基于Neuman井流理論確定玄武巖潛水含水層滲透系數(shù)的應(yīng)用——以吉林靖宇煤礦為例

段乃金，陳剛，候海巔，徐健

(1.中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東 濟(jì)南 250013；2.平陰縣國土資源局，山東 平陰 250400)

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基于Neuman井流理論確定玄武巖潛水含水層滲透系數(shù)的應(yīng)用
——以吉林靖宇煤礦為例

段乃金1，陳剛1，候海巔2，徐健2

(1.中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東 濟(jì)南 250013；2.平陰縣國土資源局，山東 平陰 250400)

全面分析研究區(qū)玄武巖潛水含水層水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對穩(wěn)定流和非穩(wěn)定理論確定潛水含水層滲透系數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比，認(rèn)為非穩(wěn)定井流公式確定玄武巖潛水含水層滲透系數(shù)是合理的。Aquifer Test軟件基于Neuman井流理論配線法求參原理，運(yùn)用計算機(jī)完成了自動求參，避免了人工配線的不足。該文根據(jù)吉林靖宇煤礦研究區(qū)玄武巖潛水含水層非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，分別用Aquifer Test軟件和穩(wěn)定井流公式進(jìn)行了求參，并對比分析得出：玄武巖含水層彈性釋水作用影響時間較長，利用Neuman潛水井流公式求參可靠，且更逼近現(xiàn)實(shí)；用Aquifer Test軟件實(shí)現(xiàn)了自動求參，具有操作簡單規(guī)范、可比性好的優(yōu)點(diǎn)。

玄武巖潛水含水層；滲透系數(shù)；Neuman配線法；Aquifer Test軟件；靖宇煤礦；吉林

0 引言

長期以來，以玄武巖含水層為主要充水因素的礦山，開采過程中經(jīng)常發(fā)生潰水現(xiàn)象，究其原因，很重要的一個因素是根據(jù)抽水試驗(yàn)資料所確定的滲透系數(shù)與含水層實(shí)際情況差異較大所致。根據(jù)抽水試驗(yàn)資料確定的潛水含水層水文地質(zhì)參數(shù)，前人已經(jīng)做了大量工作[1-2]，目前，生產(chǎn)實(shí)踐中多是根據(jù)穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)公式來確定水文地質(zhì)參數(shù)。穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)理論利用時間較早，且計算方法簡便，但其不能反映不斷發(fā)展、變化的地下水實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)，只能利用足夠長的抽水時間以達(dá)到相對穩(wěn)定，具有一定的局限性，造成動力、人員不足，耗費(fèi)較大等問題。

非穩(wěn)定抽水試驗(yàn)理論現(xiàn)有解析公式雖不能包含潛水運(yùn)動的所有特點(diǎn)，但是其已盡可能地逼近地下水實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)。結(jié)合玄武巖潛水含水層滲透性各向異性的特點(diǎn)，該文以潛水流速垂直分量和彈性釋水的Neuman井流模型為基礎(chǔ)，利用Aquifer Test軟件，通過計算機(jī)求參，簡化了過程、提高了效率，實(shí)現(xiàn)了確定玄武巖潛水含水層滲透系數(shù)的自動化。

1 Neuman井流模型理論

1.1 假設(shè)條件

①含水層為均質(zhì)各向異性，坐標(biāo)軸選擇要和主滲透方向一致，含水層側(cè)向無限延伸，隔水層水平；②初始自由水面為水平；③水流服從達(dá)西定律；④完整井，定流量抽水；⑥抽水期間自由面上沒有入滲補(bǔ)給和蒸發(fā)，潛水面降深和含水層厚度相比小得多。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線法確定水文地質(zhì)參數(shù)原理

基于Neuman井流模型確定滲透系數(shù)的方法有標(biāo)準(zhǔn)曲線配比法和直線圖解法，標(biāo)準(zhǔn)曲線配比法能夠利用抽水試驗(yàn)所有的數(shù)據(jù)且能夠直觀反映水位降低的3個階段，可比性強(qiáng)，因此，該文只介紹標(biāo)準(zhǔn)曲線配比法求參的過程。

(1)根據(jù)由完整觀測孔中所測得的s，t資料，在透明雙對數(shù)紙上做s-t曲線。

2 Aquifer Test軟件求參方法簡介

AquiferTest軟件由加拿大滑鐵盧水文地質(zhì)公司開發(fā)的專門用于分析抽水試驗(yàn)結(jié)果，用戶在較短的時間里有效地處理來自試驗(yàn)所有的信息，并且計算結(jié)果可以以圖表形式輸出和打印。該軟件的運(yùn)行原理是以地下水井流公式，采用圖解法確定含水層參數(shù)，提供了Theis，Cooper-JacobTime-Drawdown，Cooper-Jacob，NeumanDistance-Drawdown，Cooper-JacobTime-Distance-Drawdown，Walton(Hantush-Jacob)等14種方法。該文只對軟件中“Neuman” 標(biāo)準(zhǔn)曲線配線法求參的操作方法進(jìn)行概述。

(1)雙擊AquiferTest軟件中試驗(yàn)圖標(biāo)，開始含水層抽水試驗(yàn)。

(2)填寫筆記簿抽水試驗(yàn)的記錄，鍵入抽水的時間、抽水流量及含水層的厚度。

(3)在軟件面板中，選擇“實(shí)例”下的“Analysis”(分析)，在出現(xiàn)的彈出窗口中，選擇“Drawdownvstime”(水位降低與時間)圖解法。

(4)創(chuàng)建一個新的分析。從出現(xiàn)的彈出窗口中選擇“Neuman”標(biāo)準(zhǔn)曲線配線法進(jìn)行理論分析。

3 求參實(shí)例

在吉林省靖宇煤礦研究區(qū)玄武巖潛水含水層進(jìn)行了第一個觀測孔非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。抽水井編號SK3，井深110m，井徑0.325m；觀測井編號GK3，井深110m，井徑0.11m，觀測孔距抽水井距離20m；穩(wěn)定抽水量17.4m3/h。根據(jù)勘查資料，含水層由灰黑色玄武巖組成，遍布整個研究區(qū)，大部分被第四紀(jì)粘土覆蓋，只在東南部沖溝處零星出露。玄武巖由多期噴發(fā)形成，氣孔發(fā)育，柱狀節(jié)理和水平裂隙密集，形成良好的地下水賦存空間和徑流通道。含水層厚33.4m，抽水井、觀測井初始水位埋深均為76.6m，抽水持續(xù)時間1070min*明達(dá)化工地質(zhì)有限責(zé)任公司,段乃金、成世才、郭躍祥等，吉林省靖宇煤礦水文地質(zhì)調(diào)查報告，2014年。。抽水時觀測井GK3觀測資料見表1。

3.1 穩(wěn)定井流公式求參

表1 吉林靖宇煤礦觀測孔GK3觀測資料

該次抽水試驗(yàn)雖按非穩(wěn)定流原理對水位降深進(jìn)行了觀測，但抽水試驗(yàn)延續(xù)時間較長，后期觀測水位已近似穩(wěn)定，可以利用后期數(shù)據(jù)采用穩(wěn)定流公式求參。將觀測資料帶入仿Theis公式(1)，經(jīng)計算：K=1.18m/d。

(1)

3.2 軟件求參

選擇“Neuman”配線法進(jìn)行理論分析，移動觀測曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行擬合，首先觀測曲線與B組曲線擬合，結(jié)果如圖1所示，計算結(jié)果為K=1.21m/d。通過擬合結(jié)果看，無論穩(wěn)定流公式和非穩(wěn)定公式，利用抽水試驗(yàn)后期數(shù)據(jù)所求滲透系數(shù)相差不大。最后使觀測曲線與A組曲線擬合，結(jié)果如圖2所示，計算結(jié)果為K=1.47m/d。通過擬合結(jié)果看，利用抽水試驗(yàn)前期數(shù)據(jù)求參時，因考慮了含水層彈性釋水的因素，Neuman配線法相比穩(wěn)定井流公式求參結(jié)果要大。求2次配線法所得滲透系數(shù)平均值得K=1.34m/d。

圖1 Neuman配線法觀測曲線與B組曲線擬合圖

圖2 Neuman配線法觀測曲線與A組曲線擬合圖

實(shí)際觀測曲線與A組標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合較好，而只在后期較少數(shù)據(jù)與B組數(shù)據(jù)擬合較好，且觀測曲線中間近水平的曲線較長，說明抽水試驗(yàn)過程中，含水層彈性釋水時間較短，隨即轉(zhuǎn)入重力排水為主、彈性釋水為輔的階段，抽水后期彈性釋水作用消失轉(zhuǎn)為重力排水。配線結(jié)果說明，彈性釋水時間在整個非穩(wěn)定流抽水時間中占比較大，計算玄武巖潛水含水層K值時，不能忽視彈性釋水影響，利用Neuman井流公式配線法求參是合理的。

4 對比分析

通過上述計算結(jié)果并結(jié)合求取滲透系數(shù)井流公式的適用條件，對Neuman井流公式相比于穩(wěn)定井流公式確定玄武巖含水層的優(yōu)越性做以下對比分析：

(1)穩(wěn)定流求潛水含水層參數(shù)計算方法多以裘布衣模型為基礎(chǔ)，該方法對含水層條件進(jìn)行了概化處理，可直接用公式或方程組解出相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，求參方法單一，容易操作，但對較復(fù)雜水文地質(zhì)條件目標(biāo)區(qū)域適用程度受限或不適用[4]，且抽水時間長、花費(fèi)大[5]。

非穩(wěn)定流求潛水含水層參數(shù)方法主要包括THeis配線法、Jacob直線圖解法、水位恢復(fù)法、全程圖解法，包括博爾頓、neuman井流公式等，所求水文地質(zhì)參數(shù)較多，能夠適用于較復(fù)雜多變量的抽水過程，且所需抽水時間短[6]。通過大量的實(shí)踐證明非穩(wěn)定井流公式與穩(wěn)定井流所求結(jié)果基本一致[7]，因此，目前非穩(wěn)定井流公式為確定潛水含水層參數(shù)的主要方法。

(2)玄武巖潛水含水層地下水賦存空間為成巖孔洞、柱狀節(jié)理及構(gòu)造裂隙。研究區(qū)玄武巖含水層由多期噴發(fā)形成，在垂向和水平上富水性差異較大，如果簡單的講其概化為各向同性的含水層，并利用THeis,Jacob公式計算滲透系數(shù)，顯然是不合適的。Neuman井流公式考慮了彈性釋水和地下水垂向流動這兩個因素，能夠反映地下水在含水層中的發(fā)展變化，并且其適用條件與研究區(qū)水文地質(zhì)條件擬合性最好。通過計算結(jié)果可以看出Neuman井流公式較穩(wěn)定流公式所求結(jié)果要大[7]，是因其考慮了垂向釋水的緣故，在實(shí)際應(yīng)用中還是可靠的[8]。

(3)利用Neuman井流公式求參，傳統(tǒng)的方式為人工配線，需在雙對數(shù)紙上繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，然后在另一張模數(shù)相同的透明紙上繪制實(shí)測曲線將實(shí)測曲線置于標(biāo)準(zhǔn)曲線之上，保持對應(yīng)坐標(biāo)軸平行的條件下相對平移，直至兩曲線重合。該方法耗時耗力，而且人為性大。

Aquifer Test軟件專門為水文地質(zhì)學(xué)者和其他水利專家設(shè)計，其中自帶的Neuman井流公式模型，實(shí)現(xiàn)了求參的自動化，具有操作簡便、實(shí)用性強(qiáng)、可視化、對比分析速度快等特點(diǎn)[9-10]，并在實(shí)踐中得到改進(jìn)和推廣利用[11]。

5 結(jié)論

通過求取研究區(qū)玄武巖潛水含水層滲透系數(shù)的2種方法，得出以下結(jié)果：

(1)與穩(wěn)定井流公式相比，非穩(wěn)定井流公式應(yīng)用范圍更廣，能夠更真實(shí)的反映潛水水位不斷變化的運(yùn)動狀態(tài)，且省時省力。

(2)考慮地下水垂向流動和彈性釋水的Neuman井流公式所規(guī)定的適用條件與研究區(qū)玄武巖含水層地下水的賦存特征擬合的最好，利用此方式求取的滲透系數(shù)能反映地下水流動的實(shí)際過程，且大量實(shí)踐證明所求參數(shù)是可靠的。

(3)Aquifer Test軟件自帶的Neuman井流公式實(shí)現(xiàn)了求參的自動化，避免了人工配線隨意性大的缺點(diǎn)，具有操作簡單，過程可視，結(jié)果輸出規(guī)范等優(yōu)點(diǎn)，值得在生產(chǎn)實(shí)踐中推廣。

(4)在利用抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)求取含水層滲透系數(shù)選擇井流公式時，應(yīng)使公式的適用條件與含水層地下水賦存特征擬合的最好，只有這樣所求參數(shù)才能準(zhǔn)確、可靠。

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Application of Determing Permeability Coefficient of Basalt Phreatic Aquifer Based on Neuman Well Flow Model——Setting Jingyu Coal Mine in Jilin Province as an Example

DUAN Naijin1, CHEN Gang1, HOU Haidian2, XU Jian2

(1.Shandong Geological Prospecting Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau, Shandong Jinan 250013, China; 2. Pingyin Bureau of Land and Resources, Shandong Pingyin 250400, China)

On the basis of analyzing hydrogeological conditions of basalt phreatic aquifer in studying area, comparing the advantages and disadvantages of steady flow and unsteady flow pumping test, it is regarded that it is reasonable to determine permeability coefficient of basalt phreatic aquifer by using unsteady well flow formula. Based on Neuman well flow model, Aquifer Test software can calculate hydrogeological conductivity and avoid manual parameter by computer. According to unsteady flow pumping test of basalt phreatic aquifer in Jingyu coal mine, hydrogeological conductivity has been calculated by using Aquifer Test software and steady well flow formula respectively. Through comparision and analysis, it is regarded that basalt phreatic aquifer release water time is long by own compression deformation. So it is reasonable to calculate hydrogeological conductivity of basalt Phreatic aquifer by using Neuman well flow model. The parameters gained by Aquifer Test software are normative and have good comparability.

Basalt phreatic aquifer; conductivity; Neuman fitting curve method; Aquifer Test software; Jingyu coal mine; Jilin province

2016-02-15；

2016-03-10；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

段乃金(1983—)，男,山東濟(jì)南人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作;E-mail：1019065529@qq.com

P641.4;S273.4

B

段乃金，陳剛，候海巔，等.基于Neuman井流理論確定玄武巖潛水含水層滲透系數(shù)的應(yīng)用——以吉林靖宇煤礦為例[J].山東國土資源，2016,32(10)：57-60.DUAN Naijin, CHEN Gang, HOU Haidian, etc. Application of Determing Permeability Coefficient of Basalt Phreatic Aquifer Based on Neuman Well Flow Model——Setting Jingyu Coal Mine in Jilin Province as an Example[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(10)：57-60.