AquiferTest 软件在地下水动力学教学中的应用

刘延锋，刘 倩，王建军

(中国地质大学 环境学院，湖北 武汉430074)

抽水试验是通过水文地质钻孔抽水确定水井出水能力，获取含水层的水文地质参数，判明某些水文地质条件的野外水文地质试验工作。抽水试验的主要任务之一是确定含水层水文地质参数，如渗透系数(K)、导水系数(T)、释水系数(μe)和给水度(μd)等。稳定流抽水试验数据一般采用经验公式处理［1］，非稳定流抽水试验数据多采用配线法、直线图解法进行处理，有越流补给但不考虑弱透水层弹性释水时，可采用拐点法计算［1-2］。水文地质参数确定的精度直接影响地下水渗流场定量分析与地下水资源评价的可靠性。生产过程中多采用配线法和直线图解法处理非稳定流抽水试验数据来确定参数，在处理过程中存在人为主观判断，造成相同数据不同人计算出的结果不同，从而影响地下水渗流场定量刻画与比较［3］。为了便于数据处理，出现了一些处理抽水试验数据的专业软件，如AquiferTest、AQTESOLV、Aquifer -Well-Test 等，它们采用了优化技术，降低了人为主观性，处理速度快，计算结果精确，可对比性好，在国外得到了比较广泛的应用;但国内目前在生产实际中的应用并不多，一些学者和单位开始使用AquiferTest 软件进行数据处理［3-4］。AquiferTest 软件是加拿大滑铁卢水文地质公司(Waterloo Hydrogeologic Inc．)开发研制的专门用于抽水试验和微水试验(Slug test)资料分析、数据处理的图形化分析软件，处理试验数据快捷简便，软件中包含了多种分析模型，包括Theis、Cooper ＆ Jacob、Theis with Jacob Correction、Double Porosity 等模型，能够确定多种类型含水层的参数，如承压含水层、潜水含水层、越流含水层和基岩裂隙含水层等，并能够进行水位预测、井群干扰降深计算、含水介质性质判断以及试验数据处理报告等功能［5］。

非稳定流抽水试验数据处理及水位降深计算是地下水动力学这门专业基础课实践教学中的重要内容，也是水文地质调查的重要工作内容。由于非稳定井流理论公式比较复杂，计算过程中需要查表获取数据，过程繁琐，学生通常难以完全理解和掌握抽水试验数据处理理论与方法。手动处理抽水试验数据需要透明双对数纸、标准曲线图、单对数坐标纸等材料，且存在一定主观性，影响计算精度。而使用AquiferTest 软件处理抽水试验和微水试验数据，学生只要掌握基本原理及不同水文地质条件所对应的解析模型就能进行数据处理，很容易地掌握各种抽水试验数据的处理方法。利用该软件的降深预测、边界条件性质判断等功能，可以帮助学生更好地理解问题，增加学习兴趣，还便于学生开展探索性研究。在教学过程中，笔者指导学生使用AquiferTest 4．2 测试版进行抽水试验数据处理、水文地质条件识别和降深预测等，学生们很快掌握了相关技巧，并提高了学习兴趣。

1 抽水试验数据处理

1．1 数据

在某灰岩承压含水层中进行抽水试验，抽水井流量比较稳定，平均为Q=5 136 m3/d，观测孔G1距抽水井的距离为r =52 m，观测孔中水位降深(见表1)。

表1 无界承压含水层中抽水试验观测资料［6］

1．2 配线法

在透明双对数坐标纸上绘制观测孔的lgs -lgt 实测曲线，将该实测曲线与标准曲线进行对比，当曲线最佳拟合时，选择匹配点(见图1)，坐标分别为:

依据泰斯(Theis)公式，可推导出计算含水层的导水系数T 和释水系数μe值的公式:

图1 标准曲线配比法图解

在AquiferTest 软件中的Pumping Test 选项卡中输入抽水试验信息、物理量单位、含水层厚度、抽水井和观测井的坐标、类型、半径、滤管位置和孔隙度等基本信息;在Discharge 选项卡中输入开采量;在Water Levels 选项卡中输入观测孔的水位或降深。在Analysis 选项卡中选择所使用的观测孔，图形区会显示s -t 曲线，界面右侧显示AquiferTest 软件中分析模型，在本例中选择Theis 模型，然后点击Fit 按钮，程序运行收敛后，在Results 区中显示计算结果。使用G1观测数据获取的参数值为:T =954 m2/d，μe=2．30 ×10-3。

手动配线时，lgs-lgt 点的绘制及匹配点选取上具有一定人为性，导致计算出的T 和μe值不尽相同。对学生们手动配线法获取的参数值进行统计分析(见表2)，结果显示其确定的T 值范围为454．12 ～1 119．75 m2/d，标准差为94． 91 m2/d，变 差 系 数 为10． 34%;μe值 范 围 为1．79 ×10-3～4．67 ×10-3，标准差为4．12 ×10-4，变差系数为17．87%。可见，尽管数据相同，受拟合程度判断的主观性的影响，获取的参数差别很大，T 和μe值的极差可达665．63 m2/d 和2．88 ×10-3，最大值和最小值之比分别为2．5 和2．6。

表2 手动法获取参数的统计分析

1．3 直线图解法

可见s 与lgt 成线性关系，即s-lgt 为直线(见图2)，可利用直线段的斜率m 确定含水层导水系数T:

延长直线段与s=0 横轴相交点为t0=3 min=2．08 ×10-3d，可获得释水系数μe:

图2 直线图解法图解

与配线法相似，在输入基本信息和数据后，在Analysis 选项卡中选择Cooper ＆ Jacob I 分析模型，点击Fit 按钮采用直线图解法进行求解。通过试算，使用G1 观测孔50min 之后的观测水位，计算出的参数为:T =965 m2/d，μe=2．17 ×10-3，此时，观测孔处的u=0．044 ＜0．05，满足假设条件。计算结果与手动直线图解法计算出的参数很相近，但释水系数偏差较大。

直线图解法亦存在一定主观性，学生们获取的参数值亦存在较大差别，其中T 值范围为870．27 ～1044．32 m2/d，标准差为31．69 m2/d，变差系数为3．35%;μe值范围为1．80 ×10-3～3．82 ×10-3，标准差为3．53 ×10-4，变差系数为15．25%。尽管直线图解法比配线法结果的差别幅度小，但获取的参数差别仍比较大，T 和μe值的极差可达174．05 m2/d 和2．02 ×10-3，最大值和最小值之比分别为1．2 和2．1。

2 降深预测

利用AquiferTest 软件还可以进行开采条件下的水位降深预测，其过程与前述利用抽水试验数据确定参数相似。首先在Pumping Test、Discharge 选项卡中确定开采井的位置、相关信息以及预测孔的位置，然后在Water Levels选项卡中输入预测时间，在水位或降深列中输入任意数值，在Analysis 选项卡中点击Show Parameter Controls 按钮，在Parameter 对话框中输入导水系数和释水系数等参数，并锁定;在右侧Model Assumption 中将Discharge 选项设置为Variable;点击Fit 按钮进行计算，最后Analysis 菜单下的Statistics 菜单项命令窗口中，可以获取预测水位降深值。

群井阶梯状流量抽水的水位或降深预测非常繁琐，且容易计算错误，利用AquiferTest 软件则很容易实现。某地区一无界承压含水层中有3 眼完整井开采，分布如图3 所示，含水层的导水系数T =200 m2/d，释水系数μe=2 ×10-3，3 眼井的开采情况如表3 所示［6］。若用解析法计算某一时刻观测点M 处水位降深，则需要包含5 项降深计算公式。利用AquiferTest 软件，很容易就可以获取M 点处的降深历时曲线(见图4)。

3 含水介质及边界性质诊断

AquiferTest 软件具有通过s -t 曲线判断含水介质特性的功能。在Analysis 选项卡中的Diagnostic Graph 中，给出了Confined、Leaky or recharge boundary、Barrier boundary、Double porosity 和Well effects 五种情况下的泰斯理论降深(Theis type curve，短划线)、特定条件下的理论降深(Theoretical drawdown curve under the expected conditions，黑色实线)及降深的时间导数(Drawdown derivative curve，绿色实线)3 条曲线。将实际曲线与5 种标准曲线对比，可以判断边界性质和含水介质特性。

图3 开采井分布图

图4 预测降深历时曲线

表3 抽水井工作情况一览表

表4 为某断裂附近承压含水层完整井抽水时的观测孔降深数据，开采量为1 000 m3/d，观测孔与抽水井位于断裂同一侧，距开采井20 m［6］。将相关信息输入Aquifer-Test 软件，在Analysis 选项卡中的Diagnostic Graph 中显示观测孔的实测降深及降深导数点线(见图5)，二者关系与Barrier Boundary 标准图形一致，表明该断层为阻水断层。

表4 断层附近抽水试验观测孔降深数据［6］

图5 实测降深曲线及降深导数曲线与标准曲线对比图

4 结 论

抽水试验及地下水位降深预测是地下水动力学教学中的重要内容，也是水文地质实际工作中重要的工作内容。依据地下水非稳定流理论手动处理抽水试验数据以获取水文地质参数具有主观性，且费时费力。利用AquiferTest 软件可以快速确定水文地质参数及复杂开采条件下的水位降深预测，人为主观性小，计算精度高。依据实测降深及其导数曲线关系，可以确定抽水试验场地的含水层性质、介质特征、边界条件及井效应等，选择更为合适的模型进行抽水试验数据处理与降深预测。

通过在教学中引入AquiferTest 软件，提高了学生的学习兴趣，使学生快速掌握了抽水试验数据的处理方法，并能够利用该软件进行水文地质条件诊断及降深预测，提高了计算的准确度和精度。

［1］中华人民共和国水利部． 水利水电工程钻孔抽水试验规程(SL320 -2005)［S］．西安:陕西人民教育出版社，2005．

［2］陈崇希，林敏，成建梅．地下水动力学［M］．北京:地质出版社，2011．

［3］蒋 辉． 基于AquiferTest 的抽水试验参数计算方法分析［J］．水文地质工程地质，2011，38(2):34 -38．

［4］陶宗涛，闫志为．AquiferTest 软件求解承压含水层水文地质参数的方法及效果［J］．水电能源科学，2012，10(10):58 -60．

［5］Schlumberger Water Services． AquiferTest User’s Manual［R］． Waterloo:Waterloo Hydrogeologic Inc，2010．

［6］靳孟贵，成建梅． 地下水动力学实验与习题［M］． 北京:中国水利水电出版社，2010．