基于導(dǎo)水系數(shù)的含水層富水性評(píng)價(jià)方法

李超峰

(1.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司,陜西 西安 710077;2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710077)

含水層富水性是水文地質(zhì)和地下水領(lǐng)域的基本概念;評(píng)價(jià)含水層富水性是水文地質(zhì)勘探階段的一項(xiàng)基本工作,應(yīng)用廣泛。然而,《地下水動(dòng)力學(xué)》[1-3]、《水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)》[4]等地下水教材中均未給出含水層富水性的定義及其評(píng)價(jià)方法。50年代,自前蘇聯(lián)引入了單位涌水量評(píng)價(jià)含水層富水性的方法;這種方法計(jì)算簡(jiǎn)便,很快推廣應(yīng)用開來(lái),特別是在礦床水文地質(zhì)領(lǐng)域。在積累大量數(shù)據(jù)資料后,我國(guó)學(xué)者總結(jié)了符合我國(guó)國(guó)情的含水層富水性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),即q≤0.1 L/s·m、0.1 L/s·m5.0 L/s·m依次表示富水性弱、中等、強(qiáng)、極強(qiáng);提出將“口徑91 mm、抽水水位降深10 m時(shí)”的單位涌水量作為標(biāo)準(zhǔn),給出了不同孔徑、不同降深抽水試驗(yàn)的單位涌水量換算公式;單位涌水量評(píng)價(jià)方法已被寫入《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB 12719-1991)[5]、《煤礦防治水規(guī)定》[6]和《煤礦防治水細(xì)則》[7]等文件。

在應(yīng)用過(guò)程中,學(xué)者們普遍發(fā)現(xiàn)單位涌水量及利用其評(píng)價(jià)含水層富水性存在問題,并在我國(guó)水文地質(zhì)領(lǐng)域進(jìn)行了多次學(xué)術(shù)爭(zhēng)鳴。1959年,幻傳豪[8]提出采用鉆孔最大涌水量和泉的最大流量來(lái)評(píng)價(jià)含水層的富水性是不準(zhǔn)確的,建議采用鉆孔單位涌水量。沈樹榮[9]認(rèn)識(shí)到單位涌水量評(píng)價(jià)方法存在缺陷,建議采用“富水系數(shù)”(注:即導(dǎo)水系數(shù))評(píng)價(jià)。1984年,葛天民[10]、王兆林[11]分別對(duì)單位涌水量和導(dǎo)水系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了研究;葛天民認(rèn)為單位涌水量和導(dǎo)水系數(shù)具有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,王兆林認(rèn)為在某些特定條件下,單位涌水量和導(dǎo)水系數(shù)具有線性相關(guān)關(guān)系。2004-2016年間,蘭太權(quán)[12-14]3次發(fā)文提出“單位涌水量就是導(dǎo)水系數(shù)”的觀點(diǎn),在國(guó)內(nèi)水文地質(zhì)領(lǐng)域掀起了關(guān)于含水層富水性的熱烈討論。多位學(xué)者發(fā)表學(xué)術(shù)文章進(jìn)行辯論。張競(jìng)[15]認(rèn)為單位涌水量具有多解性;王旭升[16]、董巖巖[17]認(rèn)為在特定條件下可以出現(xiàn)單位涌水量與導(dǎo)水系數(shù)相等的情況,但不具備普適性;周訓(xùn)[18]認(rèn)為抽水井單位涌水量不能等同于含水層導(dǎo)水系數(shù),并指出存在的問題;尚銀生[19]認(rèn)為“單位涌水量就是導(dǎo)水系數(shù)”的結(jié)論沒有說(shuō)服力;陳崇希[20]對(duì)相關(guān)的Thiem影響半徑穩(wěn)定井流模型進(jìn)行了說(shuō)明和回應(yīng)。

含水層富水性這一基本概念不明晰和評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)等不明確,引起了爭(zhēng)議,限制了應(yīng)用,有必要從概念、方法和標(biāo)準(zhǔn)等方面系統(tǒng)厘清、正本溯源。本文給出了含水層富水性定義,給出了含水層富水性評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn),對(duì)比分析了單位涌水量和導(dǎo)水系數(shù)富水性評(píng)價(jià)方法。

1 含水層富水性定義

富水性是在水文地質(zhì)勘探階段進(jìn)行含水層地下水量是否充沛定量評(píng)價(jià)的一種方法,可為后續(xù)地下水資源開發(fā)階段的供水含水層選擇、水源地和取水構(gòu)筑物選址等提供參考和依據(jù)。

本文給出含水層“富水性”定義:在地下水源源不斷持續(xù)補(bǔ)給時(shí)含水層可給出地下水量的能力。

由于導(dǎo)水系數(shù)可以說(shuō)明含水層的出水能力[1],因此采用水文地質(zhì)學(xué)中的導(dǎo)水系數(shù)T表征含水層富水性。含水層富水性的物理意義為:水力坡度等于1時(shí),通過(guò)整個(gè)含水層厚度上的單寬流量。

導(dǎo)水系數(shù)T值與含水層厚度M、滲透系數(shù)K有關(guān),厚度M和滲透系數(shù)K都是含水層的本質(zhì)屬性。因此,富水性也是含水層的本質(zhì)屬性,不受人為因素影響。

導(dǎo)水系數(shù)的概念僅適用于二維的地下水流動(dòng),對(duì)于三維流動(dòng)是沒有意義的。因此,含水層富水性也僅適用于地下水二維流動(dòng)。

2 富水性評(píng)價(jià)方法

采用水文地質(zhì)學(xué)中的導(dǎo)水系數(shù)T表征含水層富水性。導(dǎo)水系數(shù)為“含水層的滲透系數(shù)與其厚度的乘積”,單位為“m2/d”。計(jì)算時(shí),承壓含水層厚度取其地層厚度,潛水含水層厚度取其水位之下地層厚度。

T=KM

(1)

式中:T為導(dǎo)水系數(shù),m2/d;K為滲透系數(shù),m/d;M為含水層厚度,m。

3 富水性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

本文給出導(dǎo)水系數(shù)法富水性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 導(dǎo)水系數(shù)法富水性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 單位涌水量富水性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

本文將含水層富水性共劃分為7個(gè)等級(jí),由弱至強(qiáng)依次為極弱、弱、中等、強(qiáng)、很強(qiáng)、特強(qiáng)、極強(qiáng)。

為了直觀分析含水層富水性變化規(guī)律,繪制含水層富水性分區(qū)圖(圖1)。

圖1 含水層富水性分區(qū)圖

圖2 導(dǎo)水系數(shù)法和單位涌水量法富水性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比圖

4 討論

4.1 與單位涌水量評(píng)價(jià)方法對(duì)比分析

單位涌水量評(píng)價(jià)含水層富水性方法是建國(guó)后自前蘇聯(lián)引入國(guó)內(nèi)的。這是一種適用于施工現(xiàn)場(chǎng)的“概略估算”方法,理論依據(jù)不充分。(1)單位涌水量非含水層本質(zhì)屬性。根據(jù)計(jì)算公式,單位涌水量與抽水量和水位降深有關(guān);由于抽水量和水位降深非含水層本質(zhì)屬性,是受到鉆孔結(jié)構(gòu)、孔徑、抽水量等人為因素影響的。因此,單位涌水量不能客觀反映含水層富水性這一本質(zhì)屬性,其受到人為因素影響較大。(2)單位涌水量之間無(wú)換算關(guān)系。例如,鉆孔孔徑和抽水量之間并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,不同孔徑和抽水量條件下的單位涌水量是否具有確定的換算關(guān)系目前仍存在爭(zhēng)議。例如,對(duì)于完整井和非完整井,以及復(fù)合含水層之間的單位涌水量沒有理論換算公式,獲得單位涌水量只能通過(guò)抽水試驗(yàn)方法。在高家堡礦井前后兩期洛河組含水層精細(xì)化勘探項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中,利用雙Packer分層抽水試驗(yàn)獲得了大量數(shù)據(jù)資料[21-23],筆者多次嘗試卻無(wú)法利用單位涌水量進(jìn)行洛河組垂向含水層段富水性的定量評(píng)價(jià)和對(duì)比分析。由于其計(jì)算方法簡(jiǎn)單、適于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn),經(jīng)過(guò)60多年的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,單位涌水量富水性評(píng)價(jià)方法在我國(guó)礦床水文地質(zhì)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,被寫入《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB 12719-1991)《煤礦防治水規(guī)定》和《煤礦防治水細(xì)則》等文件。

由于未對(duì)含水層富水性給出具體的定義,以及缺少導(dǎo)水系數(shù)富水性評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)含水層富水性概念、評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與研究等方面一直存在諸多問題和矛盾。多位學(xué)者結(jié)合工作實(shí)際進(jìn)行了充分討論與辯論,有力促進(jìn)了對(duì)含水層富水性基本概念和評(píng)價(jià)方法的深入認(rèn)識(shí)與理解。例如,1959年,沈樹榮[9]發(fā)表了《讀“對(duì)巖層含水層圖編制原則的幾點(diǎn)意見”》一文,是國(guó)內(nèi)最早可查到的對(duì)單位涌水量含水層富水性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行客觀分析的文章;1984年,葛天民[10]、王兆林[11]分別對(duì)單位涌水量與導(dǎo)水系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了討論;蘭太權(quán)[12-14]分別于2004年、2007年和2016年發(fā)表了關(guān)于“單位涌水量就是導(dǎo)水系數(shù)”的3篇文章,掀起了國(guó)內(nèi)水文地質(zhì)領(lǐng)域?qū)畬痈凰缘臒崃矣懻?周訓(xùn)[18]、王旭升[15-17]、尚銀生[19]、陳崇希[20]等分別發(fā)文對(duì)含水層富水性及單位涌水量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行辯論,但是依然未能明確含水層富水性的定義、屬性以及評(píng)價(jià)方法等根本問題。

本文給出了含水層富水性定義及評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn),其主要作用包括:

(1)明確富水性是含水層的本質(zhì)屬性,不受人為因素影響。

(2)給出了富水性的定義,明確是在“在地下水源源不斷持續(xù)補(bǔ)給時(shí)”的前提條件,避免了導(dǎo)水系數(shù)不能反映含水層地下水補(bǔ)給條件的缺陷,厘清了基本概念。

(3)明確采用導(dǎo)水系數(shù)T進(jìn)行含水層富水性評(píng)價(jià),并給出了富水性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范了富水性評(píng)價(jià)方法與等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。

(4)導(dǎo)水系數(shù)富水性評(píng)價(jià)方法同樣具有計(jì)算簡(jiǎn)單和便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)理論上更為科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn),分級(jí)更為精細(xì)。

單位涌水量是一種適用于野外施工現(xiàn)場(chǎng)的概略估算含水層富水性的方法。在施工現(xiàn)場(chǎng)可用單位涌水量初步“概略估算”含水層富水性,但是在后續(xù)分析與研究階段應(yīng)采用導(dǎo)水系數(shù)法定量評(píng)價(jià)含水層富水性。

4.2 富水性等級(jí)劃分依據(jù)

由于單位涌水量與導(dǎo)水系數(shù)的量綱相同,可以將單位涌水量富水性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行換算,如下:

參考以往單位涌水量富水性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),本文給出導(dǎo)水系數(shù)含水層富水性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。本文給出的導(dǎo)水系數(shù)法富水性標(biāo)準(zhǔn)共7級(jí),其中極弱和弱大致對(duì)應(yīng)原單位涌水量法富水性等級(jí)弱,中等和強(qiáng)等級(jí)對(duì)應(yīng)原來(lái)的中等,很強(qiáng)和特強(qiáng)對(duì)應(yīng)原來(lái)的強(qiáng),極強(qiáng)對(duì)應(yīng)原來(lái)的極強(qiáng)。本次富水性等級(jí)劃分是在原單位涌水量法富水性等級(jí)的基礎(chǔ)上,將原來(lái)的弱、中等和強(qiáng)3個(gè)等級(jí)再各細(xì)分為2個(gè)等級(jí),更為精細(xì)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)定義含水層富水性為“在地下水源源不斷持續(xù)補(bǔ)給時(shí)含水層可給出地下水量的能力”。含水層富水性的物理意義為:水力坡度等于1時(shí),通過(guò)整個(gè)含水層厚度上的單寬流量。

(2)給出了含水層富水性評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)。采用導(dǎo)水系數(shù)評(píng)價(jià)含水層富水性;給出了導(dǎo)水系數(shù)法富水性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)水系數(shù)T≤1 m2/d、1 m2/d400 m2/d表示富水性依次為極弱、弱、中等、強(qiáng)、很強(qiáng)、特強(qiáng)、極強(qiáng)。

(3)在施工現(xiàn)場(chǎng)可以用單位涌水量初步評(píng)估含水層富水性,在后續(xù)分析與研究階段應(yīng)采用導(dǎo)水系數(shù)法定量分析、研究含水層富水性。

(4)富水性是含水層的本質(zhì)性質(zhì),其與含水層補(bǔ)給條件,地下水靜儲(chǔ)量、動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量、可采資源量等是不同概念,應(yīng)注意區(qū)分。