Aquifer Test 計算越流承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)方法研究

陶宗濤，邵 超，程曉嫚，耿許可

（1.河南省地質(zhì)局 地質(zhì)災(zāi)害防治中心，河南 鄭州 450012；2.河南省黃河流域地下水循環(huán)與環(huán)境演化工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450045）

在實際工程中，承壓含水層頂、底板并不是嚴(yán)格的隔水層，其中之一可能為弱透水層，若與相鄰含水層通過弱隔水層發(fā)生水力聯(lián)系，則該承壓含水層為半承壓含水層。在半承壓含水層地下水位降低時，地下水通過弱透水層滲流補給含水層頂板以上含水層，這種地下水通過弱透水層垂直滲流補給的現(xiàn)象稱為越流［1－2］，半承壓含水層弱隔水層和相鄰含水層組成地下水越流系統(tǒng)。自然界中存在3 類地下水越流系統(tǒng)［3］：第一類，越流補給源主要是相鄰含水層，且補給源含水層的水位保持不變，作為地下水滲流通道的弱透水層彈性釋水量很小，可忽略不計；第二類，越流補給相鄰含水層，考慮弱透水層的彈性釋水，同時相鄰含水層的水頭保持不變；第三類，除第一類和第二類外，越流補給層的水位隨抽水時間的延續(xù)而變動。在實際工程中，多數(shù)越流為第一類越流系統(tǒng)［4］。張苗苗［5］利用人工配線法和Aquifer Test 軟件，根據(jù)多井非穩(wěn)定流抽水試驗數(shù)據(jù)，計算鐵礦區(qū)承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)Aquifer Test 軟件有較高數(shù)據(jù)處理效率和計算精度；韓其婷等［6］采用Aquifer Test 軟件利用多井非穩(wěn)定流抽水試驗數(shù)據(jù)計算小王家礦區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)，根據(jù)計算結(jié)果結(jié)合FEFLOW 軟件進行數(shù)值模擬，得到較好的模擬效果；薩日娜等［7］利用Aquifer Test 軟件計算安太堡露天煤礦潛水含水層水文地質(zhì)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)該軟件不僅可避免人工配線法的主觀影響，還可提高計算精度。目前大多數(shù)研究內(nèi)容為Aquifer Test 軟件在分析計算承壓水或潛水含水層群井非穩(wěn)定流抽水試驗中的應(yīng)用，極少對越流承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)求解方法進行研究，而在實際水文地質(zhì)勘查工作中利用Aquifer Test 軟件分析計算越流承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)的實用性研究更是寥寥無幾。鑒于此，本文采用Aquifer Test軟件，以河南省濮陽市清豐縣八里莊水源地非穩(wěn)定流越流承壓含水層抽水試驗為例，對越流承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)進行計算，并用數(shù)值法檢驗計算參數(shù)的合理性和精確性，以期為科學(xué)評價越流含水層地下水資源量提供一種簡便精確的水文地質(zhì)參數(shù)計算方法。

1 抽水試驗概況

1.1 水文地質(zhì)條件

八里莊水源地位于河南省濮陽市清豐縣城南部黃河沖積平原，地勢較為平坦，地面高程45.0～54.9 m，地面自然坡降1／7 000～1／5 000。區(qū)域內(nèi)新生代第四紀(jì)松散堆積物廣泛分布，松散層中夾有大量賦存豐富地下水資源的各種類型砂層，地下水類型均為松散巖類孔隙水。黃河改道泛濫帶來了顆粒級配不同的沉積物，在古河道中形成厚度較大的中細(xì)砂含水層。在河間地帶及泛流區(qū)形成以黏土、粉質(zhì)黏土夾薄砂層的巖性組合。不同時期黃河古河道與河間帶的交錯，使地下含水砂層與弱透水或隔水的黏土層相互疊置。以地層年代為基礎(chǔ)，根據(jù)含水介質(zhì)的成因、埋藏條件及水力特征，把200 m 以淺地下水含水層劃分為淺層潛水含水層組、淺層承壓含水層組［8］。淺層潛水含水層組厚度自西向東逐漸變大，底板埋深50.0～75.0 m，含水層巖性主要為第四紀(jì)全新統(tǒng)（Qh）、上更新統(tǒng)（Q3）細(xì)砂、中砂，其特點是含水砂層層數(shù)少、顆粒較粗、厚度大，厚度一般為2.0～30.0 m，總厚度30.0～50.0 m，地下水以HCO3-Mg·Ca·Na、HCO3-Mg·Ca 型水為主。淺層承壓含水層組底板埋深150 m 左右，含水砂層為上更新統(tǒng)（Q3）和中更新統(tǒng)（Q2）的中細(xì)砂、細(xì)砂、粉砂砂層，厚度為3.0～15.0 m，總厚度為40.0～52.0 m，砂層顆粒較細(xì)，地下水主要為HCO3-Na·Mg 型水。水文地質(zhì)剖面見圖1（其中Q6、Q12、Q14、Q16、Q18 為探采井編號）。

圖1 水文地質(zhì)剖面

淺層潛水水位為34.0～37.0 m，淺層承壓水水位為33.0～36.0 m，兩者地下水位等直線圖形有較高相似度。鉆探資料顯示，淺層潛水含水層組下部為連續(xù)性較差的粉質(zhì)黏土弱隔水層（厚0～13.0 m），使淺層潛水與淺層承壓水之間有一定的水力聯(lián)系，淺層潛水越流補給淺層承壓水。淺層承壓含水層組底板為厚15.0～25.0 m分布較為穩(wěn)定的粉質(zhì)黏土，與下部含水層相隔，淺層承壓水水位隨季節(jié)變化，而下部含水層組地下水位受季節(jié)變化影響不大，兩者水力聯(lián)系微弱［8］。淺層承壓含水層為供水層，在地下水滲流場中各點滲透系數(shù)基本不變，含水層分布在全區(qū)，厚度較大，產(chǎn)狀水平，地下水滲流近似為平面二維流，符合達西定律。淺層承壓含水層與淺層潛水含水層初始水頭基本一致，含水層頂板為弱隔水層，作為地下水越流通道；淺層潛水含水層在抽水過程中水頭保持不變，含水層地下水儲存量釋放瞬間完成，弱透水層中的滲流幾乎是垂直運動，弱透水層的彈性釋放量與淺層承壓含水層的彈性釋放量相比可忽略不計。故淺層承壓含水層可近似視為均質(zhì)、各向同性、各方向為無限延伸的第一類越流系統(tǒng)承壓含水層組。

1.2 越流承壓含水層抽水試驗

為探明淺層承壓含水層水文地質(zhì)條件，確定其水文地質(zhì)參數(shù)，根據(jù)地下水流從東北向西南流動的情況，選用井徑均為0.36 m 的兩個淺層承壓含水層的探采結(jié)合井Q14、Q16 抽水，將該含水層下游方向勘探井Q12（井徑0.36 m）作為觀測井（觀測井分別在抽水井Q14、Q16 以西340、963 m），開展越流承壓含水層非穩(wěn)定流抽水試驗。抽水井Q14、Q16 井深分別為159、158 m，抽水速度分別為1 560、1 764 m3／d，靜止水位分別為31.57、34.48 m。觀測井Q12 井深165 m，靜止水位32.89 m。持續(xù)抽水16 680 min，抽水井Q14 水位降深為24.08 m、Q16 井水位降深為13.73 m，Q12 觀測井水位穩(wěn)定在31.17 m、水位降深為1.72 m。

2 利用Aquifer Test 軟件求解水文地質(zhì)參數(shù)

Aquifer Test 是一款分析抽水試驗和微水試驗數(shù)據(jù)的軟件（包含Hantush 理論分析方法），由加拿大斯倫貝謝水務(wù)公司研發(fā)，用于分析潛水含水層、承壓含水層、越流含水層和裂隙含水層抽水試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)對含水層水文地質(zhì)參數(shù)快速計算［9］。其適用條件：1）越流系統(tǒng)中每一層都是均質(zhì)各向同性、無限延伸的，含水層底部水平，含水層和弱透水層都是等厚的；2）含水層中水流服從達西定律；3）在發(fā)生越流時相鄰含水層在抽水過程中水頭保持不變；4）弱透水層本身的彈性釋水可以忽略，通過弱透水層的水流為垂直流動；5）抽水含水層天然水力坡度為零，抽水后為平面徑向流，抽水井為完整井，井徑無限小，定流量抽水［10］。自然界中這樣的水文地質(zhì)條件不可能存在，在實際工程中，若越流系統(tǒng)水文地質(zhì)條件與Hantush 理論假設(shè)條件相似，則可利用Hantush 分析方法計算越流系統(tǒng)水文地質(zhì)參數(shù)［11］。

基于八里莊水源地淺層承壓含水層組非穩(wěn)定流越流抽水試驗Q12 觀測井?dāng)?shù)據(jù)，利用Hantush 理論分析法計算相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，得出結(jié)果如下：滲透系數(shù)K＝8.60 m／d、導(dǎo)水系數(shù)T＝387 m2／d、貯水系數(shù)μ?＝2.97×10－4、越流系數(shù)σ′＝3.57×10－5／d。

3 利用數(shù)值法求解水文地質(zhì)參數(shù)

3.1 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)河南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院有限公司的《清豐縣城供水水文地質(zhì)詳查報告》研究成果，清豐縣城供水水源地淺層承壓含水層組影響半徑為996 m。分別以Q16、Q12 為中心外擴，形成半徑為1 000 m、面積約6.2 km2的模擬區(qū)，模擬區(qū)內(nèi)淺層含水層組劃分為淺層潛水含水層、弱透水層、淺層承壓含水層。在抽水試驗過程中，淺層潛水含水層通過弱透水層垂向越流補給承壓含水層，淺層潛水含水層的水位在發(fā)生越流補給的過程中基本不變。近似認(rèn)為地下水在含水層中為水平運動、在弱透水層中為垂向一維運動（忽略弱透水層本身的彈性釋水）。模擬區(qū)無自然邊界，可概化為二類邊界；與下部含水層之間水交換微弱，可概化為隔水邊界。模擬區(qū)水文地質(zhì)概念模型為具有第二類邊界且越流補給的均質(zhì)各向同性孔隙含水層二維地下水滲流模型。

3.2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

依據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，構(gòu)建八里莊水源地淺層承壓含水層組地下水滲流數(shù)學(xué)模型：

式中：H1為淺層潛水含水層水位，K為淺層承壓含水層滲透系數(shù)，Kz為弱透水層垂向滲透系數(shù)，μ?為淺層承壓含水層貯水系數(shù)，M為淺層承壓含水層厚度，m為弱透水層厚度，H0（x，y）為淺層承壓含水層初始水頭，q（x，y，t）為淺層承壓含水層不同時刻的邊界單寬流量，Γ2為二類邊界，Ω為滲流計算區(qū)域，x、y為笛卡兒坐標(biāo)，H為淺層潛水含水層初始水位，t為抽水時間，n為邊界面的法線方向。

3.3 數(shù)學(xué)模型的識別與驗證

采用國際上廣泛使用的地下水模擬軟件Visual MODFLOW 求解八里莊水源地淺層承壓含水層組地下水滲流數(shù)學(xué)模型。初始水文地質(zhì)參數(shù)根據(jù)含水層巖性賦予經(jīng)驗值，將模型所需參數(shù)輸入數(shù)學(xué)模型中，計算抽水試驗各時段水位，通過對淺層承壓含水層組抽水井水位計算值與實測值時空分布進行一致性分析，完成對所建數(shù)學(xué)模型的識別與驗證。當(dāng)計算水位和實測水位之間差值最小時，即認(rèn)為該水文地質(zhì)參數(shù)滿足要求。

對模擬區(qū)采用矩形網(wǎng)格剖分，剖分時將抽水井附近適當(dāng)加密，共剖分為42 行62 列，垂向上剖分為3層，每層矩形網(wǎng)格單元為2 604 個，計算節(jié)點位于單元中心。本次模擬選擇抽水井Q14、Q16 的地下水位動態(tài)曲線為擬合依據(jù)，各抽水井和觀測井地下水位動態(tài)曲線擬合結(jié)果分別見圖2、圖3。

圖3 Q16 井水位動態(tài)曲線擬合

Q14 井水位下降24.08 m，模擬計算值與實測值相差最大值為1.26 m；Q16 井水位下降13.73 m，模擬計算值與實測值相差最大值為1.17 m。Q14、Q16 井實測值與模擬計算值的擬合誤差小于擬合計算期內(nèi)水位變化值的10%，符合中國地質(zhì)調(diào)查局《地下水流數(shù)值模擬技術(shù)要求》規(guī)定，表明所建立的數(shù)值模型基本符合模擬區(qū)的水文地質(zhì)條件，能真實反映地下水系統(tǒng)的水力特征。

4 求參結(jié)果及方法分析

4.1 計算結(jié)果分析

利用Aquifer Test 軟件和地下水?dāng)?shù)值模擬法計算水文地質(zhì)參數(shù)的結(jié)果見表1。

表1 含水層水文地質(zhì)參數(shù)計算結(jié)果

由表1 可知，兩種方法得出的八里莊水源地淺層越流承壓含水層組水文地質(zhì)參數(shù)在同一個數(shù)量級，求參結(jié)果基本一致，相對誤差在6%以內(nèi)。在保證計算精度要求的前提下，利用Aquifer Test 軟件計算水文地質(zhì)參數(shù)可以減少計算工作量，降低計算過程出現(xiàn)人為錯誤的概率［12－13］，更簡便快捷地計算出越流承壓含水層的各項水文地質(zhì)參數(shù)。

4.2 計算方法分析

在八里莊水源地淺層越流承壓含水層組抽水試驗中，Aquifer Test 軟件計算水文地質(zhì)參數(shù)方法簡便、快捷，可以利用抽水試驗的全部數(shù)據(jù)。在自動擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線配準(zhǔn)方法的基礎(chǔ)上，可以利用計算者所掌握的試驗地水文地質(zhì)條件，使用自動或手動方法擬合試驗數(shù)據(jù)與理論曲線，使求參結(jié)果更加符合試驗地的實際水文地質(zhì)條件。

數(shù)值模擬法通過對實際水文地質(zhì)條件高度概化，在建立水文地質(zhì)概念模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建試驗地的地下水滲流數(shù)學(xué)模型，繼而利用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件Visual MODFLOW 進行計算求解，因此采用數(shù)值模擬法計算出的水文地質(zhì)參數(shù)可代表實際的水文地質(zhì)條件。但利用數(shù)值模擬法計算越流承壓含水層組水文地質(zhì)參數(shù)需要計算者具有較高專業(yè)素養(yǎng)，且需要的相關(guān)資料多、工作量大、花費時間長。

5 結(jié)論

1）利用Aquifer Test 軟件中的Hantush 理論分析法計算八里莊水源地淺層越流承壓含水層組非穩(wěn)定流抽水試驗水文地質(zhì)參數(shù)，計算者在利用軟件自動擬合曲線功能基礎(chǔ)上，可根據(jù)所掌握的水文地質(zhì)背景條件，避開異常數(shù)據(jù)點，保證所求含水層參數(shù)值的準(zhǔn)確性和可靠性。

2）利用Aquifer Test 軟件與數(shù)值模擬法計算出的水文地質(zhì)參數(shù)基本一致，結(jié)果相差在6%以內(nèi)，表明Aquifer Test 軟件計算水文地質(zhì)參數(shù)是可靠的，可基本反映水源地淺層承壓含水層組水文地質(zhì)條件。采用Aquifer Test 軟件求解越流承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)具有簡便、快捷的優(yōu)勢，特別在小型水文地質(zhì)勘探工程中有很強的實用性。