AquiferTest 軟件在地下水動(dòng)力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

劉延鋒，劉 倩，王建軍

(中國地質(zhì)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430074)

抽水試驗(yàn)是通過水文地質(zhì)鉆孔抽水確定水井出水能力，獲取含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，判明某些水文地質(zhì)條件的野外水文地質(zhì)試驗(yàn)工作。抽水試驗(yàn)的主要任務(wù)之一是確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)，如滲透系數(shù)(K)、導(dǎo)水系數(shù)(T)、釋水系數(shù)(μe)和給水度(μd)等。穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)一般采用經(jīng)驗(yàn)公式處理［1］，非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)多采用配線法、直線圖解法進(jìn)行處理，有越流補(bǔ)給但不考慮弱透水層彈性釋水時(shí)，可采用拐點(diǎn)法計(jì)算［1-2］。水文地質(zhì)參數(shù)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(jià)的可靠性。生產(chǎn)過程中多采用配線法和直線圖解法處理非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定參數(shù)，在處理過程中存在人為主觀判斷，造成相同數(shù)據(jù)不同人計(jì)算出的結(jié)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(shù)據(jù)處理，出現(xiàn)了一些處理抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的專業(yè)軟件，如AquiferTest、AQTESOLV、Aquifer -Well-Test 等，它們采用了優(yōu)化技術(shù)，降低了人為主觀性，處理速度快，計(jì)算結(jié)果精確，可對比性好，在國外得到了比較廣泛的應(yīng)用;但國內(nèi)目前在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用并不多，一些學(xué)者和單位開始使用AquiferTest 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理［3-4］。AquiferTest 軟件是加拿大滑鐵盧水文地質(zhì)公司(Waterloo Hydrogeologic Inc．)開發(fā)研制的專門用于抽水試驗(yàn)和微水試驗(yàn)(Slug test)資料分析、數(shù)據(jù)處理的圖形化分析軟件，處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shù)，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(jìn)行水位預(yù)測、井群干擾降深計(jì)算、含水介質(zhì)性質(zhì)判斷以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理報(bào)告等功能［5］。

非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及水位降深計(jì)算是地下水動(dòng)力學(xué)這門專業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)踐教學(xué)中的重要內(nèi)容，也是水文地質(zhì)調(diào)查的重要工作內(nèi)容。由于非穩(wěn)定井流理論公式比較復(fù)雜，計(jì)算過程中需要查表獲取數(shù)據(jù)，過程繁瑣，學(xué)生通常難以完全理解和掌握抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理理論與方法。手動(dòng)處理抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)需要透明雙對數(shù)紙、標(biāo)準(zhǔn)曲線圖、單對數(shù)坐標(biāo)紙等材料，且存在一定主觀性，影響計(jì)算精度。而使用AquiferTest 軟件處理抽水試驗(yàn)和微水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生只要掌握基本原理及不同水文地質(zhì)條件所對應(yīng)的解析模型就能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，很容易地掌握各種抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法。利用該軟件的降深預(yù)測、邊界條件性質(zhì)判斷等功能，可以幫助學(xué)生更好地理解問題，增加學(xué)習(xí)興趣，還便于學(xué)生開展探索性研究。在教學(xué)過程中，筆者指導(dǎo)學(xué)生使用AquiferTest 4．2 測試版進(jìn)行抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、水文地質(zhì)條件識別和降深預(yù)測等，學(xué)生們很快掌握了相關(guān)技巧，并提高了學(xué)習(xí)興趣。

1 抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1．1 數(shù)據(jù)

在某灰?guī)r承壓含水層中進(jìn)行抽水試驗(yàn)，抽水井流量比較穩(wěn)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(yàn)觀測資料［6］

1．2 配線法

在透明雙對數(shù)坐標(biāo)紙上繪制觀測孔的lgs -lgt 實(shí)測曲線，將該實(shí)測曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對比，當(dāng)曲線最佳擬合時(shí)，選擇匹配點(diǎn)(見圖1)，坐標(biāo)分別為:

依據(jù)泰斯(Theis)公式，可推導(dǎo)出計(jì)算含水層的導(dǎo)水系數(shù)T 和釋水系數(shù)μe值的公式:

圖1 標(biāo)準(zhǔn)曲線配比法圖解

在AquiferTest 軟件中的Pumping Test 選項(xiàng)卡中輸入抽水試驗(yàn)信息、物理量單位、含水層厚度、抽水井和觀測井的坐標(biāo)、類型、半徑、濾管位置和孔隙度等基本信息;在Discharge 選項(xiàng)卡中輸入開采量;在Water Levels 選項(xiàng)卡中輸入觀測孔的水位或降深。在Analysis 選項(xiàng)卡中選擇所使用的觀測孔，圖形區(qū)會(huì)顯示s -t 曲線，界面右側(cè)顯示AquiferTest 軟件中分析模型，在本例中選擇Theis 模型，然后點(diǎn)擊Fit 按鈕，程序運(yùn)行收斂后，在Results 區(qū)中顯示計(jì)算結(jié)果。使用G1觀測數(shù)據(jù)獲取的參數(shù)值為:T =954 m2/d，μe=2．30 ×10-3。

手動(dòng)配線時(shí)，lgs-lgt 點(diǎn)的繪制及匹配點(diǎn)選取上具有一定人為性，導(dǎo)致計(jì)算出的T 和μe值不盡相同。對學(xué)生們手動(dòng)配線法獲取的參數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見表2)，結(jié)果顯示其確定的T 值范圍為454．12 ～1 119．75 m2/d，標(biāo)準(zhǔn)差為94． 91 m2/d，變 差 系 數(shù) 為10． 34%;μe值 范 圍 為1．79 ×10-3～4．67 ×10-3，標(biāo)準(zhǔn)差為4．12 ×10-4，變差系數(shù)為17．87%?？梢姡M管數(shù)據(jù)相同，受擬合程度判斷的主觀性的影響，獲取的參數(shù)差別很大，T 和μe值的極差可達(dá)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(dòng)法獲取參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析

1．3 直線圖解法

可見s 與lgt 成線性關(guān)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(dǎo)水系數(shù)T:

延長直線段與s=0 橫軸相交點(diǎn)為t0=3 min=2．08 ×10-3d，可獲得釋水系數(shù)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(shù)據(jù)后，在Analysis 選項(xiàng)卡中選擇Cooper ＆ Jacob I 分析模型，點(diǎn)擊Fit 按鈕采用直線圖解法進(jìn)行求解。通過試算，使用G1 觀測孔50min 之后的觀測水位，計(jì)算出的參數(shù)為:T =965 m2/d，μe=2．17 ×10-3，此時(shí)，觀測孔處的u=0．044 ＜0．05，滿足假設(shè)條件。計(jì)算結(jié)果與手動(dòng)直線圖解法計(jì)算出的參數(shù)很相近，但釋水系數(shù)偏差較大。

直線圖解法亦存在一定主觀性，學(xué)生們獲取的參數(shù)值亦存在較大差別，其中T 值范圍為870．27 ～1044．32 m2/d，標(biāo)準(zhǔn)差為31．69 m2/d，變差系數(shù)為3．35%;μe值范圍為1．80 ×10-3～3．82 ×10-3，標(biāo)準(zhǔn)差為3．53 ×10-4，變差系數(shù)為15．25%。盡管直線圖解法比配線法結(jié)果的差別幅度小，但獲取的參數(shù)差別仍比較大，T 和μe值的極差可達(dá)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(yù)測

利用AquiferTest 軟件還可以進(jìn)行開采條件下的水位降深預(yù)測，其過程與前述利用抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定參數(shù)相似。首先在Pumping Test、Discharge 選項(xiàng)卡中確定開采井的位置、相關(guān)信息以及預(yù)測孔的位置，然后在Water Levels選項(xiàng)卡中輸入預(yù)測時(shí)間，在水位或降深列中輸入任意數(shù)值，在Analysis 選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊Show Parameter Controls 按鈕，在Parameter 對話框中輸入導(dǎo)水系數(shù)和釋水系數(shù)等參數(shù)，并鎖定;在右側(cè)Model Assumption 中將Discharge 選項(xiàng)設(shè)置為Variable;點(diǎn)擊Fit 按鈕進(jìn)行計(jì)算，最后Analysis 菜單下的Statistics 菜單項(xiàng)命令窗口中，可以獲取預(yù)測水位降深值。

群井階梯狀流量抽水的水位或降深預(yù)測非常繁瑣，且容易計(jì)算錯(cuò)誤，利用AquiferTest 軟件則很容易實(shí)現(xiàn)。某地區(qū)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(dǎo)水系數(shù)T =200 m2/d，釋水系數(shù)μe=2 ×10-3，3 眼井的開采情況如表3 所示［6］。若用解析法計(jì)算某一時(shí)刻觀測點(diǎn)M 處水位降深，則需要包含5 項(xiàng)降深計(jì)算公式。利用AquiferTest 軟件，很容易就可以獲取M 點(diǎn)處的降深歷時(shí)曲線(見圖4)。

3 含水介質(zhì)及邊界性質(zhì)診斷

AquiferTest 軟件具有通過s -t 曲線判斷含水介質(zhì)特性的功能。在Analysis 選項(xiàng)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(shí)線)及降深的時(shí)間導(dǎo)數(shù)(Drawdown derivative curve，綠色實(shí)線)3 條曲線。將實(shí)際曲線與5 種標(biāo)準(zhǔn)曲線對比，可以判斷邊界性質(zhì)和含水介質(zhì)特性。

圖3 開采井分布圖

圖4 預(yù)測降深歷時(shí)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(shí)的觀測孔降深數(shù)據(jù)，開采量為1 000 m3/d，觀測孔與抽水井位于斷裂同一側(cè)，距開采井20 m［6］。將相關(guān)信息輸入Aquifer-Test 軟件，在Analysis 選項(xiàng)卡中的Diagnostic Graph 中顯示觀測孔的實(shí)測降深及降深導(dǎo)數(shù)點(diǎn)線(見圖5)，二者關(guān)系與Barrier Boundary 標(biāo)準(zhǔn)圖形一致，表明該斷層為阻水?dāng)鄬印?/p>

表4 斷層附近抽水試驗(yàn)觀測孔降深數(shù)據(jù)［6］

圖5 實(shí)測降深曲線及降深導(dǎo)數(shù)曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線對比圖

4 結(jié) 論

抽水試驗(yàn)及地下水位降深預(yù)測是地下水動(dòng)力學(xué)教學(xué)中的重要內(nèi)容，也是水文地質(zhì)實(shí)際工作中重要的工作內(nèi)容。依據(jù)地下水非穩(wěn)定流理論手動(dòng)處理抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)以獲取水文地質(zhì)參數(shù)具有主觀性，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。利用AquiferTest 軟件可以快速確定水文地質(zhì)參數(shù)及復(fù)雜開采條件下的水位降深預(yù)測，人為主觀性小，計(jì)算精度高。依據(jù)實(shí)測降深及其導(dǎo)數(shù)曲線關(guān)系，可以確定抽水試驗(yàn)場地的含水層性質(zhì)、介質(zhì)特征、邊界條件及井效應(yīng)等，選擇更為合適的模型進(jìn)行抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與降深預(yù)測。

通過在教學(xué)中引入AquiferTest 軟件，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生快速掌握了抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法，并能夠利用該軟件進(jìn)行水文地質(zhì)條件診斷及降深預(yù)測，提高了計(jì)算的準(zhǔn)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(yàn)規(guī)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(dòng)力學(xué)［M］．北京:地質(zhì)出版社，2011．

［3］蔣 輝． 基于AquiferTest 的抽水試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算方法分析［J］．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，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(zhì)參數(shù)的方法及效果［J］．水電能源科學(xué)，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(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)與習(xí)題［M］． 北京:中國水利水電出版社，2010．