典型隔水边界非稳定流承压含水层抽水试验研究

郑玉萍，于 强，解大可，韩 晔，徐 鸣，韦劲松

(1.天津市控制地面沉降工作办公室，天津300061;2.山东省地质调查院，山东 济南250013)

含隔水边界的半无限含水层水资源量计算是具有理论和现实意义的一个地下水动力学问题。实际工作中找到一个典型的具有严格隔水边界的地段并非易事。

以一组典型隔水边界附近的抽水试验为例，阐述半无限含水层隔水边界附近的水文地质参数求取过程，并对求参过程及结果做详尽的论述，力求为今后相关工作起到一定的参考意义。

1 水文地质概况

试验场地位于山东省高密市柴沟镇小于家庄，属丘陵地貌。根据钻探成果，0～1.4m为第四系黄褐色粘土;1.4～11.4m为中生代止凤庄组土黄色砂岩;11.4～67m为止凤庄组潜流纹岩，紫灰色，斑状构造，斑晶为石英、斜长石，夹少量黑云母，岩心破碎。

2 试验开展情况简介

2.1 试验场地及试验井概况

本文涉及抽水试验场地位于高密市柴沟镇小于家庄村(图1)，地处高密南部低山丘陵地带。抽水试验选择在2009年1月份进行，地下水开采量有限，不受农灌及雨季等因素的影响，能够确保求取的水文地质参数的准确性。

表1 主井及观测孔基本情况一览表

试验涉及井孔(表1):抽水井GC4，为项目施工井，井深67m，取水段11.4～67m，静水位埋深2.485m;观测孔GC4－1，农户家日常用水井，井深40m，取水段3～40m，静水位埋深2.02m;观测孔 GC4－2，村庄引用大口井，井深13m，静水位埋深1.930m。

图1 抽水试验场地示意图

2.2 试验开展过程

2.2.1 天然流场观测

为了解地下水天然流场的变化情况，估算其对抽水试验观测数据的影响，在正式抽水试验之前进行了天然流场观测。由于冬季地下水短时间内补给量及开采量较小，天然流畅变动很小，24小时水位变化在5 cm范围以内，对观测数据影响范围在5 cm以内。

2.2.2 持续抽水观测

抽水采用水泵为QJ10－60型潜水泵，配套功率3 Kw，扬程60m，三相四线交流电作为动力。抽水共持续13 h。各井点同步观测。在抽水开始的前2 h内对各井水位按照《供水水文地质勘查规范》进行加密观测;2 h后则每半小时观测一次。

2.2.3 水位恢复观测

在持续抽水结束时同时开始水位恢复观测。对各井点在停抽2 h以内按照《规范》

进行加密观测，之后每半小时测量一次水位。共进行观测20 h，直至水位基本恢复至抽水前的状态。

3 参数求取

根据实际测量结果，水泵流量基本稳定于30m3/h，计算时取Q=30m3/h进行计算。

3.1 模型简介

根据试验场地水文地质概况，参照《地下水动力学》(薛禹群，地质出版社，1997年9月第二版)，该实验水文地质参数应套用隔水边界附近的承压非稳定井流模型进行计算。

图2 试验场地剖面图

图3 直线隔水边界附近的井孔概化模型

根据现场勘测，在抽水主井及GC4－1观测孔连线的垂直方向，距GC4－1观测孔8m处有一条东西向展布的隔水边界(图2，岩性接触部位)，因此应当在抽水主井GC4关于隔水边界的镜像位置虚拟一眼相同的抽水井(图3)。各井水位降深是两抽水井共同作用的结果。

根据《地下水动力学》(薛禹群，地质出版社，1997年9月第二版)，为将有界井流问题转化为无界井流问题，需采用镜像法进行参数求取。本次抽水试验利用承压非稳定流模型求取水文地质参数(导水系数T及贮水系数μ*)。

根据现场测量(图3)，可知抽水井GC4与观测孔GC4－1距离r1=r=26.6m，抽水井GC4与隔水边界距离a=34.6m，镜像抽水井与观测孔GC4－1距离r2=2a－r=42.6m。

3.2 参数求取

参数求取按照隔水边界附近的抽水试验参数求取方法进行。

3.2.1 利用lgS～lgt配线法求取水文地质参数

根据基础数据，求得u2/u1=2.5648。依据 W(u)数值表，以及W(u)～1/u标准曲线，计算1/u1数值并查得对应u1所对应的W(u1)值。再根据u2/u1比值计算u2值，根据W(u)～1/u标准曲线查得W(u2)并计算W(u1)+W(u2)的值(表2)。

表2 GC4－1标准曲线引用数值表

之后绘制纵轴为W(u1)+W(u2)，横轴为1/u1的双对数曲线，则得到适合观测孔GC4－1的W(u)～1/u标准曲线(图 4)。

图4 GC4－1观测孔W(u)～1/u标准曲线

在透明双对数纸上绘制出GC4－1的S～t实际资料曲线，将此曲线重叠在W(u)～1/u标准曲线上，在保持坐标轴彼此平行的条件下，使实测曲线和标准曲线尽量拟合。拟合之后，任选一匹配点A，取坐标值:

t=6min，s=0.418m，1/u=1.6667，W(u)=0.5544，代入Theis公式:

式中:Q为抽水流量;S为降深;W(u)，1/u为选取点对应标准曲线值;r为距离抽水主井距离;t为抽水延续时间;T为导水系数;μ*为贮水系数。

最终求得各观测孔参数值:

T=76.03m2/d，μ* =1.07 ×10－3

3.2.2 利用S～lgt直线图解法求取水文地质参数

根据地下水动力学关于隔水边界附近的S～lgt曲线形态的阐述，曲线应当在抽水初期与后期分别出现近似直线段。前期的斜率是后期斜率的一半。

对抽水井GC4及GC4－1观测井的前期与后期直线段分别求取参数，求取公式及结果如表3:

表3 GC4抽水试验参数求取成果表

经验证，各观测孔所求参数均满足公式所要求的直线法近似条件，求取数据有效。

4 对于参数的讨论

4.1 关于主井与观测孔求取参数差异的问题

在抽水试验参数求取过程中，往往遇到距离抽水主井越远，则求得的导水系数T值越大的情况。这显然是与实际情况不符的。笔者在《多孔非稳定流承压含水层抽水试验研究》(刊登于《山东水利》2010年03期)中曾对此问题进行过详尽的讨论并给出了结论及解决方案。该现象的出现是配线时人为误差的具体体现。距离抽水主井最近的观测孔，其求取结果往往是最为接近真实值的。因此，本次试验参数求取，应以GC4－1观测孔数据求取的T及μ*最为准确。

4.2 关于GC4－2观测孔的数据问题

根据实地勘测，GC4－2位于隔水边界北侧(图3)。根据GC4钻孔资料，隔水边界南侧1.4～11.4m为土黄色砂岩，致密，是较强的隔水层;而在隔水边界北侧砂岩厚度迅速增大，由于GC4－2井深13m，因此并未揭穿砂岩层位，GC4－2与本次抽水试验的目的层不属统一含水层组。

由绘制的GC4－2孔水位埋深随抽水延续时间变化曲线(图5)可以看出，抽水开始后，该井孔水位基本未受影响，埋深最大值2.21m，最小值2.132m，变幅0.078m。完全在地下水天然变动范围内。该数据也再次印证了推测隔水边界的正确性。抽水主井GC4与GC4－1观测孔所处含水层为理想的承压含水层。

图5 GC4－2观测孔水位埋深随抽水延续时间变化曲线

5 结论

(1)本文讨论的水文地质参数求取对象是比较严格的隔水边界附近的承压地下水问题，宜采用镜像法对参数进行求取。

(2)含隔水边界的办无限承压含水层与无限含水层一样，在以配线法求取参数中会产生求得的倒数系数T随距离抽水主井的距离越远而越大的问题。距离抽水主井最近的观测孔其T值最接近真实值。

(3)在确定是否采用半无限含水层模型进行参数计算前，应有针对性地布设可证明边界隔水性的水井予以观测，保证求参模型的选取无误。

[1]薛禹群.地下水动力学.地质出版社.1997.第二版.

[2]陈崇希.地下水动力学.中国地质大学出版社.1999.第一版.

[3]韩晔.多孔非稳定流承压含水层抽水试验研究.山东水利.2010.03.