典型隔水邊界非穩(wěn)定流承壓含水層抽水試驗(yàn)研究

鄭玉萍，于 強(qiáng)，解大可，韓 曄，徐 鳴，韋勁松

(1.天津市控制地面沉降工作辦公室，天津300061;2.山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南250013)

含隔水邊界的半無(wú)限含水層水資源量計(jì)算是具有理論和現(xiàn)實(shí)意義的一個(gè)地下水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。實(shí)際工作中找到一個(gè)典型的具有嚴(yán)格隔水邊界的地段并非易事。

以一組典型隔水邊界附近的抽水試驗(yàn)為例，闡述半無(wú)限含水層隔水邊界附近的水文地質(zhì)參數(shù)求取過(guò)程，并對(duì)求參過(guò)程及結(jié)果做詳盡的論述，力求為今后相關(guān)工作起到一定的參考意義。

1 水文地質(zhì)概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于山東省高密市柴溝鎮(zhèn)小于家莊，屬丘陵地貌。根據(jù)鉆探成果，0～1.4m為第四系黃褐色粘土;1.4～11.4m為中生代止鳳莊組土黃色砂巖;11.4～67m為止鳳莊組潛流紋巖，紫灰色，斑狀構(gòu)造，斑晶為石英、斜長(zhǎng)石，夾少量黑云母，巖心破碎。

2 試驗(yàn)開(kāi)展情況簡(jiǎn)介

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地及試驗(yàn)井概況

本文涉及抽水試驗(yàn)場(chǎng)地位于高密市柴溝鎮(zhèn)小于家莊村(圖1)，地處高密南部低山丘陵地帶。抽水試驗(yàn)選擇在2009年1月份進(jìn)行，地下水開(kāi)采量有限，不受農(nóng)灌及雨季等因素的影響，能夠確保求取的水文地質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確性。

表1 主井及觀測(cè)孔基本情況一覽表

試驗(yàn)涉及井孔(表1):抽水井GC4，為項(xiàng)目施工井，井深67m，取水段11.4～67m，靜水位埋深2.485m;觀測(cè)孔GC4－1，農(nóng)戶家日常用水井，井深40m，取水段3～40m，靜水位埋深2.02m;觀測(cè)孔 GC4－2，村莊引用大口井，井深13m，靜水位埋深1.930m。

圖1 抽水試驗(yàn)場(chǎng)地示意圖

2.2 試驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程

2.2.1 天然流場(chǎng)觀測(cè)

為了解地下水天然流場(chǎng)的變化情況，估算其對(duì)抽水試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，在正式抽水試驗(yàn)之前進(jìn)行了天然流場(chǎng)觀測(cè)。由于冬季地下水短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)給量及開(kāi)采量較小，天然流暢變動(dòng)很小，24小時(shí)水位變化在5 cm范圍以內(nèi)，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)影響范圍在5 cm以內(nèi)。

2.2.2 持續(xù)抽水觀測(cè)

抽水采用水泵為QJ10－60型潛水泵，配套功率3 Kw，揚(yáng)程60m，三相四線交流電作為動(dòng)力。抽水共持續(xù)13 h。各井點(diǎn)同步觀測(cè)。在抽水開(kāi)始的前2 h內(nèi)對(duì)各井水位按照《供水水文地質(zhì)勘查規(guī)范》進(jìn)行加密觀測(cè);2 h后則每半小時(shí)觀測(cè)一次。

2.2.3 水位恢復(fù)觀測(cè)

在持續(xù)抽水結(jié)束時(shí)同時(shí)開(kāi)始水位恢復(fù)觀測(cè)。對(duì)各井點(diǎn)在停抽2 h以內(nèi)按照《規(guī)范》

進(jìn)行加密觀測(cè)，之后每半小時(shí)測(cè)量一次水位。共進(jìn)行觀測(cè)20 h，直至水位基本恢復(fù)至抽水前的狀態(tài)。

3 參數(shù)求取

根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，水泵流量基本穩(wěn)定于30m3/h，計(jì)算時(shí)取Q=30m3/h進(jìn)行計(jì)算。

3.1 模型簡(jiǎn)介

根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地水文地質(zhì)概況，參照《地下水動(dòng)力學(xué)》(薛禹群，地質(zhì)出版社，1997年9月第二版)，該實(shí)驗(yàn)水文地質(zhì)參數(shù)應(yīng)套用隔水邊界附近的承壓非穩(wěn)定井流模型進(jìn)行計(jì)算。

圖2 試驗(yàn)場(chǎng)地剖面圖

圖3 直線隔水邊界附近的井孔概化模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，在抽水主井及GC4－1觀測(cè)孔連線的垂直方向，距GC4－1觀測(cè)孔8m處有一條東西向展布的隔水邊界(圖2，巖性接觸部位)，因此應(yīng)當(dāng)在抽水主井GC4關(guān)于隔水邊界的鏡像位置虛擬一眼相同的抽水井(圖3)。各井水位降深是兩抽水井共同作用的結(jié)果。

根據(jù)《地下水動(dòng)力學(xué)》(薛禹群，地質(zhì)出版社，1997年9月第二版)，為將有界井流問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)界井流問(wèn)題，需采用鏡像法進(jìn)行參數(shù)求取。本次抽水試驗(yàn)利用承壓非穩(wěn)定流模型求取水文地質(zhì)參數(shù)(導(dǎo)水系數(shù)T及貯水系數(shù)μ*)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量(圖3)，可知抽水井GC4與觀測(cè)孔GC4－1距離r1=r=26.6m，抽水井GC4與隔水邊界距離a=34.6m，鏡像抽水井與觀測(cè)孔GC4－1距離r2=2a－r=42.6m。

3.2 參數(shù)求取

參數(shù)求取按照隔水邊界附近的抽水試驗(yàn)參數(shù)求取方法進(jìn)行。

3.2.1 利用lgS～lgt配線法求取水文地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，求得u2/u1=2.5648。依據(jù) W(u)數(shù)值表，以及W(u)～1/u標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算1/u1數(shù)值并查得對(duì)應(yīng)u1所對(duì)應(yīng)的W(u1)值。再根據(jù)u2/u1比值計(jì)算u2值，根據(jù)W(u)～1/u標(biāo)準(zhǔn)曲線查得W(u2)并計(jì)算W(u1)+W(u2)的值(表2)。

表2 GC4－1標(biāo)準(zhǔn)曲線引用數(shù)值表

之后繪制縱軸為W(u1)+W(u2)，橫軸為1/u1的雙對(duì)數(shù)曲線，則得到適合觀測(cè)孔GC4－1的W(u)～1/u標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖 4)。

圖4 GC4－1觀測(cè)孔W(u)～1/u標(biāo)準(zhǔn)曲線

在透明雙對(duì)數(shù)紙上繪制出GC4－1的S～t實(shí)際資料曲線，將此曲線重疊在W(u)～1/u標(biāo)準(zhǔn)曲線上，在保持坐標(biāo)軸彼此平行的條件下，使實(shí)測(cè)曲線和標(biāo)準(zhǔn)曲線盡量擬合。擬合之后，任選一匹配點(diǎn)A，取坐標(biāo)值:

t=6min，s=0.418m，1/u=1.6667，W(u)=0.5544，代入Theis公式:

式中:Q為抽水流量;S為降深;W(u)，1/u為選取點(diǎn)對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)曲線值;r為距離抽水主井距離;t為抽水延續(xù)時(shí)間;T為導(dǎo)水系數(shù);μ*為貯水系數(shù)。

最終求得各觀測(cè)孔參數(shù)值:

T=76.03m2/d，μ* =1.07 ×10－3

3.2.2 利用S～lgt直線圖解法求取水文地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)關(guān)于隔水邊界附近的S～lgt曲線形態(tài)的闡述，曲線應(yīng)當(dāng)在抽水初期與后期分別出現(xiàn)近似直線段。前期的斜率是后期斜率的一半。

對(duì)抽水井GC4及GC4－1觀測(cè)井的前期與后期直線段分別求取參數(shù)，求取公式及結(jié)果如表3:

表3 GC4抽水試驗(yàn)參數(shù)求取成果表

經(jīng)驗(yàn)證，各觀測(cè)孔所求參數(shù)均滿足公式所要求的直線法近似條件，求取數(shù)據(jù)有效。

4 對(duì)于參數(shù)的討論

4.1 關(guān)于主井與觀測(cè)孔求取參數(shù)差異的問(wèn)題

在抽水試驗(yàn)參數(shù)求取過(guò)程中，往往遇到距離抽水主井越遠(yuǎn)，則求得的導(dǎo)水系數(shù)T值越大的情況。這顯然是與實(shí)際情況不符的。筆者在《多孔非穩(wěn)定流承壓含水層抽水試驗(yàn)研究》(刊登于《山東水利》2010年03期)中曾對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行過(guò)詳盡的討論并給出了結(jié)論及解決方案。該現(xiàn)象的出現(xiàn)是配線時(shí)人為誤差的具體體現(xiàn)。距離抽水主井最近的觀測(cè)孔，其求取結(jié)果往往是最為接近真實(shí)值的。因此，本次試驗(yàn)參數(shù)求取，應(yīng)以GC4－1觀測(cè)孔數(shù)據(jù)求取的T及μ*最為準(zhǔn)確。

4.2 關(guān)于GC4－2觀測(cè)孔的數(shù)據(jù)問(wèn)題

根據(jù)實(shí)地勘測(cè)，GC4－2位于隔水邊界北側(cè)(圖3)。根據(jù)GC4鉆孔資料，隔水邊界南側(cè)1.4～11.4m為土黃色砂巖，致密，是較強(qiáng)的隔水層;而在隔水邊界北側(cè)砂巖厚度迅速增大，由于GC4－2井深13m，因此并未揭穿砂巖層位，GC4－2與本次抽水試驗(yàn)的目的層不屬統(tǒng)一含水層組。

由繪制的GC4－2孔水位埋深隨抽水延續(xù)時(shí)間變化曲線(圖5)可以看出，抽水開(kāi)始后，該井孔水位基本未受影響，埋深最大值2.21m，最小值2.132m，變幅0.078m。完全在地下水天然變動(dòng)范圍內(nèi)。該數(shù)據(jù)也再次印證了推測(cè)隔水邊界的正確性。抽水主井GC4與GC4－1觀測(cè)孔所處含水層為理想的承壓含水層。

圖5 GC4－2觀測(cè)孔水位埋深隨抽水延續(xù)時(shí)間變化曲線

5 結(jié)論

(1)本文討論的水文地質(zhì)參數(shù)求取對(duì)象是比較嚴(yán)格的隔水邊界附近的承壓地下水問(wèn)題，宜采用鏡像法對(duì)參數(shù)進(jìn)行求取。

(2)含隔水邊界的辦無(wú)限承壓含水層與無(wú)限含水層一樣，在以配線法求取參數(shù)中會(huì)產(chǎn)生求得的倒數(shù)系數(shù)T隨距離抽水主井的距離越遠(yuǎn)而越大的問(wèn)題。距離抽水主井最近的觀測(cè)孔其T值最接近真實(shí)值。

(3)在確定是否采用半無(wú)限含水層模型進(jìn)行參數(shù)計(jì)算前，應(yīng)有針對(duì)性地布設(shè)可證明邊界隔水性的水井予以觀測(cè)，保證求參模型的選取無(wú)誤。

[1]薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué).地質(zhì)出版社.1997.第二版.

[2]陳崇希.地下水動(dòng)力學(xué).中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社.1999.第一版.

[3]韓曄.多孔非穩(wěn)定流承壓含水層抽水試驗(yàn)研究.山東水利.2010.03.