基于不同孔径钻孔抽水试验求参对比分析

邱 欣，陈彦美

(长江大学资源与环境学院，湖北 武汉 430100)

抽水试验可通过水文地质钻孔或水井抽水确定井(孔)涌水量，获取含水层的水文地质参数，评价含水层的富水性，了解地下水、地表水及不同含水层之间的水力联系，为地下水资源开发利用及相关工程设计提供基础依据。在实际工作中，求参方法主要包括稳定流抽水试验常用的裘布依稳定井流法和非稳定流抽水试验采用的配线法、直线图解法等。裘布依稳定井流法以裘布依模型为基础，对含水层条件进行了概化处理，求参方法单一，不适用与复杂水文地质条件。近年来，随着计算机技术在含水层参数计算中的广泛应用，利用软件计算渗透系数等水文地质参数变得方便快捷，并得到推广。

本文以某傍河水源地潜水含水层抽水试验为例，应用裘布依稳定井流法和Aquifer Test软件的Theis with Jacob correctio法和Neuman法进行参数计算，并对计算结果进行对比分析，验证参数计算方法的合理性。

1 抽水试验概述

研究区分布着第四系冲洪积物含水层和泥质板岩相对隔水层，构成现代河谷低阶地及河漫滩带，多具二元结构，表层为土黄色亚砂，是良好的植被区，下部为砂砾卵石层，构成较好的地下水含水空间，渗透性较强，补给条件好。区内地下水垂向上主要接受大气降雨补给，侧向上主要接受河流测渗补给，同时在山前接受少量的砂岩裂隙水补给，然后沿河道向下游方向径流，最终在河流深切处向河流排泄。在水源地完成两个钻孔，钻孔编号分别为BK-1和GJ-1，并各带一个观测孔，观测孔与钻孔的连线垂直于河床(图1)。为防止上层滞水对含水层的影响，两个钻孔均在稳定水位以上安置无缝钢管进行隔水。钻孔BK-1中水位埋深5.54～6.50 m，含水层厚度约为21.5 m，孔径为0.084 m，观测孔孔径0.084 m，钻孔距离观测孔5 m，距离河边35 m；钻孔GJ-1中水位埋深5.54 m，含水层厚度约为21.5 m，孔径为0.188 5 m，观测孔孔径0.084 m，钻孔距离观测孔10 m，距离河边35 m。根据含水层及抽水井结构，两口井均为完整井，抽水试验采用2个落程的稳定流抽水，因此可以通过稳定流相关公式计算含水层水文地质参数，本文以BK-1和GJ-1的抽水试验数据进行讨论。

图1 抽水试验降深示意图

2 裘布依稳定井流

裘布依稳定井流假设条件：均质、各向同性、隔水底板水平的圆柱形潜水含水层，外侧面保持定水头，中心一口完整抽水井，简称圆岛模型，没有垂向入渗补给和蒸发排泄，且渗流服从线性定律的稳定流动。这些假设条件下，以定流量对一单井进行抽水，井中水位迅速下降，周围含水层中的地下水便向井流动，形成轴对称的降落漏斗。随着抽水的延续，降落漏斗不断向外并向纵深发展，经一定时间后，当地下水向井的径流量与井的涌水量相平衡时，漏斗便不再发展而达稳定状态，水量和各断面的水位为稳定值，整个漏斗范围内水流达到新的平衡状态而呈现稳定流动的特征。

2.1 单孔抽水无观测孔

(1)

影响半径一般采用库萨金经验公式：

(2)

2.2 单井抽水有一观测

(3)

式(1)(2)(3)中：K为含水层渗透系数，m/d；Q为抽水试验流量，m3/d；R为影响半径，m；rw为抽水井半径，m；r1为抽水井到观测井距离，m；sw为抽水井水位稳定时水位降深，m；s1为观测井水位稳定时水位降深，m；H为潜水含水层厚度，m。

在研究区抽水试验中，将BK-1和GJ-1试验数据代入公式(1)(2)(3)进行求解，结果见表1。

表1 含水层参数计算结果

裘布依稳定井流法计算的精度有限，主要在于研究区水文地质条件与裘布依稳定井流概念模型设定条件有很大差异所导致。因此，在实际工作中，不宜采用由裘布依稳定井流计算所获水文地质参数。

3 Aquifer Test软件求参

3.1 Aquifer Test软件求参方法

Aquifer Test软件是专门用于抽水试验资料分析、数据处理的图形化分析软件，处理试验数据快捷简便，提供14种理论分析方法计算含水层参数，本文主要介绍Theis with Jacob correction和Neuman法两种理论分析方法。

3.2 Aquifer Test软件求参过程

本次研究试验中，各孔组抽水试验水位采用地下水位自动观测仪进行记录，观测频率为每1 min观测一次，既达到稳定流抽水试验要求，也满足非稳定流抽水试验。观测时间均延续到了稳定状态，时间t足够大，使得u远小于0.01，且降深远小于含水层厚度(s≤0.1～0.3 H)，这时能够利用Aquifer Test软件中的Theis with Jacob correction法和Neuman法进行计算。

在Aquifer Test中设置抽水孔和观测孔两口完整井，输入井的具体参数；在水位界面选择观测井，输入数据；在分析窗口分别选择Theis with Jacob correction和Neuman、Boulton两种求解方法以专业判断力进行配线。

3.2.1 Theis with Jacob correction法

选择Theis with Jacob correction进行配线，移动曲线，调整曲线图以实现自动和手工的最佳拟合效果，所求的水文地质参数的结果会随理论曲线的移动而更新。输入钻孔GJ-1抽水量1 400 m3/d的观测孔数据，配线结果为：导水系数T=3.34×102m2/d，贮水系数μ*=4.25×10-3，计算K值为15.53 m/d。拟合结果见图2。

图2 GJ-1观测孔Theis with Jacob correction配线

同样，对其他抽水井运用Theis with Jacob correction法进行求参，计算结果见表2。

表2 Theis with Jacob correction法计算汇总

3.2.2 Neuman法求参

输入钻孔GJ-1抽水量1 400 m3/d的观测孔数据，选择Neuman进行配线，调整后的曲线如图4。配线结果为：T=3.29×102m2/d，计算K值为15.3 m/d。拟合结果见图3。

同样，对其他抽水井运用Neuman法进行求参，计算结果见表3。

图3 GJ-1观测孔 Neuman 配线

编号落程涌水量/m3/dNeuman法导水系数/m2/d贮水系数渗透系数/m/dBK-1GJ-115762．93×1027．71×10-313．6321103．20×1021．07×10-314．88114403．29×1023．19×10-315．3027203．34×1022．24×10-315．53

4 求参结果对比

4.1 稳定井流求参对比

本实例中进行了2组抽水试验，每组有一个抽水孔和一个观测孔，属带一个观测孔的单孔抽水试验。从两种稳定流公式法计算结果可看出，利用带观测孔数据计算的渗透系数跟接近真实值。原因在于抽水孔存在水跃值，使得抽水井内水位值与井壁水位值存在一个差值。若直接用抽水井数据计算，其结果比用观测孔计算的值大。

4.2 AquiferTest 软件求参对比

AquiferTest软件的两种分析方法，即Theis with Jacob correction法与Neuman法所求导水系数T和渗透系数K结果相吻合。Theis with Jacob correction法，虽然使用简单方便，但其求解是在给水度和导水系数T为常数的假定条件下推导出来的，而潜水含水层的实际给水度和导水系数T随含水层厚度的改变而变化的。因此利用Theis with Jacob correction求水文地质参数，与实际情况有一定出入。Neuman法要求潜水含水层是均质各向异性的，重力给水度是常量，考虑垂向渗透速度和弹性释放，并把“重力滞后给水”近似替换为“潜水面滞后反应”。实际中，水源地含水介质不是各向同性的，潜水面是一个曲面，地下水渗流是三维流，因此，Neuman井流公式的假定条件与研究区水文地质条件拟合度更高，利用Neuman井流计算得出的水文地质参数方法科学，数据可靠程度高。

4.3 稳定井流法与AquiferTest软件计算对比

稳定井流公式法与AquiferTest软件对渗透系数的计算结果有一定误差。原因在于稳定井流法对实际的水文地质条件概化处理，而实际情况往往很复杂，用稳定流公式计算的结果就会有一定的偏差。而Aquifer Test软件的分析依据的是非稳定流理论，假设条件更接近真实情况。因此，在粗略估算水文地质参数时可以采用稳定流计算公式，但是在进行地下水资源评价及模拟计算时，水文地质参数的计算最好采用多种方法进行比较分析，从而选取科学、合理的参数。

5 结语

(1)根据抽水试验资料，利用Aquifer Test软件计算取得的结果，符合当地实际水文地质条件，也说明用Aquifer Test软件计算水文地质参数方法合理可行、计算结果可靠，是一种计算方便快捷且结果精确的新方法，为水源地的选取及开发利用提供重要的理论依据。

(2)由于本次试验中二组抽水井的抽水量、抽水时间、抽水井与观测井距离等因素均没有统一，致使无法研究抽水量、抽水井与观测井距离对水文地质参数计算的影响，因此还需进一步地深入探索研究。

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