AquiferTest 軟件在地下水動力學教學中的應用

劉延鋒，劉 倩，王建軍

(中國地質大學 環境學院，湖北 武漢430074)

抽水試驗是通過水文地質鉆孔抽水確定水井出水能力，獲取含水層的水文地質參數，判明某些水文地質條件的野外水文地質試驗工作。抽水試驗的主要任務之一是確定含水層水文地質參數，如滲透系數(K)、導水系數(T)、釋水系數(μe)和給水度(μd)等。穩定流抽水試驗數據一般采用經驗公式處理［1］，非穩定流抽水試驗數據多采用配線法、直線圖解法進行處理，有越流補給但不考慮弱透水層彈性釋水時，可采用拐點法計算［1-2］。水文地質參數確定的精度直接影響地下水滲流場定量分析與地下水資源評價的可靠性。生產過程中多采用配線法和直線圖解法處理非穩定流抽水試驗數據來確定參數，在處理過程中存在人為主觀判斷，造成相同數據不同人計算出的結果不同，從而影響地下水滲流場定量刻畫與比較［3］。為了便于數據處理，出現了一些處理抽水試驗數據的專業軟件，如AquiferTest、AQTESOLV、Aquifer -Well-Test 等，它們采用了優化技術，降低了人為主觀性，處理速度快，計算結果精確，可對比性好，在國外得到了比較廣泛的應用;但國內目前在生產實際中的應用并不多，一些學者和單位開始使用AquiferTest 軟件進行數據處理［3-4］。AquiferTest 軟件是加拿大滑鐵盧水文地質公司(Waterloo Hydrogeologic Inc．)開發研制的專門用于抽水試驗和微水試驗(Slug test)資料分析、數據處理的圖形化分析軟件，處理試驗數據快捷簡便，軟件中包含了多種分析模型，包括Theis、Cooper ＆ Jacob、Theis with Jacob Correction、Double Porosity 等模型，能夠確定多種類型含水層的參數，如承壓含水層、潛水含水層、越流含水層和基巖裂隙含水層等，并能夠進行水位預測、井群干擾降深計算、含水介質性質判斷以及試驗數據處理報告等功能［5］。

非穩定流抽水試驗數據處理及水位降深計算是地下水動力學這門專業基礎課實踐教學中的重要內容，也是水文地質調查的重要工作內容。由于非穩定井流理論公式比較復雜，計算過程中需要查表獲取數據，過程繁瑣，學生通常難以完全理解和掌握抽水試驗數據處理理論與方法。手動處理抽水試驗數據需要透明雙對數紙、標準曲線圖、單對數坐標紙等材料，且存在一定主觀性，影響計算精度。而使用AquiferTest 軟件處理抽水試驗和微水試驗數據，學生只要掌握基本原理及不同水文地質條件所對應的解析模型就能進行數據處理，很容易地掌握各種抽水試驗數據的處理方法。利用該軟件的降深預測、邊界條件性質判斷等功能，可以幫助學生更好地理解問題，增加學習興趣，還便于學生開展探索性研究。在教學過程中，筆者指導學生使用AquiferTest 4．2 測試版進行抽水試驗數據處理、水文地質條件識別和降深預測等，學生們很快掌握了相關技巧，并提高了學習興趣。

1 抽水試驗數據處理

1．1 數據

在某灰巖承壓含水層中進行抽水試驗，抽水井流量比較穩定，平均為Q=5 136 m3/d，觀測孔G1距抽水井的距離為r =52 m，觀測孔中水位降深(見表1)。

表1 無界承壓含水層中抽水試驗觀測資料［6］

1．2 配線法

在透明雙對數坐標紙上繪制觀測孔的lgs -lgt 實測曲線，將該實測曲線與標準曲線進行對比，當曲線最佳擬合時，選擇匹配點(見圖1)，坐標分別為:

依據泰斯(Theis)公式，可推導出計算含水層的導水系數T 和釋水系數μe值的公式:

圖1 標準曲線配比法圖解

在AquiferTest 軟件中的Pumping Test 選項卡中輸入抽水試驗信息、物理量單位、含水層厚度、抽水井和觀測井的坐標、類型、半徑、濾管位置和孔隙度等基本信息;在Discharge 選項卡中輸入開采量;在Water Levels 選項卡中輸入觀測孔的水位或降深。在Analysis 選項卡中選擇所使用的觀測孔，圖形區會顯示s -t 曲線，界面右側顯示AquiferTest 軟件中分析模型，在本例中選擇Theis 模型，然后點擊Fit 按鈕，程序運行收斂后，在Results 區中顯示計算結果。使用G1觀測數據獲取的參數值為:T =954 m2/d，μe=2．30 ×10-3。

手動配線時，lgs-lgt 點的繪制及匹配點選取上具有一定人為性，導致計算出的T 和μe值不盡相同。對學生們手動配線法獲取的參數值進行統計分析(見表2)，結果顯示其確定的T 值范圍為454．12 ～1 119．75 m2/d，標準差為94． 91 m2/d，變 差 系 數 為10． 34%;μe值 范 圍 為1．79 ×10-3～4．67 ×10-3，標準差為4．12 ×10-4，變差系數為17．87%?？梢姡M管數據相同，受擬合程度判斷的主觀性的影響，獲取的參數差別很大，T 和μe值的極差可達665．63 m2/d 和2．88 ×10-3，最大值和最小值之比分別為2．5 和2．6。

表2 手動法獲取參數的統計分析

1．3 直線圖解法

可見s 與lgt 成線性關系，即s-lgt 為直線(見圖2)，可利用直線段的斜率m 確定含水層導水系數T:

延長直線段與s=0 橫軸相交點為t0=3 min=2．08 ×10-3d，可獲得釋水系數μe:

圖2 直線圖解法圖解

與配線法相似，在輸入基本信息和數據后，在Analysis 選項卡中選擇Cooper ＆ Jacob I 分析模型，點擊Fit 按鈕采用直線圖解法進行求解。通過試算，使用G1 觀測孔50min 之后的觀測水位，計算出的參數為:T =965 m2/d，μe=2．17 ×10-3，此時，觀測孔處的u=0．044 ＜0．05，滿足假設條件。計算結果與手動直線圖解法計算出的參數很相近，但釋水系數偏差較大。

直線圖解法亦存在一定主觀性，學生們獲取的參數值亦存在較大差別，其中T 值范圍為870．27 ～1044．32 m2/d，標準差為31．69 m2/d，變差系數為3．35%;μe值范圍為1．80 ×10-3～3．82 ×10-3，標準差為3．53 ×10-4，變差系數為15．25%。盡管直線圖解法比配線法結果的差別幅度小，但獲取的參數差別仍比較大，T 和μe值的極差可達174．05 m2/d 和2．02 ×10-3，最大值和最小值之比分別為1．2 和2．1。

2 降深預測

利用AquiferTest 軟件還可以進行開采條件下的水位降深預測，其過程與前述利用抽水試驗數據確定參數相似。首先在Pumping Test、Discharge 選項卡中確定開采井的位置、相關信息以及預測孔的位置，然后在Water Levels選項卡中輸入預測時間，在水位或降深列中輸入任意數值，在Analysis 選項卡中點擊Show Parameter Controls 按鈕，在Parameter 對話框中輸入導水系數和釋水系數等參數，并鎖定;在右側Model Assumption 中將Discharge 選項設置為Variable;點擊Fit 按鈕進行計算，最后Analysis 菜單下的Statistics 菜單項命令窗口中，可以獲取預測水位降深值。

群井階梯狀流量抽水的水位或降深預測非常繁瑣，且容易計算錯誤，利用AquiferTest 軟件則很容易實現。某地區一無界承壓含水層中有3 眼完整井開采，分布如圖3 所示，含水層的導水系數T =200 m2/d，釋水系數μe=2 ×10-3，3 眼井的開采情況如表3 所示［6］。若用解析法計算某一時刻觀測點M 處水位降深，則需要包含5 項降深計算公式。利用AquiferTest 軟件，很容易就可以獲取M 點處的降深歷時曲線(見圖4)。

3 含水介質及邊界性質診斷

AquiferTest 軟件具有通過s -t 曲線判斷含水介質特性的功能。在Analysis 選項卡中的Diagnostic Graph 中，給出了Confined、Leaky or recharge boundary、Barrier boundary、Double porosity 和Well effects 五種情況下的泰斯理論降深(Theis type curve，短劃線)、特定條件下的理論降深(Theoretical drawdown curve under the expected conditions，黑色實線)及降深的時間導數(Drawdown derivative curve，綠色實線)3 條曲線。將實際曲線與5 種標準曲線對比，可以判斷邊界性質和含水介質特性。

圖3 開采井分布圖

圖4 預測降深歷時曲線

表3 抽水井工作情況一覽表

表4 為某斷裂附近承壓含水層完整井抽水時的觀測孔降深數據，開采量為1 000 m3/d，觀測孔與抽水井位于斷裂同一側，距開采井20 m［6］。將相關信息輸入Aquifer-Test 軟件，在Analysis 選項卡中的Diagnostic Graph 中顯示觀測孔的實測降深及降深導數點線(見圖5)，二者關系與Barrier Boundary 標準圖形一致，表明該斷層為阻水斷層。

表4 斷層附近抽水試驗觀測孔降深數據［6］

圖5 實測降深曲線及降深導數曲線與標準曲線對比圖

4 結 論

抽水試驗及地下水位降深預測是地下水動力學教學中的重要內容，也是水文地質實際工作中重要的工作內容。依據地下水非穩定流理論手動處理抽水試驗數據以獲取水文地質參數具有主觀性，且費時費力。利用AquiferTest 軟件可以快速確定水文地質參數及復雜開采條件下的水位降深預測，人為主觀性小，計算精度高。依據實測降深及其導數曲線關系，可以確定抽水試驗場地的含水層性質、介質特征、邊界條件及井效應等，選擇更為合適的模型進行抽水試驗數據處理與降深預測。

通過在教學中引入AquiferTest 軟件，提高了學生的學習興趣，使學生快速掌握了抽水試驗數據的處理方法，并能夠利用該軟件進行水文地質條件診斷及降深預測，提高了計算的準確度和精度。

［1］中華人民共和國水利部． 水利水電工程鉆孔抽水試驗規程(SL320 -2005)［S］．西安:陜西人民教育出版社，2005．

［2］陳崇希，林敏，成建梅．地下水動力學［M］．北京:地質出版社，2011．

［3］蔣 輝． 基于AquiferTest 的抽水試驗參數計算方法分析［J］．水文地質工程地質，2011，38(2):34 -38．

［4］陶宗濤，閆志為．AquiferTest 軟件求解承壓含水層水文地質參數的方法及效果［J］．水電能源科學，2012，10(10):58 -60．

［5］Schlumberger Water Services． AquiferTest User’s Manual［R］． Waterloo:Waterloo Hydrogeologic Inc，2010．

［6］靳孟貴，成建梅． 地下水動力學實驗與習題［M］． 北京:中國水利水電出版社，2010．