典型隔水邊界非穩定流承壓含水層抽水試驗研究

鄭玉萍，于 強，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.山東省地質調查院，山東 濟南250013)

含隔水邊界的半無限含水層水資源量計算是具有理論和現實意義的一個地下水動力學問題。實際工作中找到一個典型的具有嚴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為例，闡述半無限含水層隔水邊界附近的水文地質參數求取過程，并對求參過程及結果做詳盡的論述，力求為今后相關工作起到一定的參考意義。

1 水文地質概況

試驗場地位于山東省高密市柴溝鎮小于家莊，屬丘陵地貌。根據鉆探成果，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，斑狀構造，斑晶為石英、斜長石，夾少量黑云母，巖心破碎。

2 試驗開展情況簡介

2.1 試驗場地及試驗井概況

本文涉及抽水試驗場地位于高密市柴溝鎮小于家莊村(圖1)，地處高密南部低山丘陵地帶。抽水試驗選擇在2009年1月份進行，地下水開采量有限，不受農灌及雨季等因素的影響，能夠確保求取的水文地質參數的準確性。

表1 主井及觀測孔基本情況一覽表

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

圖1 抽水試驗場地示意圖

2.2 試驗開展過程

2.2.1 天然流場觀測

為了解地下水天然流場的變化情況，估算其對抽水試驗觀測數據的影響，在正式抽水試驗之前進行了天然流場觀測。由于冬季地下水短時間內補給量及開采量較小，天然流暢變動很小，24小時水位變化在5 cm范圍以內，對觀測數據影響范圍在5 cm以內。

2.2.2 持續抽水觀測

抽水采用水泵為QJ10－60型潛水泵，配套功率3 Kw，揚程60m，三相四線交流電作為動力。抽水共持續13 h。各井點同步觀測。在抽水開始的前2 h內對各井水位按照《供水水文地質勘查規范》進行加密觀測;2 h后則每半小時觀測一次。

2.2.3 水位恢復觀測

在持續抽水結束時同時開始水位恢復觀測。對各井點在停抽2 h以內按照《規范》

進行加密觀測，之后每半小時測量一次水位。共進行觀測20 h，直至水位基本恢復至抽水前的狀態。

3 參數求取

根據實際測量結果，水泵流量基本穩定于30m3/h，計算時取Q=30m3/h進行計算。

3.1 模型簡介

根據試驗場地水文地質概況，參照《地下水動力學》(薛禹群，地質出版社，1997年9月第二版)，該實驗水文地質參數應套用隔水邊界附近的承壓非穩定井流模型進行計算。

圖2 試驗場地剖面圖

圖3 直線隔水邊界附近的井孔概化模型

根據現場勘測，在抽水主井及GC4－1觀測孔連線的垂直方向，距GC4－1觀測孔8m處有一條東西向展布的隔水邊界(圖2，巖性接觸部位)，因此應當在抽水主井GC4關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果。

根據《地下水動力學》(薛禹群，地質出版社，1997年9月第二版)，為將有界井流問題轉化為無界井流問題，需采用鏡像法進行參數求取。本次抽水試驗利用承壓非穩定流模型求取水文地質參數(導水系數T及貯水系數μ*)。

根據現場測量(圖3)，可知抽水井GC4與觀測孔GC4－1距離r1=r=26.6m，抽水井GC4與隔水邊界距離a=34.6m，鏡像抽水井與觀測孔GC4－1距離r2=2a－r=42.6m。

3.2 參數求取

參數求取按照隔水邊界附近的抽水試驗參數求取方法進行。

3.2.1 利用lgS～lgt配線法求取水文地質參數

根據基礎數據，求得u2/u1=2.5648。依據 W(u)數值表，以及W(u)～1/u標準曲線，計算1/u1數值并查得對應u1所對應的W(u1)值。再根據u2/u1比值計算u2值，根據W(u)～1/u標準曲線查得W(u2)并計算W(u1)+W(u2)的值(表2)。

表2 GC4－1標準曲線引用數值表

之后繪制縱軸為W(u1)+W(u2)，橫軸為1/u1的雙對數曲線，則得到適合觀測孔GC4－1的W(u)～1/u標準曲線(圖 4)。

圖4 GC4－1觀測孔W(u)～1/u標準曲線

在透明雙對數紙上繪制出GC4－1的S～t實際資料曲線，將此曲線重疊在W(u)～1/u標準曲線上，在保持坐標軸彼此平行的條件下，使實測曲線和標準曲線盡量擬合。擬合之后，任選一匹配點A，取坐標值:

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為選取點對應標準曲線值;r為距離抽水主井距離;t為抽水延續時間;T為導水系數;μ*為貯水系數。

最終求得各觀測孔參數值:

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參數

根據地下水動力學關于隔水邊界附近的S～lgt曲線形態的闡述，曲線應當在抽水初期與后期分別出現近似直線段。前期的斜率是后期斜率的一半。

對抽水井GC4及GC4－1觀測井的前期與后期直線段分別求取參數，求取公式及結果如表3:

表3 GC4抽水試驗參數求取成果表

經驗證，各觀測孔所求參數均滿足公式所要求的直線法近似條件，求取數據有效。

4 對于參數的討論

4.1 關于主井與觀測孔求取參數差異的問題

在抽水試驗參數求取過程中，往往遇到距離抽水主井越遠，則求得的導水系數T值越大的情況。這顯然是與實際情況不符的。筆者在《多孔非穩定流承壓含水層抽水試驗研究》(刊登于《山東水利》2010年03期)中曾對此問題進行過詳盡的討論并給出了結論及解決方案。該現象的出現是配線時人為誤差的具體體現。距離抽水主井最近的觀測孔，其求取結果往往是最為接近真實值的。因此，本次試驗參數求取，應以GC4－1觀測孔數據求取的T及μ*最為準確。

4.2 關于GC4－2觀測孔的數據問題

根據實地勘測，GC4－2位于隔水邊界北側(圖3)。根據GC4鉆孔資料，隔水邊界南側1.4～11.4m為土黃色砂巖，致密，是較強的隔水層;而在隔水邊界北側砂巖厚度迅速增大，由于GC4－2井深13m，因此并未揭穿砂巖層位，GC4－2與本次抽水試驗的目的層不屬統一含水層組。

由繪制的GC4－2孔水位埋深隨抽水延續時間變化曲線(圖5)可以看出，抽水開始后，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范圍內。該數據也再次印證了推測隔水邊界的正確性。抽水主井GC4與GC4－1觀測孔所處含水層為理想的承壓含水層。

圖5 GC4－2觀測孔水位埋深隨抽水延續時間變化曲線

5 結論

(1)本文討論的水文地質參數求取對象是比較嚴格的隔水邊界附近的承壓地下水問題，宜采用鏡像法對參數進行求取。

(2)含隔水邊界的辦無限承壓含水層與無限含水層一樣，在以配線法求取參數中會產生求得的倒數系數T隨距離抽水主井的距離越遠而越大的問題。距離抽水主井最近的觀測孔其T值最接近真實值。

(3)在確定是否采用半無限含水層模型進行參數計算前，應有針對性地布設可證明邊界隔水性的水井予以觀測，保證求參模型的選取無誤。

[1]薛禹群.地下水動力學.地質出版社.1997.第二版.

[2]陳崇希.地下水動力學.中國地質大學出版社.1999.第一版.

[3]韓曄.多孔非穩定流承壓含水層抽水試驗研究.山東水利.2010.03.