复杂水文地质条件下含水层识别在非稳定流抽水试验中的应用：以司家营铁矿南区为例

左文喆,王斌海,程紫华

(华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山　063009)



复杂水文地质条件下含水层识别在非稳定流抽水试验中的应用：以司家营铁矿南区为例

左文喆,王斌海,程紫华

(华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山063009)

司家营铁矿南区水文地质条件复杂，控水构造发育，含水层类型具有明显的分区特性，表现出了含水层类型的多样性。为获得司家营南区合适的水文地质参数，提出一种新思路，同时考虑含水层类型和求参方法，利用含水层识别获得含水层类型、补给条件、隔水边界、井筒储集等含水层性质，再结合相应的数学模型求参。研究表明，含水层识别在指导水文地质求参方面表现出了它的优越性，提高了求参精度，是一种指导正确求取水文地质参数的手段。

司家营铁矿南区;水文地质参数;含水层识别；非稳定流抽水实验

0　引　言

司家营铁矿南区越流广泛存在，构造发育对矿体及其围岩破坏较大，水文地质条件复杂，求参难度较大。前期的水文地质工程地质工作主要围绕第四系开展，基岩研究程度低，且在水文地质求参上采用了单一的Theis配线法，由于矿区控水构造发育，含水层类型分区明显，求参采用单一的Theis配线法显然是不合理的，利用该水文地质参数会对地下水资源计算与评价、地下水数值模拟及预报造成误差。本文提出一种求参新思路，解决含水层性质不明条件下的水文地质求参问题。

水文地质参数的求解，经历了从稳定流阶段到非稳定流阶段，有Dupuit[1]和Thiem[2]提出的地下水流向水井的稳定流解析解和Theis[3]提出的非稳定流解析解，Theis公式标志着多孔介质渗流理论发展到非稳定流的新阶段[3-6]。除此外，还有利用Theis公式的Jacob直线图解法和Theis水位恢复法为水文地质求参的线性求解提供了方便[7]；Hantush公式能够解决越流系统存在的状况[8]。以上提出的井流方程旨在解决承压含水层和存在越流条件下承压含水层的求参问题，而潜水含水层与承压含水层对井孔扰动的响应具有完全不同的特征，相应的在解决此类求参上有考虑滞后的Boulton模型和考虑垂向流速的Neuman模型[9-10]。因此，根据井流模型可将含水层大体上划分为Theis无越流补给承压含水层、Hantush越流补给型承压含水层、Boulton或Neuman潜水含水层[7]。

司家营铁矿南区位于京山铁路以南的山前倾斜平原区，地处滦河冲积扇一级阶地中上部，区内地形开阔平坦，地势北高南低，坡降0.7‰～0.8‰，位于河北省滦县和滦南县交界。南区盖层和结晶基底在沉积和构造作用下共同构成了赋水的孔隙和裂隙介质，根据其孔隙的发育程度和裂隙的成因划分出4个含水层，分别为第四系上部强含水层、第四系下部含水层、风化带裂隙含水层和构造裂隙含水层。南区矿床上覆巨厚的第四系强含水体，使南区铁矿成为大水呆滞矿；垂向上第四系下部含水层和黏土隔水层相互叠置、犬牙交错，造成黏土隔水层厚薄不一，局部形成独立的含水层储水系统，多区域黏土层缺失，越流广泛存在；矿区北部发育F9、F10、F11、F12、F13多条断层，东部新河断裂带形成一条近南北走向、平面北宽南窄、垂向上宽下窄似“花朵”状的构造裂隙含水带，构造裂隙的发育使不同含水层间在垂向和侧向上产生水力联系。天然条件下，该构造裂隙带主要发挥贮水功能，开采条件下转化为矿床充水通道，第四系水通过底部黏性土层和强风化带垂向越流补给基岩弱风化带，然后沿构造裂隙带进入矿坑。第四系水为矿床充水的主要水源，基岩构造裂隙带为矿体充水的主要通道，由此构成了南区复杂的水文地质条件[11]。

1　多孔抽水试验

司家营铁矿南区完成了CK01、CK02、CK03、CK04共4个大孔的多孔抽水试验，各抽水大孔均布置在断层及其影响带上。多孔抽水试验为一个基岩抽水大孔附带7～14个观测孔的抽水试验(表1， 图1)，抽水试验历时72 h，抽水试验结束后开始停泵进行水位恢复观测，水位恢复历时60 h。

表1抽水主孔与部分观测孔径向距离

Table 1The radial distance of the main holes and the partial observation holes

主孔观测孔径向距离/mCK01NK06255.12NK07428.06CGK01703.57CK02GK02 2.10CGK02223.54NK03415.89CK03GK03 4.25CGK03513.27NK12870.65CK04NK18345.15GK04 3.65CGK04260.84

目前，Theis公式求解已成为解决非稳定流完整井流的主要求解方法，利用Theis公式计算含水层参数的传统方法主要有配线法、Jacob直线图解法和水位恢复法，求参方法上各有优缺点，配线法可利用抽水资料的全部资料，避免个别数据的偶然误差，其产生的误差主要来源于3方面：抽水时间过短，早期拟合不理想；抽水后期曲线平缓易受人为操作影响；在配线上，无论早、中、后期，配线法随意性较大，受人为干扰较大；Jacob直线解法避免了配线法的随意性，但在径向距离(r)和抽水时间(t)上约束较强，要求r较小，而t足够大[12]；Theis水位恢复法是利用水位恢复期数据的线性解法，同样也避免了配线法的随意性和抽水的波动，但恢复期数据处理较麻烦。

图1　多孔抽水试验主孔及观测孔布置情况Fig.1　The main and observation hole arrangement in porous pumping experiment

含水层的参数主要受含水层性质和求参方法的影响，然而在推求水文地质参数方面，国内的研究重点放在改变求参方法和改进数学模型上[6]，在含水层类型的认知上主要依靠勘探资料，但在控水构造发育的地区，地下水的赋存和运移较复杂，单纯依靠勘探资料是不全面的。因此，为了更精确地获得水文地质参数，本文提出一种新思路，在根据抽水试验数据求参时，先进行含水层识别，再确定求参方法，然后利用含水层识别来获得含水层类型、补给条件、隔水边界、井筒贮集效应等含水层性质，最后结合相应的数学模型求参。

2　含水层类型的识别

含水层的识别[13]可通过s-lgt(降深-时间)、ds/dt-lgt(降深速率-时间)曲线与标准曲线对比分析确定。各含水层类型的识别特征曲线描述如下。

(1)承压含水层。在抽水早期，s-lgt曲线在单对数坐标下表现为非线性段，但在抽水后期，表现为线性变化[12]。ds/dt-lgt曲线在早期表现为斜率渐增的曲线；在后期，水头趋于等速下降，降深速率曲线平行于横轴，这一阶段为抽水后期的“等幅下降”阶段。符合这一曲线特征的含水层类型定为Theis无越流补给承压含水层，如NK06孔含水层识别曲线(图2a)。

图2　不同含水层类型识别曲线Fig.2　The identification curves of different aquifer types

(2)弱透水含水层。在抽水早期，s-lgt曲线与Theis曲线曲率变化一致，但在抽水后期，由于弱透水含水层的越流补给，s-lgt曲线渐渐偏离Theis曲线，并且平行于横轴，达到抽水的稳定阶段。ds/dt-lgt曲线在早期也与承压含水层具有相同变化特点，在补给段，变化率随时间逐渐降低，当抽水量达到补给量，ds/dt-lgt曲线与横轴相交，变化率变为0。如GK02孔含水层识别曲线具有类似特点(图2b)。

(3)隔水边界的识别曲线特征。在抽水早期，隔水边界与承压含水层识别曲线特征仍一致，但在抽水后期由于隔水边界的存在，水量补给不足，降深幅度增加，渐渐偏离Theis曲线，表现为斜率渐增的s-lgt曲线，而ds/dt-lgt曲线表现出较明显斜率渐增的特征。如NK12孔含水层识别曲线具有类似特点(图2c)。

(4)井筒储集效应是由于井筒在抽水早期，井筒中储集的水量对抽水产生影响，使地下水降落产生滞后效应[14]。井筒储集效应影响在抽水早期较大，且对ds/dt-lgt曲线的影响最为明显，在单对数坐标中主要表现为“单驼峰”式的特点(图2d)，这种特点反映了井筒储集从影响到消失的过程。

图3　观测孔GK02的Theis及Hantush模型拟合曲线Fig.3　Fitting curves of Theis and Hantush models of observation hole GK02

多孔抽水试验中，主孔的识别曲线均表现出井筒储集效应的现象(图2d)。通过含水层识别，各水文孔含水层类型及边界条件见表2。多孔抽水试验各观测孔含水层识别均显示，司家营南区含水层类型多样，含水层类型有Theis无越流补给承压含水层、Hantush越流补给型承压含水层、双重空隙介质[15-17]的承压含水层、具隔水边界的承压含水层和存在井筒储集效应的含水层(图3)。

表2　含水层类型识别结果

3　实例分析

为说明含水层识别与求参的联系，本文对部分水文孔的含水层识别进行了详细分析说明。

司家营铁矿南区观测孔GK02识别曲线(图3)反映，在抽水后期s-lgt曲线表现出承压含水层线性变化的特征，未表现补给边界或越流承压含水层“折平拐弯”的特征；而ds/dt-lgt识别曲线在抽水早期就表现出弱补给的特征，抽水期整体表现出具越流条件的“拱形式”特点。GK02孔附近虽受F9-F13复合断裂的影响，但GK02孔附近黏土层较发育，含水层表现出越流滞后的现象，同时也反映出抽水时间不够长的问题[18]。

GK02孔抽水前中期s-lgt识别曲线并不能明显区别出补给的特性，s-lgt曲线识别特征的不明显造成含水层类型的定性上偏向于Theis无越流的承压含水层，而通过ds/dt-lgt曲线特征识别分析，含水层类型定为Hantush越流补给的承压含水层更符合实际。

观测孔GK04识别曲线(图4a)反映，GK04孔附近含水层为具备孔隙-裂隙两重性的双重含水系统。这种含水系统中，孔隙主要发挥贮存地下水作用，且具有高贮存率、低传导性的特点；裂隙以导水为主，具有低贮水率、高传导性的特点，该含水系统在抽水过程中存在由于延迟弹性释水的滞后现象。双重介质含水系统的s-lgt识别曲线在抽水早后期存在两组互相平行的直线段，ds/dt-lgt表现为“双拱式”的识别曲线。在GK04孔区域存在“天窗”，第四系下部含水层与基岩裂隙含水层存在直接的水力联系，这与识别分析的含水层性质一致。

根据GK02和GK04孔含水层识别结果，在参数拟合上分别采用了Theis(识别前)和Hantush、Double porosity(识别后)模型，参数识别结果见表3。参数表明含水层识别前后，水文地质参数存在明显的差异，而这种差异归结于对含水层性质认识的不明确、选用不合理的求参方法导致的。

图4　观测孔GK04 Theis及Double porosity模型拟合曲线Fig.4　Fitting curves of Theis and Double porosity models of observation hole GK04

以上分析也暴露出传统水文地质求参的劣势，传统水文地质求参往往会以任意模型的拟合精度去评价水文地质参数的准确性，含水层性质认识不明，造成模型的假定条件偏离实际的水文地质条件，而结合含水层识别的水文地质求参明确了含水层和数学模型的类型，表现出求参过程中的优势。

表3GK02、GK04孔不同求参方法的水文地质参数

Table 3The hydrogeological parameters by different methods in hole GK02 and hole GK04

计算方法数学模型孔号T/(m2/d)K/(m/d)S识别前TheisGK0280.64.58×10-14.24×10-2TheisGK04605.03.672.09×10-4识别后HantushGK0286.44.90×10-18.72×10-2DoubleporosityGK04360.03.712.82×10-4

含水层识别过程中，观测孔NK12孔在300～400 min表现出补给特性，但补给微弱，300 min之后降深骤增，s-lgt曲线偏离Theis曲线，ds/dt-lgt曲线斜率增大(图2c)，这些特性反映了隔水边界的存在，NK12孔附近含水层定为具隔水边界的承压含水层，在拟合上采用简单的Theis拟合显然与实际的水文地质条件是不相符的。

根据含水层识别分析，NK12孔参数识别中应运用斯托尔曼法(Stallman)，为求参方便，采用了能够分析特殊边界条件的Aquifer test软件[13]。针对NK12孔的含水层识别在300～400 min时段出现的补给段，将其分为两个时段拟合，分别为0～300 min和400～4 000 min。拟合证明：在抽水段0～300 min和400～4 000 min，用具有隔水边界的Theis模型拟合效果较好(图5)，为验证拟合参数的正确性，将其与Theis水位恢复法拟合参数进行对比(表4)。

拟合结果对比分析认为，NK12孔0～300 min

图5　NK12抽水期内Theis拟合曲线Fig.5　Fitting curves of Theis of hole NK12 in pumping period

Table 4Hydrogeological parameters of hole using Theis formula

计算方法时段/minT/(m2/d)K/(m/d)S配线法 0～3002.38×1041.2×1022.70×10-4400～40001.72×1038.683.19×10-3水位恢复法4680～86407.85×1023.97-

水文地质参数拟合结果偏大、不合理，其主要原因为：在0～300 min，抽水降深数据过少，虽然拟合效果较好，但主要拟合Theis曲线的后半段，造成井函数W(u)值偏大，降深偏小，导水系数和渗透系数偏大；选用在时段400～4 000 min的数据，用Theis配线法拟合结果更符合实际，引入边界的Theis配线法拟合，根据含水层识别对数据进行了筛分，从而提高了拟合的精度，突出了识别分析的重要性。

在水文地质参数计算中，计算人员多是根据经验进行强制性划分，选择相应公式计算，在含水层性质不明的条件下用拟合精度来评价参数的准确与否，显然这种求参方法和结果是不合理的。因此，如何正确认识含水层性质，并选用合适的求参方法，对于求参显得至关重要。利用抽水试验的s-lgt曲线、ds/dt-lgt曲线进行含水层或抽水含水层影响因素识别，正是一种获得含水层信息和指导使用正确求参方法的手段，并且含水层识别能够降低求参方法造成的误差，提高求参精度。

4　结　论

(1)司家营铁矿南区控水构造发育，含水层类型存在区域的分区特性，含水层类型有Theis无越流补给承压含水层、Hantush越流补给型承压含水层、双重空隙介质的承压含水层、具隔水边界的承压含水层和存在井筒储集效应的含水层。

(2)含水层类型可以通过含水层识别确定，各类型含水层在含水层识别曲线上表现出各自明显的特征，这些特征可识别含水层的类型、边界条件、储集效应等含水层特征。

(3)含水层识别在指导水文地质求参上表现出了它的优越性。含水层识别降低了选用求参方法造成的误差，提高了求参精度。

[1]DUPUIT J. Theoretical and Practical Studies of Water Flow in Open Channels and through Permeable Terrains[M].Second Edition. Paris: Dunod,1863:304.

[2]THIEM G.Hydrologische Methoden(Hydrological Methods)[M]. Leipzig: Gebhardt,1906:56.

[3]THEIS C V.The relation between the lowering of the piezometric surface and the rate and duration of discharge of a well using ground water storage[J]. Transactions of the American Geophysical Union, 1935,16(2):519-524.

[4]肖长来, 梁秀娟, 崔建铭, 等. 确定含水层参数的全程曲线拟合法[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2005(6):73-77.

[5]李佩成. 地下水非稳定流解析法[M]. 北京：科学出版社，1990:20-30.

[6]李培月. 非稳定流抽水试验确定越流承压含水层水文地质参数方法对比研究[D]. 西安：长安大学, 2011:2-24.

[7]JACOB C E,LOHMAN O W.Nonsteady flow to a well of constant drawdown in an extensive aquifers[J].Transactions of the American Geophysical Union,1952,33(4):559-569.

[8]HANTUSH M S. Analysis of from pumping tests in leaky aquifers[J]. Transactions of the American Geophysical Union, 1956, 37(6):702-714.

[9]BOULTON N S. The drawdown of the water table under nonsteady conditions near a pumped well in an unconfined aquifer[J].Journal of Institution Civil Engineering,1954, 3(4):564-579.

[10]NEUMAN S P,WITHERSPOON P A.Theory of flowing a confined two aquifer system[J]. Water Resources, 1969,5(4):803-816.

[11]刘大金. 河北省滦南县司家营铁矿南区水文地质工程地质补充勘探报告[R]. 石家庄: 华北有色工程勘察院有限公司，2013:20-90.

[12]薛禹群. 地下水动力学[M]. 北京：地质出版社，1997:100-164.

[13]Hydrogeologic Incorporated.Aquifer Test v 4.2 User’s Manual[M]. Waterloo: Hydrogeologic Incorporated, 2007:121-175.

[14]刘日, 刘慈群. 考虑井筒存储和表皮效应的有限道路垂直裂缝井的试井分析方法[J]. 油气井测试, 1993(2):1-10.

[15]罗二辉, 胡永乐, 王磊,等. 双重介质水平井产量递减分析方法[J]. 现代地质,2013,27(6):1440-1444.

[16]王洪涛, 谢秀辉, 曹以临. 北方岩溶含水层双重介质水流模型及其应用探讨[J]. 现代地质,1989，3(1):124-135.

[17]李爱芬, 刘照伟, 杨勇. 双重介质中有限导流垂直裂缝井试井模型求解的新方法[J]. 水动力学研究与进展, 2006,21(2):217-222.

[18]雷国辉, 葛国昌, 雷国刚, 等.承压完整井非稳定流抽水试验的观测时间要求[J]. 水文地质工程地质, 2009(1):40-43.

Application of Aquifer Identification in Complicated Geological Condition by Transient Flow Pumping Test：An Example of Southern Area of Sijiaying Iron Mine

ZUO Wenzhe,WANG Binhai,CHENG Zihua

(CollegeofMineEngineering,NorthChinaUniversityofScienceandTechnology，Tangshan,Hebei063009，China)

The southern area of Sijiaying iron mine is of complex hydrogeological conditions, and the water-controlling structures well develop. The aquifer type has an obvious zonal feature, showing the diversity of aquifer type, which undoubtedly increases the difficulty to infer the hydrogeological parameters of aquifer. Hydrogeolo-gical parameters of aquifer have become an important basis for groundwater numerical simulation to forecast and evaluate groundwater resources. Therefore, to verify the obtaining parameters under complex hydrogeological conditions in southern area of Sijiaying iron mine, the authors put forward a new idea, considering the aquifer type and method of obtaining parameters, using aquifer identification of the aquifer type to obtain the aquifer type, recharge condition, impervious boundary,and well storage.Combined with the corresponding mathema-tical model, the parameters are determined. This research shows that the aquifer identification has the superiority in the aspect of guiding to the calculation of hydrogeological parameters. This method increases the calculation accuracy and it is an effective way to obtain the correct parameters.

southern area of Sijiaying iron mine; hydrogeological parameter; aquifer identification; transient flow pumping test

2015-05-25；改回日期：2016-02-03；责任编辑：戚开静。

河北省自然科学基金项目(D2011209071，E2013209328)；唐山市科技计划项目(14130245B)。

左文喆，女， 博士，副教授， 1969年出生，水文地质学专业，主要从事水文地质及环境地质研究。

Email: zuowenzhej@sina.com。

P641.4

A

1000-8527(2016)02-0478-06