Aquifer Test 計算越流承壓含水層水文地質參數方法研究

陶宗濤，邵 超，程曉嫚，耿許可

（1.河南省地質局 地質災害防治中心，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。自然界中存在3 類地下水越流系統［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，多數越流為第一類越流系統［4］。張苗苗［5］利用人工配線法和Aquifer Test 軟件，根據多井非穩(wěn)定流抽水試驗數據，計算鐵礦區(qū)承壓含水層水文地質參數，發(fā)現Aquifer Test 軟件有較高數據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)定流抽水試驗數據計算小王家礦區(qū)水文地質參數，根據計算結果結合FEFLOW 軟件進行數值模擬，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參數，發(fā)現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。目前大多數研究內容為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用，極少對越流承壓含水層水文地質參數求解方法進行研究，而在實際水文地質勘查工作中利用Aquifer Test 軟件分析計算越流承壓含水層水文地質參數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參數進行計算，并用數值法檢驗計算參數的合理性和精確性，以期為科學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參數計算方法。

1 抽水試驗概況

1.1 水文地質條件

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)域內新生代第四紀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砂含水層。在河間地帶及泛流區(qū)形成以黏土、粉質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，根據含水介質的成因、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全新統（Qh）、上更新統（Q3）細砂、中砂，其特點是含水砂層層數少、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（Q3）和中更新統（Q2）的中細砂、細砂、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，地下水主要為HCO3-Na·Mg 型水。水文地質剖面見圖1（其中Q6、Q12、Q14、Q16、Q18 為探采井編號）。

圖1 水文地質剖面

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基本不變，含水層分布在全區(qū)，厚度較大，產狀水平，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、各向同性、各方向為無限延伸的第一類越流系統承壓含水層組。

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條件，確定其水文地質參數，根據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 軟件求解水文地質參數

Aquifer Test 是一款分析抽水試驗和微水試驗數據的軟件（包含Hantush 理論分析方法），由加拿大斯倫貝謝水務公司研發(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果數據，可實現對含水層水文地質參數快速計算［9］。其適用條件：1）越流系統中每一層都是均質各向同性、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條件不可能存在，在實際工程中，若越流系統水文地質條件與Hantush 理論假設條件相似，則可利用Hantush 分析方法計算越流系統水文地質參數［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 觀測井數據，利用Hantush 理論分析法計算相關水文地質參數，得出結果如下：滲透系數K＝8.60 m／d、導水系數T＝387 m2／d、貯水系數μ?＝2.97×10－4、越流系數σ′＝3.57×10－5／d。

3 利用數值法求解水文地質參數

3.1 水文地質概念模型

根據河南省水文地質工程地質勘察院有限公司的《清豐縣城供水水文地質詳查報告》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)水文地質概念模型為具有第二類邊界且越流補給的均質各向同性孔隙含水層二維地下水滲流模型。

3.2 數學模型構建

依據上述水文地質概念模型，構建八里莊水源地淺層承壓含水層組地下水滲流數學模型：

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，Kz為弱透水層垂向滲透系數，μ?為淺層承壓含水層貯水系數，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，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 數學模型的識別與驗證

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學模型。初始水文地質參數根據含水層巖性賦予經驗值，將模型所需參數輸入數學模型中，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，完成對所建數學模型的識別與驗證。當計算水位和實測水位之間差值最小時，即認為該水文地質參數滿足要求。

對模擬區(qū)采用矩形網格剖分，剖分時將抽水井附近適當加密，共剖分為42 行62 列，垂向上剖分為3層，每層矩形網格單元為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，各抽水井和觀測井地下水位動態(tài)曲線擬合結果分別見圖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水位變化值的10%，符合中國地質調查局《地下水流數值模擬技術要求》規(guī)定，表明所建立的數值模型基本符合模擬區(qū)的水文地質條件，能真實反映地下水系統的水力特征。

4 求參結果及方法分析

4.1 計算結果分析

利用Aquifer Test 軟件和地下水數值模擬法計算水文地質參數的結果見表1。

表1 含水層水文地質參數計算結果

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參數在同一個數量級，求參結果基本一致，相對誤差在6%以內。在保證計算精度要求的前提下，利用Aquifer Test 軟件計算水文地質參數可以減少計算工作量，降低計算過程出現人為錯誤的概率［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參數。

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 軟件計算水文地質參數方法簡便、快捷，可以利用抽水試驗的全部數據。在自動擬合標準曲線配準方法的基礎上，可以利用計算者所掌握的試驗地水文地質條件，使用自動或手動方法擬合試驗數據與理論曲線，使求參結果更加符合試驗地的實際水文地質條件。

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

5 結論

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參數，計算者在利用軟件自動擬合曲線功能基礎上，可根據所掌握的水文地質背景條件，避開異常數據點，保證所求含水層參數值的準確性和可靠性。

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