潛水-微承壓含水層水文地質參數求解方法研究

任柳妹,楊軍耀,呂 路

(太原理工大學水利科學與工程,山西太原030024)

潛水-微承壓含水層水文地質參數求解方法研究

任柳妹,楊軍耀,呂 路

(太原理工大學水利科學與工程,山西太原030024)

潛水-微承壓含水層水文地質參數是正確評價山西臨汾澇洰河生態建設工程,確定水庫滲漏量的重要依據。以澇河河谷中段C6典型抽水試驗為基礎,基于含水層試驗(Aquifer Test)專業軟件,分析多種方法下獲取的潛水-微承壓含水層水文地質參數。結果表明,考慮潛水重力釋水的Boulton法和水位恢復法求得的水文地質參數穩定可靠,可為后期水文地質數值模擬提供基礎數據。

水文地質參數；潛水-微承壓含水層；含水層試驗；Boulton法；澇洰河生態建設工程

0 引 言

水文地質參數是水文地質條件中反映含水層或透水層水文地質性能的指標,是進行地下水資源評價、含水層污染風險評價以及地下水數值模擬和溶質運移模擬的前提條件[1],其精確度直接影響后期水文工作。考慮人工求參的繁瑣以及人為性,利用計算機求解水文地質參數已得到廣泛應用和認可[2- 3],如MATLAB、1stOpt通用優化計算平臺、Lingo和GAMS等[4- 8]。但考慮到此類優化和數值算法涉及計算機編程,有相當難度。而借助成熟的計算機平臺不僅可以節省大量資金和工作量,還具有精度高、可比性好的優點,為了解研究區含水層水力特征、地下水數值模型和水資源評價提供重要基礎。

含水層試驗(Aquifer Test 4.2)是加拿大斯倫貝謝水務公司發布的最新專門用于抽水試驗和微水試驗資料分析、數據處理的圖形化分析和報告軟件,包含多種分析模型[9-10],主要有Theis、Hantush、Theis with Jacob Correction、Neuman、Papadopulos&Cooper、Cooper&Jacob、Double Porosity 等模型,能確定多種類型含水層的水文地質參數,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,并具有水位預測、井群干擾降深計算、含水層補給邊界條件和含水介質性質判斷等功能。

本文以澇洰河生態建設工程澇河段抽水試驗為例,在分析研究了該地區潛水-微承壓含水層結構特征的基礎上,應用Aquifer Test抽水試驗軟件中考慮潛水重力釋水的Boulton法、Theis配線法、考慮弱透水層彈性釋水的Hantush with Storage法和水位恢復法這4種不同方法,探索求解潛水-微承壓水水文地質參數的適用方法。

1 研究區概況

1.1 地形地貌

澇洰河生態建設工程位于山西省臨汾市堯都區境內,西至汾河,分布在澇河及洰河兩岸500～1 000 m不等寬度范圍內,占地面積22.4 km2。主要河流為汾河及其支流澇河、洰河,為東西向汾河匯集的汾河水系。

研究區位于臨汾盆地中部、汾河東部的沖積平原區,分布有河谷及河漫灘,以及汾河一、二、三級階地等多種微地貌單元。東高西低,澇河、洰河的河槽處形成低谷；澇洰河交匯處以西的區域地勢相對平坦,澇河與洰河之間的大片區域也相對平坦；澇河與洰河交匯處以東的區域河床兩側分布陡坎,高差變化范圍廣且坡度極大,河床內不平坦,分布中等和較高坡；位于澇河與洰河之間的狹長溝谷區兩側也分布陡坡和極陡坡。研究區地質地貌見圖1。

圖1 研究區地質地貌

1.2 水文地質條件

澇洰河生態建設工程研究區共分3個水文地質單元或分區。即澇洰河交匯處至汾河入口段澇河左右岸為Ⅰ區；澇洰河河間地塊區、澇河右岸階地區與洰河左岸階地區為Ⅱ區；澇洰河交匯處至汾河入口、澇河河谷區與洰河河谷區為Ⅲ區。其中,澇河右岸階地區域0～30 m范圍內沒有連續穩定的含水層,局部夾粉砂、細砂透鏡體。淺層地下水賦存于亞砂土中,粉質粘土或亞粘土為相對隔水層,洰河左岸階地區域與澇河右岸階地區含水介質特征基本相同,富水性差,供水意義不大。澇洰河河間地塊區域0～50 m范圍內沒有連續穩定的含水層,局部夾細砂、粗砂透鏡體,淺層地下水賦存于黃土中,亞砂土及局部細砂、粗砂透鏡體構成相對潛水含水層,下部粉質粘土或亞粘土為相對隔水層,富水性差。研究區主要為沿河流走向的連續含水層,主要分布在澇洰河交匯處至汾河入口澇河河谷區、澇洰河交匯處上游河谷區、洰河河谷區,南北向無水力聯系。

上部潛水含水層為粗砂、礫石,厚1.2～11.3 m,由東向西逐漸變厚,東部一定范圍內表層覆蓋0.5～3.5 m的粉土,使其含水層局部具有微承壓性；中間弱透水層以粉土、粉質粘土為主,厚8.9～12.5 m,局部夾粗砂、細砂透鏡體；下部為微承壓含水層,以中粗砂為主,砂質粒徑由東向西逐漸變粗,靠近汾河處為粗砂、礫石,含水層厚2.4～14.3 m,頂板埋深15.2～20.8 m,底板埋深21.3～24.7 m,含水層連續性好,分布穩定。將研究目標層概化為潛水-微承壓含水層,含水層厚度全部利用。地下水接受降水入滲補給、側向徑流補給,灌溉回歸入滲補給量較小。地下水排泄以人工開采、側向徑流排泄為主,蒸發次之,水流向由東向西。澇河河谷段水文地質剖面見圖2。

圖2 澇河河谷段水文地質剖面(孔深：m；高程：m)

表2 各觀測孔觀測結果

2 抽水試驗

在入汾河口布置H13抽水主孔,澇洰河近交匯段布置G12抽水主孔,澇河河谷中段和上段布置C6和H1抽水主孔,洰河河谷中段和上段布置G9-1和G1抽水主孔(見圖1)。各抽水試驗主孔信息見表1。

表1 各抽水試驗主孔信息

采用1次降深,帶1個觀測孔的抽水試驗及水位恢復試驗。以穩定流抽水,按非穩定流要求觀測,觀測時間為抽水開始或停泵后均按1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min各觀測1次,以后每隔30 min觀測1次,同步觀測觀測孔的水位埋深,用電測水位儀觀測水位,誤差不超過±5 mm,用水表觀測流量,誤差不超過±0.1 m3,抽水穩定延續時間不少于8 h。各觀測孔觀測結果見表2。

3 水文地質參數

研究區抽水試驗求取的微承壓含水層水文地質參數有滲透系數k、給水度μ、貯水系數μ*等。水位下降將引起2部分水的排出,一部分為在上部潛水面下降部位引起的重力排水,另一部分為下部飽水部分由于水頭下降引起的彈性釋水[11]。潛水層重力釋水具有普遍的滯后作用。

以澇河河谷段的抽水試驗C6數據資料為基礎,利用Aquifer Test軟件求解微承壓含水層的水文地質參數。抽水井C6穩定抽水量為0.91 L/s,穩定水位降深為5.497 m,上部為厚3.1 m的卵石潛水層,下部為厚1.4 m的細砂承壓含水層,這樣的一個雙層含水層結構厚度記為4.5 m。觀測井C6-1距離其18.73 m。

3.1 Aquifer Test多方法求解參數

(1)考慮潛水重力釋水的Boulton法。將主孔C6和觀測井C6-1的抽水及恢復全過程試驗數據分別輸入相應的位置,用Analysis選取Boulton分析。選擇軟件自動配準后,運用參數控制功能可達到更好的擬合效果。Boulton法擬合曲線見圖3。導水系數T=26 m2/d,給水度μ=5.36×10-4,貯水系數μ*=4.96×10-5,μ/μ*=17.8。在澇河河谷中段,由于承壓含水層水分的運動滯后于地下水水位的降落速度,潛水給水能力略大于微承壓含水層,說明河流沖積平原地區潛水重力釋水不可忽視[12-13]。

圖3 Boulton法擬合曲線

(2)Theis配線法。選擇Theis配線法分析,自動擬合后,基于專業知識判斷,利用參數控制功能得到理想擬合曲線和參數。Theis配線法擬合曲線見圖4。導水系數T=32 m2/d,貯水系數μ*=6.89×10-5。

圖4 Theis配線法擬合曲線

(3)考慮弱透水層彈性釋水的Hantush with Storage法。Hantush with Storage法擬合曲線見圖5。導水系數T=26 m2/d, 貯水系數μ*=4.8×10-5。弱透水層彈性釋水系數比含水層小幾個數量級,且越流作用極為遲緩。本研究區潛水-微承壓含水層結構中弱透水層厚度不是特別大,含水層抽水時弱透水層補給量可忽略不計。

圖5 Hantush with Storage法擬合曲線

圖6 水位恢復法擬合曲線

(4)水位恢復法。水位恢復法擬合曲線見圖6。抽水結束后,含水層中的地下水位開始逐漸回升,水位的變化不再受外界因素的干擾,恢復變化比較平穩,也就比較容易準確觀測。因此,通過分析計算觀測井水位恢復階段的試驗數據,能夠得到較為準確可靠的水文地質參數。導水系數T=30.8 m2/d,貯水系數μ*=5.24×10-5。

3.2 不同方法對比分析

考慮潛水重力釋水、弱透水層越流補給等因素,分別運用以上4種不同方法,求取澇河河谷中段潛水-微承壓含水層水文地質參數,分析含水層水力特性。計算結果對比見表3。從表3可知,Theis配線法忽略了潛水含水層重力釋水滯后效應,計算結果偏大；Hantush with Storage法由于考慮弱透水層越流補給,所求滲透系數較小。

表3 不同方法水文地質參數對比

應用GMS模擬澇洰河地下水流場,選取本次抽(注)水試驗,依次將以上4種方法所求的水文地質參數作為初始值,計算結果與實測水位的多次擬合結果顯示,Boulton法和水位恢復法所求參數的計算水位與實測水位擬合效果較Theis配線法和Hantush with Storage法要好,絕對誤差小于0.1 m的占80%,說明計算得到的滲流場與實際觀測資料基本吻合。地下水滲流場等水位線對比見圖7。

圖7 地下水滲流場等水位線對比(單位：m)

圖7 地下水滲流場等水位線對比(單位：m)

4 結 語

本文通過分析臨汾澇洰河研究區的水文地質條件,基于Aquifer Test專業軟件采用不同方法獲取潛水-微承壓含水層相關水文地質參數,并在此基礎上應用GMS模擬地下水位評價比較各方法,得出以下結論：

(1)利用Aquifer Test計算機平臺,分別用考慮潛水重力釋水的Boulton法和Theis配線法、考慮弱透水層彈性釋水的Hantush with Storage法和水位恢復法4種求參分析方法獲取潛水-微承壓含水層水文地質參數：導水系數T=28.7 m2/d、滲透系數k=6.38 m/d、貯水系數μ*=5.47×10-5、給水度μ=5.36×10-4。

(2)考慮潛水重力釋水的Boulton法和水位恢復法求得的水文地質參數穩定可靠,Theis配線法、考慮弱透水層彈性釋水的Hantush with Storage法求取參數值偏大。后續建立水文地質模型,在4種方法計算結果范圍內調參,可大大節省時間和工作量。

[1]李培月. 非穩定流抽水試驗確定越流承壓含水層水文地質參數方法對比研究[D]. 西安： 長安大學, 2011．

[2]SAMUEL M P, JHA M K, et al.Estimation of Aquifer Parameters from Pumping Test Data by Genetic Algorithm Optimization Technique[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2003, 129(5): 348- 359．

[3]江思珉, 朱國榮, 施小清, 等. 水文地質參數反演的Hooke-Jeeves粒子群混合算法[J]. 水科學進展, 2010, 9(5)： 606- 612．

[4]師永麗, 張永波, 張志祥. 基于Aquifer Test與matlab耦合的水文地質參數求解[J]. 水電能源科學, 2015, 33(8)： 63- 66．

[5]程先云, 鄭凡東, 楊浩, 等. Theis井函數計算方法及井模型參數優化計算研究[J]. 水文, 2015, 35(3)： 8- 13．

[6]曹先仙, 趙峰科. 基于GMS 的水文地質參數優化[J]. 勘察科學技術, 2015(5)： 26- 29．

[7]吳春勇, 趙軍庭, 陳社明, 等. 水源地裂隙含水層水文地質參數的確定[J]. 節水灌溉, 2013(5)： 43- 46．

[8]SU Chen, CHEN Zongyu, CHEN Jiang, et al. Mechanics of Aquitard Drainage by Aquifer-System Compaction and Its Implications for Water-Management in the North China Plain[J]. Journal of Earth Science, 2014, 25(3)： 598- 604．[9]任改娟, 楊立順, 回廣榮, 等. 傳統公式法和Aquifer Test 計算水文地質參數的對比分析[J]. 地下水, 2015, 37(4)： 165- 167．

[10]薛曉飛, 張永波. 截滲墻對地下水影響的數學模型與評價[J]. 水力發電, 2015, 41(1)： 15- 23．

[11]薛禹群. 地下水動力學[M]. 北京： 地質出版社, 1997．

[12]陳慶秋. 考慮潛水層重力釋水滯后作用條件下潛水—微承壓含水層完整單井非穩定流的解析解[J]. 科學通報, 1993, 38(10)： 930- 932．

[13]APPIAH-ADJEI E K, SHU Longcang, Adjei K A, et al. Evaluation of unconfined aquifer parameters from flow to partially penetrating wells in Tailan River basin, China[J]. Environmental Earth Sciences, 2013, 69(3)： 799- 809．

(責任編輯 楊 健)

Research on Hydrogeological Parameter Solving Method of Phreatic-feeble confined Aquifer

REN Liumei, YANG Junyao, Lü Lu

(College of Water Resources Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China)

The hydrogeological parameters of phreatic-feeble confined aquifer are important indexes to accurately evaluate Lao-Ju River Ecological Construction Project in Linfen, Shanxi, and the key basis to confirm reservoir leakage. On the basis of C6 hole pumping test in the middle of Laohe River, the hydrogeological parameters of phreatic-feeble confined aquifer obtained by various methods are analyzed by Aquifer Test software. The result shows that the parameters calculated by the Boulton method which considering phreatic and reliable aquifer gravity water release and the water level recovery method are stable and reliable, which can provide basic data for later hydrogeological numerical simulation．

hydrogeological parameter; phreatic-feeble confined aquifer; Aquifer Test; Boulton method; Lao-Ju River Ecological Construction Project

2015- 10- 14

國家自然科學基金項目(41502243)；山西省自然科學基金資助項目(2015021169)

任柳妹(1991—),女,安徽合肥人,碩士研究生,研究方向為水文與水資源；楊軍耀(通訊作者)．

P641.2(225)

A

0559- 9342(2017)03- 0038- 06