新方法在穩(wěn)定流單孔抽水試驗(yàn)求參中的應(yīng)用

許一川 于麗

摘 要：地下水資源評價工作的開展與地下水可開采量的計算需要對地下含水層組的滲透系數(shù)進(jìn)行分析確定。用抽水試驗(yàn)方法來查明水文地質(zhì)特性和確定水文參數(shù)，不僅是水文地質(zhì)工作的基礎(chǔ)，而且也是求取K值的重要途徑。該文探討穩(wěn)定流單孔抽水試驗(yàn)中快速求參的可行性，并將該方法的結(jié)果與Dupuit公式法的結(jié)果進(jìn)行對比，分析求解效果。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定流 抽水試驗(yàn) 滲透系數(shù) 快速求參

中圖分類號：TU491 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（b）-0023-03

Abstract：Groundwater resource evaluation and calculation of the amount of groundwater exploitation need to determine the hydraulic conductivity of the aquifer. Pumping test is a common method to identify the hydrogeological characteristics and obtain hydraulic conductivity. It is not only the basis of hydrogeological work， but also an important way to K-value calculations. This paper explores the feasibility of a fast parameters evaluation in the steady flow of single-well pumping test，and the results were compared with Dupuit formula method.

Key Words：Steady flow pumping tests；Hydraulic conductivity；Fast solution

地下水作為水資源的重要組成部分，是不可缺少的一種自然資源，對人類的生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市建設(shè)都起著重大的支撐作用。近幾十年，隨著我國人口增長、社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對用水需求日益增長，水資源供需矛盾日趨突出。為了滿足社會經(jīng)濟(jì)的用水需求，部分地區(qū)持續(xù)增大地下水開采量，最終導(dǎo)致地下水嚴(yán)重超采，地下水位持續(xù)下降，局部嚴(yán)重地區(qū)面臨地下水含水層疏干或即將疏干境況，從而危及水資源安全，引發(fā)社會問題。因此，準(zhǔn)確的評價一個地區(qū)的地下水資源量，為制定科學(xué)合理的地下水開采量和開采方案提供依據(jù)，成為當(dāng)前地下水行業(yè)工作者的關(guān)注重點(diǎn)。地下水資源評價工作與地下水可開采量的計算需要對地下含水層組的滲透系數(shù)進(jìn)行分析確定。用抽水試驗(yàn)方法來查明水文地質(zhì)特性和確定水文參數(shù)，不僅是水文地質(zhì)工作的基礎(chǔ)，而且也是求取K值的重要途徑。穩(wěn)定流單孔抽水試驗(yàn)通常采用經(jīng)典的Dupuit公式法進(jìn)行求參實(shí)質(zhì)是解方程獲得解析解。該文采用了基于經(jīng)驗(yàn)邏輯推導(dǎo)的快速求參法進(jìn)行求解，并將該結(jié)果與經(jīng)典公式法得出的結(jié)果進(jìn)行對比。

1 方法概述

地下水流動系統(tǒng)是由補(bǔ)給源至排泄點(diǎn)（匯）的流面群所構(gòu)成的、具有統(tǒng)一時空演變過程的地下水體。地下水依據(jù)自身的水力坡度，形成從補(bǔ)給、徑流到排泄的整體運(yùn)動過程。井孔抽水是人工干預(yù)條件下地下水的一種重要的排泄方式。在穩(wěn)定流單孔（井）抽水試驗(yàn)中，初始階段的抽水行為改變了原有地下水的流場，使得一部分地下水天然徑流量無法再向下游滲流。同時，抽水井孔影響范圍內(nèi)的含水層被部分疏干，釋放出貯存量，地下水降落漏斗開始形成。隨著抽水時間的延長，降落漏斗逐步發(fā)育擴(kuò)大，抽水所攔截的地下水徑流量不斷增多，直至所截取的地下水徑流量等于抽水量，含水層疏干停止，地下水降落漏斗趨于穩(wěn)定，抽水影響范圍不再擴(kuò)大，新的地下水平衡流場形成。根據(jù)這一平衡原理，從事抽水試驗(yàn)的工作者提出可以通過抽水量等于徑流量的平衡關(guān)系，構(gòu)建一種平衡方程，實(shí)現(xiàn)對滲透系數(shù)的準(zhǔn)確快速求解。這一方法的最終數(shù)學(xué)表達(dá)公式為：

或

式中：q為單位涌水量（m3/d·m）；

Q為抽水流量（m3/d）；

S為抽水井水位降深（m）；

m為抽水井利用的含水層厚度（m）。

2 典型算例

該文選取20組抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用該方法進(jìn)行計算，其中潛水完整井10組，承壓完整井10組。

（1）潛水完整井算例。

潛水井分布于黃河花園口附近黃河右岸，其中1～6號井分布于花園口上游黃河灘地，7～10號井分布于花園口下游河岸。潛水含水層組屬于全新統(tǒng)形成的黃河大型沖積扇，沖積扇始于沁河口，向東北以衛(wèi)河為界，向東南以賈魯河—潁河為界。10口潛水井的井深范圍為80～110 m左右，含水層底板埋深在70～100 m左右，含水層為砂礫石、中粗砂、中細(xì)砂、細(xì)砂、粉細(xì)砂組成。地下水流向?yàn)槲鞅?東南向，灘地部分水井和黃河存在較強(qiáng)水利聯(lián)系，接受河流側(cè)向補(bǔ)給（表1）。

（2）承壓完整井算例。

承壓含水層主要是中更新統(tǒng)沖洪積相砂、砂礫石層和下更新統(tǒng)湖積、冰漬泥質(zhì)砂、泥質(zhì)砂礫石層和第三系砂、泥質(zhì)砂礫石含水層組。由于構(gòu)造、古地理、氣候及成因不同，各地沉積厚度和埋藏深度差別很大。該次計算選用承壓水井10眼，分布于新鄉(xiāng)市、偃師市和鄭州市，深度范圍為68～480 m，含水層以砂巖、中砂、細(xì)砂為主。算例含水層情況及計算結(jié)果見表2。

3 結(jié)果對比與分析

將上述結(jié)果進(jìn)行整理，和使用Dupuit公式法的計算的相應(yīng)結(jié)果進(jìn)行對比，可得表3。

通過對比可以看出，使用新方法快速求得的滲透系數(shù)較Dupuit公式法的計算結(jié)果中，19個算例的K值偏小，僅有承壓水5號算例出現(xiàn)數(shù)值偏高的情況。兩種方法的計算結(jié)果偏差最大為35%，最小為2%。新方法顯示出較為理想的精度。值得注意的是，新方法的計算結(jié)果相比傳統(tǒng)公式法，具有比較明顯的數(shù)值偏低的傾向性，說明方法可能在公式簡化推倒過程中存在不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膯栴}。同時，在大量的實(shí)際應(yīng)用中，Dupuit公式法也逐步暴露出和實(shí)際不符的情況，其應(yīng)用條件的約束性和公式使用的局限性也隨著相關(guān)理論實(shí)踐的不斷發(fā)展而被不斷證實(shí)。在地下水理論及各種求參方法不斷發(fā)展的當(dāng)前，該次使用的新方法雖并不完美，但其簡便易操作的特點(diǎn)和精練的計算公式非常適宜在野外抽水試驗(yàn)現(xiàn)場快速求取K值，同時計算結(jié)果在生產(chǎn)實(shí)踐可已接收的精度范圍內(nèi)。因此，該方法是具備使用價值的。

4 結(jié)語

采用基于抽水井水量動態(tài)均衡原理推導(dǎo)出新方法快速求取K值，在潛水井和承壓水井上表現(xiàn)出了較高的適應(yīng)性。該方法操作性強(qiáng)，使用簡單，計算結(jié)果在精度上能夠滿足生產(chǎn)實(shí)踐的要求。該方法可以成為一線技術(shù)人員在抽水試驗(yàn)現(xiàn)場求取滲透系數(shù)的一種選擇。

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