(shù)，m/d;Q為抽水試驗流量，m3/d;R為影響半徑，m;rW為抽水井半徑，m;r1為觀測井至抽水井中心的距離，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;M為承壓水含水層厚度，m。

2.2 計算結(jié)果

本次研究采用承壓水完整井帶一個觀測孔的穩(wěn)定流抽水試驗公式進行計算。將抽水試驗數(shù)據(jù)代入上面的承壓水完整井帶一個觀測孔穩(wěn)定流抽水計算公式，經(jīng)計算得出含水層 滲透系數(shù)K平均為2.63 m/d。

表1 承壓含水層抽水試驗資料

3 AquiferTest計算參數(shù)

3.1 AquiferTest軟件簡介

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。

AquiferTest求解水文地質(zhì)參數(shù)過程中，可以對抽水試驗數(shù)據(jù)進行甄別，通過專業(yè)分析，刪除錯誤數(shù)據(jù)點，還可以通過鍵盤上、下、左、右方向鍵對曲線進行旋轉(zhuǎn)、變換，使實測點盡可能與理論曲線擬合，從而達到對參數(shù)的最優(yōu)控制。

3.2 AquiferTest軟件計算方法

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件，本次研究利用AquiferTest軟件，采用 Theis、Cooper－Jacob Time－Drawdown理論分析方法對承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)進行求解。

3.2.1 配線法

配線法是通過實測試驗曲線與理論曲線對比確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)的方法，也稱為標準曲線對比法。配線法在軟件中可根據(jù)專業(yè)判斷力來調(diào)整曲線圖以實現(xiàn)自動和手工的最佳擬合效果。隨著理論曲線的移動，所求的水文地質(zhì)參數(shù)的結(jié)果也會隨之更新，AquiferTest軟件參數(shù)計算結(jié)果為:T=385 m2/d;K=2.91 m/d;μ*=0.000 374。擬合結(jié)果見圖1。

3.2.2 直線圖解法

直線圖解法是當非穩(wěn)定流抽水觀測井滿足u≤0.01時，利用承壓完整井抽水時的水位降深與時間呈線性關系來求解參數(shù)的方法。本試驗中t必須大于70 min才滿足直線圖解法條件，選擇Cooper－Jacob Time－Drawdown進行庫珀 －雅各布直線圖解法的理論分析，通過時間限制的設置，AquiferTest軟件參數(shù)計算結(jié)果為:T=387 m2/d;K=2.92 m/d;μ*=0.000 371。擬合結(jié)果見圖2。

圖1 Theis分析擬合曲線圖

圖2 Cooper－Jacob分析擬合曲線圖

4 對比分析

由計算結(jié)果可看出，AquiferTest軟件兩種分析方法，即泰斯配線法與雅各布直線圖解法所求滲透系數(shù)K、導水系數(shù)T結(jié)果吻合，傳統(tǒng)公式法與AquiferTest軟件對滲透系數(shù)的計算結(jié)果有一定誤差。原因就在于傳統(tǒng)公式法計算采用的是穩(wěn)定流，對實際的水文地質(zhì)條件認識過于簡單，而實際情況往往很復雜，用穩(wěn)定流公式計算的結(jié)果就有了一定的偏差。而且，傳統(tǒng)公式法可獲取的參數(shù)較少，如滲透系數(shù)和影響半徑，而AquiferTest軟件可以獲得多種參數(shù)，滲透系數(shù)、導水系數(shù)、貯水系數(shù)等，且有可視化圖形作對比，結(jié)果一目了然。因此，在粗略求得水文地質(zhì)參數(shù)時可以采用穩(wěn)定流計算公式，但是在進行地下水資源評價及模擬計算時，水文地質(zhì)參數(shù)的計算最好采用多種方法進行比較分析，從而選取科學、合理的參數(shù)。

表2 傳統(tǒng)公式法和Aquifertest軟件計算結(jié)果對比

對比以往該區(qū)成果報告中采用的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)與AquiferTest軟件計算的結(jié)果基本吻合，說明用AquiferTest軟件計算水文地質(zhì)參數(shù)方法合理可行。

5 結(jié)語

由于對水文地質(zhì)條件認識的差異性，傳統(tǒng)公式法與AquiferTest軟件所計算的參數(shù)有一定誤差。經(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn)利用AquiferTest軟件計算的結(jié)果基本符合實際的水文地質(zhì)條件，可見，AquiferTest軟件計算參數(shù)比傳統(tǒng)公式法更精確，不僅計算過程方便快捷，而且求參過程和結(jié)果形象直觀，對比性強，可以對抽水試驗數(shù)據(jù)進行甄別，通過專業(yè)分析，對曲線進行旋轉(zhuǎn)、變換，使實測點盡可能與理論曲線擬合，最終得到較為準確的參數(shù)。通過實例證明，利用AquiferTest計算水文地質(zhì)參數(shù)操作方便快捷，結(jié)果精確直觀，可在今后生產(chǎn)實踐中推廣應用。

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