混合水水文地質(zhì)參數(shù)分層計(jì)算探究

辛 博

(河北省地礦局第三地質(zhì)大隊(duì) 張家口 075000)

滲透系數(shù)是綜合體現(xiàn)含水層性質(zhì)的重要參數(shù),它能夠反映地下水流動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移的能力,是評(píng)價(jià)地下水資源和推算井出水量,確定合理開(kāi)發(fā)利用程度的重要參數(shù)之一。從達(dá)西公式V=K*I中可以表明滲透系數(shù)的物理意義： 水力坡度(I)、滲透速度(V)及滲透系數(shù)(K)的關(guān)系,它具有速度單位,常用m/d表示。

生產(chǎn)實(shí)踐中常用穩(wěn)定流裘布依公式計(jì)算滲透系數(shù),但不少計(jì)算結(jié)果與《工程地質(zhì)手冊(cè)》中的經(jīng)驗(yàn)值不相符。造成K 值不準(zhǔn)的原因除施工質(zhì)量,如抽水孔壁泥漿未徹底清洗；濾水管外填礫不合規(guī)格等等外,尚有選用計(jì)算公式與抽水試驗(yàn)引起的地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律不符所致,主要表現(xiàn)在不少抽水試驗(yàn)的邊界條件與推導(dǎo)裘布依公式的邊界條件不同。

滲透系數(shù)獲取的主要方式是抽水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)、滲水試驗(yàn)、室內(nèi)滲透測(cè)試、modflow、matlab、曲線擬合法等。盡管以上的試驗(yàn)方法和理論都相對(duì)成熟,但在實(shí)際工作中仍以鉆孔抽水試驗(yàn)為主。已往鉆探工作耗時(shí)耗資,為取得經(jīng)濟(jì)效益與受地層條件限制難以隔離含水層并分層測(cè)試。

本次在針對(duì)潛水—承壓混合水開(kāi)展了抽水試驗(yàn)進(jìn)行求參,基于圖解法原理確定了各層含水層的靜止水位,分層計(jì)算了各含水層的滲透系數(shù)。基于水文孔GY1、GY2、GY3的獨(dú)特性,對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了對(duì)比分析,與數(shù)學(xué)判別模型的嘗試為混合水分層計(jì)算提供了寶貴的參考依據(jù)。

1 現(xiàn)狀分析

混合水為地層中具有多個(gè)含水巖組,成井過(guò)程中未單獨(dú)布置工作手段而綜合利用的水?；旌铣樗笕 值為平均值,即整個(gè)鉆孔實(shí)驗(yàn)段平均值,針對(duì)不同區(qū)域地層所計(jì)算K 值及影響半徑R 值與實(shí)際出入較大、實(shí)際工作中K 值及R 值與實(shí)際不相符的情況,技術(shù)人員一般會(huì)參照《水文工程地質(zhì)手冊(cè)》或《巖土工程地質(zhì)手冊(cè)》的經(jīng)驗(yàn)值作為試驗(yàn)數(shù)值,但經(jīng)驗(yàn)數(shù)值巖土類別取值與實(shí)際地層巖性嚴(yán)重不相符,K 值相差數(shù)十倍之多。地下水類型分為潛水、承壓水,含水介質(zhì)分為孔隙水、裂隙水、巖溶水等組合方式,各類計(jì)算公式近30種(水利水電工程抽水試驗(yàn)規(guī)程SL320-2005)僅有適用條件如承壓水單孔完整井,并未考慮各類含水層主要水文地質(zhì)類型,也未結(jié)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地貌條件與水文地質(zhì)特征,分析不同地貌區(qū)域物質(zhì)堆積特征與構(gòu)造帶破碎規(guī)模和相態(tài)動(dòng)態(tài)特征,從而導(dǎo)致經(jīng)驗(yàn)K 值偏差數(shù)十倍之多。

工作中已往的分層抽水需進(jìn)行單井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),封堵無(wú)效利用段或鉆進(jìn)過(guò)程中多次變徑、分時(shí)段成井,對(duì)施工工藝與地層要求較高、耗時(shí)較長(zhǎng),礫料因重力因素往往在成井1個(gè)月內(nèi)多次沉降,導(dǎo)致封堵層位不準(zhǔn)確。而裘布依公式是在理想狀態(tài)下建立,未考慮三維流、天然水力坡度(傾斜含水層)、頂?shù)装甯羲?、紊流、濾水管位置等因素,從而導(dǎo)致水文參數(shù)產(chǎn)生誤差。

2 試驗(yàn)區(qū)概況

本次試驗(yàn)區(qū)域?yàn)楣猎纯h雙井子村附近,共4個(gè)試驗(yàn)孔,分別為GY1、GY2、GY3、GY4。試驗(yàn)區(qū)屬于中朝準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ1)、內(nèi)蒙古地軸(Ⅱ12),其三級(jí)構(gòu)造單元屬沽源陷斷束,構(gòu)造形跡以斷裂為主,附近的大型斷裂構(gòu)造主要有沽源—張北區(qū)域斷裂,位于試驗(yàn)區(qū)西北。所屬水文地質(zhì)單元為壩上內(nèi)陸河系統(tǒng),地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降水入滲補(bǔ)給,其次是河水入滲補(bǔ)給,由于受地形地貌及水文地質(zhì)條件等因素的制約,區(qū)內(nèi)地下水徑流條件差導(dǎo)致地下水交替作用滯緩,濃縮作用強(qiáng)烈,地下水的排泄主要靠地表蒸發(fā)來(lái)完成。主要含水層為： 中粗砂、礫石、氣孔狀玄武巖、礫巖,隔水層為粘土。

GY1孔地下水類型為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙承壓水、基巖裂隙孔洞水(氣孔狀玄武巖),該井同時(shí)揭穿五個(gè)含水巖組。其中,0～30 m 以細(xì)砂粗砂為主,巖組中含泥量較少、透水性較好,為第一含水巖組,屬潛水層；30～50 m 為粘土夾細(xì)沙互層,河流沖洪積相,為第二含水巖組,屬潛水層；120～154m 為礫石夾細(xì)砂,礫石磨圓度較好為第三含水巖組,屬承壓水層；154～160m 為氣孔狀玄武巖,氣孔結(jié)構(gòu)松散,孔洞內(nèi)水流痕跡明顯,為第四含水巖組,屬承壓水層；243～277.65m 為黃褐色角礫巖,伴隨少許泥質(zhì)膠結(jié)為風(fēng)化殼基巖裂隙水,為第五含水巖組,屬承壓水層。各含水巖組有微弱水力聯(lián)系,利用天然有效隔水層對(duì)124m 以淺進(jìn)行止水,僅利用三、四、五含水巖組。

GY2位于GY1井南側(cè)500 m 處,垂直地下水主流向,地層與GY1基本一致,成井后發(fā)現(xiàn)各個(gè)含水巖組有水力聯(lián)系,不具承壓性,水位與附近民井水位相近,分析原因是止水過(guò)程中下料過(guò)快導(dǎo)致未有效止水,地下水為多層混合水。

GY3位于GY1東側(cè)500 m 處,經(jīng)物探用電阻率垂向電測(cè)深方法與鉆探驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)一不明性質(zhì)斷層,無(wú)基巖脈狀水賦存。0～150m 基本與GY1地層相同；150～200m 為紅色至淺綠色粘土層為火山灰堆積物,現(xiàn)為有效隔水層；200～275 m 為致密玄武巖體,終孔深度275 m；0～130 m 粘土球封孔止水,含水層有效利用段僅為130～150m 砂礫石層。

為對(duì)GY1、GY2、GY3孔出水量與基礎(chǔ)水文參數(shù)計(jì)算,而進(jìn)行單次最大降深抽水試驗(yàn),抽水前觀測(cè)GY1、GY2、GY3試驗(yàn)孔靜水位分別為9.11m、3.22 m、8.74m(圖1)。

圖1 試驗(yàn)區(qū)高程數(shù)字模型

3 抽水試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算

3.1 單孔抽水試驗(yàn)

分別對(duì)GY1、GY2、GY3進(jìn)行單次大降深抽水試驗(yàn),概略求得含水層如下參數(shù)。

(1)GY1井為完整井承壓水類型,濾水管長(zhǎng)度等于有效含水層長(zhǎng)度,計(jì)算公式為：

其中,k—滲透系數(shù)(m/d)；

Q—抽水井涌水量(m3/d)；

m—含水層厚度(m)；

S—抽水井水位下降值(m)；

R—影響半徑(m)；

r—抽水井半徑(m)。

計(jì)算結(jié)果為K=1.1(m/d)III+IV+V 含水巖組,參照水文工程地質(zhì)手冊(cè)中各巖層經(jīng)驗(yàn)值,數(shù)值嚴(yán)重偏小。

(2)GY2井為完整井承壓水類型,濾水管長(zhǎng)度等于有效含水層長(zhǎng)度,計(jì)算公式同①,計(jì)算結(jié)果K=1.5(m/d)I+II+III+IV+V 含水巖組。

(3)GY3井為完整井承壓水類型,濾水管長(zhǎng)度等于有效含水層長(zhǎng)度,計(jì)算公式同①,計(jì)算結(jié)果K=1.4(m/d)III含水巖組。

3.2 多孔抽水試驗(yàn)

利用水文孔GY1、GY2進(jìn)行觀測(cè)孔抽水試驗(yàn),較為準(zhǔn)確的求得水文地質(zhì)參數(shù)和含水層不同方向滲透性及邊界條件。

(1)GY2抽水,GY1作為觀測(cè)孔概化為無(wú)越流承壓完整井,采用穩(wěn)定流半對(duì)數(shù)圖解法計(jì)算,計(jì)算公式為：

其中,R—影響半徑(m)；

S—抽水孔降深(m)；

S1—觀測(cè)孔降深(m)；

r—利用段鉆孔半徑(m)；

r1—觀測(cè)孔至抽水孔中心距離(m)。

計(jì)算結(jié)果為K=1.35(m/d)I+II+III+IV+V含水巖組。

(2)GY3抽水,GY1、GY2分別作為觀測(cè)孔概化為無(wú)越流承壓完整井,采用穩(wěn)定流半對(duì)數(shù)圖解法計(jì)算影響半徑,計(jì)算后K值取值1.2(m/d)III含水巖組。

4 分層計(jì)算探究

4.1 補(bǔ)排均衡水位分層法

當(dāng)多個(gè)含水層被揭穿后,高水位含水層泄水,低水位含水層吸水,其靜止水位等于I含水巖組+II含水巖組+III含水巖組+IV 含水巖組……

當(dāng)水流量達(dá)到穩(wěn)定時(shí),高水位含水層的泄水量與低水位含水層的吸水量相等,及進(jìn)行混合抽水試驗(yàn)時(shí),鉆孔總涌水量等于各含水層涌水量之和。

依據(jù)鉆孔天然地層屬性,在有兩個(gè)含水層的情況下,只需要對(duì)上一層進(jìn)行單獨(dú)抽水試驗(yàn),再對(duì)兩個(gè)含水層進(jìn)行混合抽水試驗(yàn)即可根據(jù)圖解法求出下一含水層水位(圖2)。

將GY1概化為III+IV(V 泥質(zhì)膠結(jié)可忽略),GY3概化為III,III+IV 靜水位=9.11m,III靜水位12m,靜水位差值為混合水注入補(bǔ)給流量。根據(jù)抽水試驗(yàn)流量與降深數(shù)據(jù)分別繪制Q-s曲線于同一底圖,與標(biāo)準(zhǔn)曲線平移配比,此交點(diǎn)為IV 靜止水位。已知下部靜水位高于上部靜水位,因此在此混合達(dá)到平衡時(shí)IV 排泄地下水III吸收地下水,Q-s曲線交點(diǎn)處造平行線與分別靜水位與混合水位平行,即當(dāng)混合抽水時(shí)平均靜水位III+IV(9.11m)下降至III(12 m)時(shí),Q 為IV 靜水位-III靜水位體積,即圖解流量,利用裘布依公式反算K值等于1.2 m/d,與經(jīng)驗(yàn)值相差不大(圖3)。

圖2 水位分層示意圖

圖3 圖解法示意圖

4.2 數(shù)學(xué)判別函數(shù)法

K值不適用范圍： 基巖脈狀水、巖溶區(qū)地下水。

滲透系數(shù)K是綜合反映巖土體滲透能力的一個(gè)指標(biāo),主要受孔隙度、裂隙度、自重、粘滯性所影響,影響因素眾多。根據(jù)分析羅列出各種影響到K值變化的關(guān)鍵因素,根據(jù)各個(gè)因素影響程度的大小確定權(quán)數(shù),再按K值對(duì)各關(guān)鍵因素的有效反應(yīng)程度對(duì)各關(guān)鍵因素進(jìn)行評(píng)分,最后算出K值的總加權(quán)分?jǐn)?shù)。

數(shù)學(xué)判別函數(shù)法只是一個(gè)初步構(gòu)想,需多次試驗(yàn)與矯正,數(shù)據(jù)賦值量化仍需一段過(guò)程,在此不做賦值打分與試驗(yàn)數(shù)據(jù)做比較。

5 滲透系數(shù)驗(yàn)證

5.1 經(jīng)驗(yàn)值驗(yàn)證

運(yùn)用補(bǔ)排均衡水位分層法計(jì)算得IV 含水層K值滲透系數(shù)為1.2m/d符合經(jīng)驗(yàn)值,但氣孔狀玄武巖經(jīng)驗(yàn)值取值范圍差異較大,不具代表性。

5.2 水位恢復(fù)法計(jì)算K 值

在區(qū)域附近找尋相關(guān)IV 綜合水文地層柱狀圖,運(yùn)用水位恢復(fù)法來(lái)計(jì)算K值。在瞬時(shí)由定流量Q1變化為Q2,在觀測(cè)孔中會(huì)有不同的水位變化,根據(jù)水位變化求取不同試驗(yàn)段K值。

其中,t—停抽前抽水的總時(shí)間；

tβ—從停止開(kāi)始到測(cè)定觀測(cè)孔水位恢復(fù)時(shí)間；

r1—觀測(cè)孔至抽水孔距離；

S1—觀測(cè)孔中之水位降低值(從抽水開(kāi)始算起)；

求得K值1.5m/d。

5.3 擬合曲線法

利用多孔抽水試驗(yàn)中觀測(cè)孔降深歷時(shí)數(shù)據(jù),采用利用非穩(wěn)定理論,應(yīng)用泰斯公式的簡(jiǎn)化式,即雅柯布方程,計(jì)算導(dǎo)水系數(shù)和壓力傳導(dǎo)系數(shù)值,計(jì)算方程如下。

S=Q/4πT·lg(2.25at/r2)

μ* =T/a

其中,S—觀測(cè)井水位降深(m)；

Q—抽水井穩(wěn)定出水量(m3/d)；

T—導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)；

a—壓力傳導(dǎo)系數(shù)(m2/d)；

t—抽水延續(xù)時(shí)間(d)；

r—觀測(cè)孔距開(kāi)采井的距離(m)；

μ*—熱儲(chǔ)層彈性釋水系數(shù),無(wú)量綱。

相關(guān)系數(shù)0.997,決定系數(shù)0.995曲線擬合完好,由雅柯布公式求得導(dǎo)水系數(shù)T,除以相對(duì)應(yīng)含水層厚度,K為值1.3m/d(圖4)。

圖4 擬合曲線示意圖

6 結(jié)論與討論

本次利用沽源已有抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù),綜合分析驗(yàn)證提出混合水各層位靜水位埋深原理；提出數(shù)學(xué)判別函數(shù)模型設(shè)想,經(jīng)驗(yàn)證對(duì)比具有一定可行性。在針對(duì)現(xiàn)狀條件下混合水與復(fù)雜水文地質(zhì)條件下難以求取準(zhǔn)確參數(shù)的條件下,提供了技術(shù)支持與理論依據(jù),排除了受鉆探工藝、洗井工藝、抽水試驗(yàn)設(shè)計(jì)、人為因素、計(jì)算誤差的影響因素且無(wú)局限性,為解決無(wú)分層止水求分層參數(shù)的重要水文地質(zhì)問(wèn)題提供了重要的指導(dǎo)與參考依據(jù)。

此外,K值影響因素眾多,此次只羅列重要幾項(xiàng)內(nèi)外影響因素且量化評(píng)分影響權(quán)重未明確說(shuō)明,需做專項(xiàng)分析研究。表格數(shù)據(jù)權(quán)重需認(rèn)真核實(shí)方可有效利用,更需結(jié)合野外試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)多次對(duì)比從而才能獲得準(zhǔn)確數(shù)值。