青海省格爾木河沖洪積扇地下水水文地質(zhì)參數(shù)的選取

王建輝，祁澤學(xué)，寇海聰

(1.青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局，青海 西寧 810007；2.青海省環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810007)

研究區(qū)格爾木市位于干旱的柴達(dá)木盆地西南緣，區(qū)內(nèi)地下水主要接受格爾木河的入滲補(bǔ)給。隨著格爾木河上游各個(gè)梯級(jí)電站的修建，下游水文地質(zhì)條件發(fā)生了相應(yīng)的變化，以往獲取水文地質(zhì)參數(shù)所利用的鉆孔多是基于小口徑的抽水試驗(yàn)而來(lái)，且計(jì)算方法單一，計(jì)算的水文地質(zhì)參數(shù)不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)現(xiàn)狀地下水資源。因此，為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)該地的地下水資源量，我單位通過(guò)青海省格爾木河沖洪積扇地下水資源勘查項(xiàng)目，實(shí)施了基本覆蓋整個(gè)沖洪積扇的大口徑水文地質(zhì)鉆孔，通過(guò)最新實(shí)施的鉆孔并做相應(yīng)的抽水試驗(yàn)獲取了準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)，為地下水資源評(píng)價(jià)提供了基礎(chǔ)支撐。

1 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)主要位于昆侖山前格爾木河傾斜平原中前部，如圖1所示，地下水位埋深10～130m之間，沉積了巨厚的第四系松散沉積物，為大厚度潛水區(qū)，從而為地下水賦存提供了良好的空間。多年的勘探資料顯示，中、上更新統(tǒng)為冰磧、冰水、沖洪積地層，巖性主要為砂卵礫石、泥質(zhì)砂礫石，巖層顆粒普遍較粗，松散，相應(yīng)的孔隙度、給水度也大，在接受地表水的垂直滲漏補(bǔ)給后，成為地下水分布和賦存的主要部位。

圖1 計(jì)算斷面位置圖

在縱(南北)向上，自基巖山區(qū)至細(xì)土平原，地下水水量、水質(zhì)、埋藏條件發(fā)生了一系列變化，表現(xiàn)在巖性顆粒由粗變細(xì)，即由砂卵礫石層逐漸變?yōu)樯暗[石、中粗砂、粉細(xì)砂、粘土層。含水層也由沖洪積傾斜平原的單層大厚度結(jié)構(gòu)變?yōu)闆_洪積細(xì)土平原及其以北地區(qū)的多層薄層結(jié)構(gòu)，地下水賦存形式由潛水向承壓—自流水過(guò)渡，含水層富水性由強(qiáng)至弱，徑流條件由好變差，水化學(xué)作用也由溶濾到積聚。水位埋深由洪積扇頂部的大于100m到戈壁前緣的不足10m，至細(xì)土帶平原溢出地表，形成沼澤和泉集河，向下游徑流，最終注入鹽湖消耗于蒸發(fā)。

在橫(東西)向變化上，從沖洪積扇軸部到扇間洼地，地下水隨著地貌、巖相的變化具有由富變貧，透水性能也由好變差的特點(diǎn)。

2 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

通過(guò)抽水試驗(yàn)確定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用多種方法計(jì)算滲透系數(shù)(K)，經(jīng)分析對(duì)比選用合理的滲透系數(shù)(K)，并由此計(jì)算相應(yīng)的影響半徑(R)、導(dǎo)水系數(shù)(T)以及給水度(μ)，具體參數(shù)計(jì)算如下：

2.1 滲透系數(shù)(K)的確定

研究區(qū)進(jìn)行的抽水試驗(yàn)可分為兩種類型，單孔抽水試驗(yàn)及帶觀測(cè)孔的抽水試驗(yàn)，共完成了單孔抽水試驗(yàn)15組，其中帶單觀測(cè)孔的孔組抽水試驗(yàn)2組，采用穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流兩種理論方法計(jì)算滲透系數(shù)(K)。

2.1.1單孔抽水試驗(yàn)

(1)穩(wěn)定流方法

水文地質(zhì)參數(shù)選用潛水非完整井、潛水完整井的解析公式與影響半徑R的經(jīng)驗(yàn)公式聯(lián)立，用試算法求K。

(1)

公式選自GB 55027—2001《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》，該公式適用于潛水非完整井，單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，過(guò)濾器位于含水層中部，前文所述，含水層厚度大于200m，其中本次計(jì)算采用的有效含水層厚度為水位以下至孔底段，根據(jù)鉆孔的水位和孔深各孔的含水層厚度不一致。滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 穩(wěn)定流方法計(jì)算滲透系數(shù)(K)值結(jié)果表

根據(jù)前人多次實(shí)踐證明，穩(wěn)定流計(jì)算的滲透系數(shù)K值均偏小，一般不采用該種方法計(jì)算出的數(shù)值。

(2)非穩(wěn)定流方法

單孔非穩(wěn)定流計(jì)算采用了主孔直線法、主孔水位恢復(fù)法、庫(kù)伯—雅各布直線圖解法進(jìn)行了計(jì)算，見(jiàn)表2。

表2 單孔非穩(wěn)定流方法計(jì)算滲透系數(shù)(K)值結(jié)果表

計(jì)算公式：

(2)

(3)

(4)

式中，T—導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；s＇—剩余降深，m；i—直線段斜率；t＇—恢復(fù)時(shí)間，min；其余變量含義同上。

2.1.2帶觀測(cè)孔抽水試驗(yàn)

(1)穩(wěn)定流計(jì)算方法

①利用帶觀測(cè)孔的抽水試驗(yàn)資料計(jì)算滲透系數(shù)(K)，采用潛水非完整井公式計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 帶單觀測(cè)孔公式計(jì)算滲透系數(shù)(K)成果表

(5)

式中，Sw—抽水井降深，m；S1—觀測(cè)井降深，m；

r1—抽水井到觀測(cè)井之間的距離，m；rw—抽水井濾水管半徑，m；l—濾水管長(zhǎng)度，m；其余變量含義同上。

該公式選自《供水水文地質(zhì)手冊(cè)》第二冊(cè)，水文地質(zhì)計(jì)算第28頁(yè)(地質(zhì)出版社，1977年)，該式適用于潛水非完整井，帶一個(gè)孔的抽水試驗(yàn)。

(2)非穩(wěn)定流計(jì)算方法

利用觀測(cè)孔的抽水試驗(yàn)資料分別采用庫(kù)珀—雅各布直線法、泰斯水位恢復(fù)法、泰斯法，利用加拿大滑鐵盧水文地質(zhì)公司AquiferTest抽水試驗(yàn)軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 滲透系數(shù)(K)值計(jì)算成果表

計(jì)算公式：直線圖解法與水位恢復(fù)法同不帶觀測(cè)孔非穩(wěn)定流計(jì)算公式相同。

(6)

式中，W(μ)—井函數(shù)；μ—井函數(shù)自變量(與時(shí)間、距離及導(dǎo)壓系數(shù)有關(guān))；其余變量含義同上。

由于區(qū)內(nèi)第四系厚度較大，本次施工的鉆孔均為非完整井，由于穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流兩種理論計(jì)算的結(jié)果出入較大，所以對(duì)K值需分析研究后選取計(jì)算采用值，其取值遵循以下原則。

①由于穩(wěn)定流理論計(jì)算的參數(shù)明顯偏小，與實(shí)際出入較大，所以多選取與實(shí)際較接近的非穩(wěn)定流理論計(jì)算的參數(shù)。即單孔抽水試驗(yàn)資料一般選用水位恢復(fù)法、帶單觀測(cè)孔的孔組抽水試驗(yàn)選用觀測(cè)孔水位恢復(fù)法，如果帶一個(gè)以上觀測(cè)孔，則采用距離最近的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出的結(jié)果。

②運(yùn)用同一種理論方法計(jì)算，同一鉆孔在不同落程之間計(jì)算的參數(shù)結(jié)果近于一致的，取大降深的計(jì)算值。

③運(yùn)用同一種理論方法計(jì)算，同一鉆孔在不同落程之間計(jì)算的參數(shù)結(jié)果相差較大的，分析原因后有選擇性地取舍。

根據(jù)上述原則及所選用的計(jì)算公式，格爾木河沖洪積扇通過(guò)單孔、帶觀測(cè)孔計(jì)算的滲透系數(shù)及采用值見(jiàn)表5。

表5 滲透系數(shù)(K)值計(jì)算成果表

2.2 導(dǎo)水系數(shù)(T)的計(jì)算

利用單孔和帶觀測(cè)孔的抽水試驗(yàn)資料分別采用庫(kù)珀—雅各布直線法、主/觀測(cè)孔泰斯水位恢復(fù)法，利用加拿大滑鐵盧水文地質(zhì)公司AquiferTest抽水試驗(yàn)軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6，同滲透系數(shù)選擇原則一致，選取水位恢復(fù)法計(jì)算的導(dǎo)水系數(shù)。

表6 導(dǎo)水系數(shù)(T)值計(jì)算成果表

2.3 影響半徑(R)的確定

帶觀測(cè)孔的單孔抽水試驗(yàn)做了兩組，其他均為單孔抽水試驗(yàn)，采用主孔和觀測(cè)孔穩(wěn)定水位降深值，作圖法得出的結(jié)果明顯偏小，其主要原因是抽水孔的水躍值較大，所以潛水采用穩(wěn)定流理論中的庫(kù)薩金經(jīng)驗(yàn)公式確定影響半徑(R)值。

(7)

式中，變量含義同上。

在上式中，影響半徑R值隨降深S和滲透系數(shù)的變化而變化，所以根據(jù)抽水試驗(yàn)按前表2所選取穩(wěn)定流理論滲透系數(shù)K值后，換算成降深為5m影響半徑R，見(jiàn)表7。

表7 影響半經(jīng)(R)計(jì)算成果表

2.4 給水度的確定(根據(jù)單孔抽水資料確定給水度)

采用適用于K=0～600m/d中細(xì)砂以粗地層的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算給水度(μ)值，見(jiàn)表8。由表可見(jiàn)，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的給水度(μ)值與前人取值比較接近。

(8)

式中，變量含義同上。

計(jì)算得出，格爾木河沖洪積扇平均給水度(μ)為0.262。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)基本覆蓋整個(gè)沖洪積扇的大口徑水文地質(zhì)鉆孔參數(shù)計(jì)算，查明了各參數(shù)在橫向及縱向上的變化規(guī)律：在縱(南北)向上，自基巖山區(qū)至細(xì)土平原水文地質(zhì)參數(shù)具有逐漸減小的特點(diǎn)；在橫(東西)向變化上，從沖洪積扇軸部到扇間洼地，水文地質(zhì)參數(shù)隨著地貌、巖相的變化具有逐漸減小的特點(diǎn)。參數(shù)的確定是基于多種計(jì)算方法對(duì)比進(jìn)行的，取值準(zhǔn)確可靠。通過(guò)確定的水文地質(zhì)參數(shù)，計(jì)算了格爾木河沖洪積扇地下水允許開采量，并通過(guò)了青海省自然資源廳儲(chǔ)量評(píng)審中心的審查，各參數(shù)的確定對(duì)后續(xù)水文地質(zhì)相關(guān)的地下水位上升致災(zāi)、水源地合理布局的確定提供了基礎(chǔ)參數(shù)。