潜水-微承压含水层水文地质参数求解方法研究

任柳妹,杨军耀,吕 路

(太原理工大学水利科学与工程,山西太原030024)

潜水-微承压含水层水文地质参数求解方法研究

任柳妹,杨军耀,吕 路

(太原理工大学水利科学与工程,山西太原030024)

潜水-微承压含水层水文地质参数是正确评价山西临汾涝洰河生态建设工程,确定水库渗漏量的重要依据。以涝河河谷中段C6典型抽水试验为基础,基于含水层试验(Aquifer Test)专业软件,分析多种方法下获取的潜水-微承压含水层水文地质参数。结果表明,考虑潜水重力释水的Boulton法和水位恢复法求得的水文地质参数稳定可靠,可为后期水文地质数值模拟提供基础数据。

水文地质参数；潜水-微承压含水层；含水层试验；Boulton法；涝洰河生态建设工程

0 引 言

水文地质参数是水文地质条件中反映含水层或透水层水文地质性能的指标,是进行地下水资源评价、含水层污染风险评价以及地下水数值模拟和溶质运移模拟的前提条件[1],其精确度直接影响后期水文工作。考虑人工求参的繁琐以及人为性,利用计算机求解水文地质参数已得到广泛应用和认可[2- 3],如MATLAB、1stOpt通用优化计算平台、Lingo和GAMS等[4- 8]。但考虑到此类优化和数值算法涉及计算机编程,有相当难度。而借助成熟的计算机平台不仅可以节省大量资金和工作量,还具有精度高、可比性好的优点,为了解研究区含水层水力特征、地下水数值模型和水资源评价提供重要基础。

含水层试验(Aquifer Test 4.2)是加拿大斯伦贝谢水务公司发布的最新专门用于抽水试验和微水试验资料分析、数据处理的图形化分析和报告软件,包含多种分析模型[9-10],主要有Theis、Hantush、Theis with Jacob Correction、Neuman、Papadopulos&Cooper、Cooper&Jacob、Double Porosity 等模型,能确定多种类型含水层的水文地质参数,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,并具有水位预测、井群干扰降深计算、含水层补给边界条件和含水介质性质判断等功能。

本文以涝洰河生态建设工程涝河段抽水试验为例,在分析研究了该地区潜水-微承压含水层结构特征的基础上,应用Aquifer Test抽水试验软件中考虑潜水重力释水的Boulton法、Theis配线法、考虑弱透水层弹性释水的Hantush with Storage法和水位恢复法这4种不同方法,探索求解潜水-微承压水水文地质参数的适用方法。

1 研究区概况

1.1 地形地貌

涝洰河生态建设工程位于山西省临汾市尧都区境内,西至汾河,分布在涝河及洰河两岸500～1 000 m不等宽度范围内,占地面积22.4 km2。主要河流为汾河及其支流涝河、洰河,为东西向汾河汇集的汾河水系。

研究区位于临汾盆地中部、汾河东部的冲积平原区,分布有河谷及河漫滩,以及汾河一、二、三级阶地等多种微地貌单元。东高西低,涝河、洰河的河槽处形成低谷；涝洰河交汇处以西的区域地势相对平坦,涝河与洰河之间的大片区域也相对平坦；涝河与洰河交汇处以东的区域河床两侧分布陡坎,高差变化范围广且坡度极大,河床内不平坦,分布中等和较高坡；位于涝河与洰河之间的狭长沟谷区两侧也分布陡坡和极陡坡。研究区地质地貌见图1。

图1 研究区地质地貌

1.2 水文地质条件

涝洰河生态建设工程研究区共分3个水文地质单元或分区。即涝洰河交汇处至汾河入口段涝河左右岸为Ⅰ区；涝洰河河间地块区、涝河右岸阶地区与洰河左岸阶地区为Ⅱ区；涝洰河交汇处至汾河入口、涝河河谷区与洰河河谷区为Ⅲ区。其中,涝河右岸阶地区域0～30 m范围内没有连续稳定的含水层,局部夹粉砂、细砂透镜体。浅层地下水赋存于亚砂土中,粉质粘土或亚粘土为相对隔水层,洰河左岸阶地区域与涝河右岸阶地区含水介质特征基本相同,富水性差,供水意义不大。涝洰河河间地块区域0～50 m范围内没有连续稳定的含水层,局部夹细砂、粗砂透镜体,浅层地下水赋存于黄土中,亚砂土及局部细砂、粗砂透镜体构成相对潜水含水层,下部粉质粘土或亚粘土为相对隔水层,富水性差。研究区主要为沿河流走向的连续含水层,主要分布在涝洰河交汇处至汾河入口涝河河谷区、涝洰河交汇处上游河谷区、洰河河谷区,南北向无水力联系。

上部潜水含水层为粗砂、砾石,厚1.2～11.3 m,由东向西逐渐变厚,东部一定范围内表层覆盖0.5～3.5 m的粉土,使其含水层局部具有微承压性；中间弱透水层以粉土、粉质粘土为主,厚8.9～12.5 m,局部夹粗砂、细砂透镜体；下部为微承压含水层,以中粗砂为主,砂质粒径由东向西逐渐变粗,靠近汾河处为粗砂、砾石,含水层厚2.4～14.3 m,顶板埋深15.2～20.8 m,底板埋深21.3～24.7 m,含水层连续性好,分布稳定。将研究目标层概化为潜水-微承压含水层,含水层厚度全部利用。地下水接受降水入渗补给、侧向径流补给,灌溉回归入渗补给量较小。地下水排泄以人工开采、侧向径流排泄为主,蒸发次之,水流向由东向西。涝河河谷段水文地质剖面见图2。

图2 涝河河谷段水文地质剖面(孔深：m；高程：m)

表2 各观测孔观测结果

2 抽水试验

在入汾河口布置H13抽水主孔,涝洰河近交汇段布置G12抽水主孔,涝河河谷中段和上段布置C6和H1抽水主孔,洰河河谷中段和上段布置G9-1和G1抽水主孔(见图1)。各抽水试验主孔信息见表1。

表1 各抽水试验主孔信息

采用1次降深,带1个观测孔的抽水试验及水位恢复试验。以稳定流抽水,按非稳定流要求观测,观测时间为抽水开始或停泵后均按1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min各观测1次,以后每隔30 min观测1次,同步观测观测孔的水位埋深,用电测水位仪观测水位,误差不超过±5 mm,用水表观测流量,误差不超过±0.1 m3,抽水稳定延续时间不少于8 h。各观测孔观测结果见表2。

3 水文地质参数

研究区抽水试验求取的微承压含水层水文地质参数有渗透系数k、给水度μ、贮水系数μ*等。水位下降将引起2部分水的排出,一部分为在上部潜水面下降部位引起的重力排水,另一部分为下部饱水部分由于水头下降引起的弹性释水[11]。潜水层重力释水具有普遍的滞后作用。

以涝河河谷段的抽水试验C6数据资料为基础,利用Aquifer Test软件求解微承压含水层的水文地质参数。抽水井C6稳定抽水量为0.91 L/s,稳定水位降深为5.497 m,上部为厚3.1 m的卵石潜水层,下部为厚1.4 m的细砂承压含水层,这样的一个双层含水层结构厚度记为4.5 m。观测井C6-1距离其18.73 m。

3.1 Aquifer Test多方法求解参数

(1)考虑潜水重力释水的Boulton法。将主孔C6和观测井C6-1的抽水及恢复全过程试验数据分别输入相应的位置,用Analysis选取Boulton分析。选择软件自动配准后,运用参数控制功能可达到更好的拟合效果。Boulton法拟合曲线见图3。导水系数T=26 m2/d,给水度μ=5.36×10-4,贮水系数μ*=4.96×10-5,μ/μ*=17.8。在涝河河谷中段,由于承压含水层水分的运动滞后于地下水水位的降落速度,潜水给水能力略大于微承压含水层,说明河流冲积平原地区潜水重力释水不可忽视[12-13]。

图3 Boulton法拟合曲线

(2)Theis配线法。选择Theis配线法分析,自动拟合后,基于专业知识判断,利用参数控制功能得到理想拟合曲线和参数。Theis配线法拟合曲线见图4。导水系数T=32 m2/d,贮水系数μ*=6.89×10-5。

图4 Theis配线法拟合曲线

(3)考虑弱透水层弹性释水的Hantush with Storage法。Hantush with Storage法拟合曲线见图5。导水系数T=26 m2/d, 贮水系数μ*=4.8×10-5。弱透水层弹性释水系数比含水层小几个数量级,且越流作用极为迟缓。本研究区潜水-微承压含水层结构中弱透水层厚度不是特别大,含水层抽水时弱透水层补给量可忽略不计。

图5 Hantush with Storage法拟合曲线

图6 水位恢复法拟合曲线

(4)水位恢复法。水位恢复法拟合曲线见图6。抽水结束后,含水层中的地下水位开始逐渐回升,水位的变化不再受外界因素的干扰,恢复变化比较平稳,也就比较容易准确观测。因此,通过分析计算观测井水位恢复阶段的试验数据,能够得到较为准确可靠的水文地质参数。导水系数T=30.8 m2/d,贮水系数μ*=5.24×10-5。

3.2 不同方法对比分析

考虑潜水重力释水、弱透水层越流补给等因素,分别运用以上4种不同方法,求取涝河河谷中段潜水-微承压含水层水文地质参数,分析含水层水力特性。计算结果对比见表3。从表3可知,Theis配线法忽略了潜水含水层重力释水滞后效应,计算结果偏大；Hantush with Storage法由于考虑弱透水层越流补给,所求渗透系数较小。

表3 不同方法水文地质参数对比

应用GMS模拟涝洰河地下水流场,选取本次抽(注)水试验,依次将以上4种方法所求的水文地质参数作为初始值,计算结果与实测水位的多次拟合结果显示,Boulton法和水位恢复法所求参数的计算水位与实测水位拟合效果较Theis配线法和Hantush with Storage法要好,绝对误差小于0.1 m的占80%,说明计算得到的渗流场与实际观测资料基本吻合。地下水渗流场等水位线对比见图7。

图7 地下水渗流场等水位线对比(单位：m)

图7 地下水渗流场等水位线对比(单位：m)

4 结 语

本文通过分析临汾涝洰河研究区的水文地质条件,基于Aquifer Test专业软件采用不同方法获取潜水-微承压含水层相关水文地质参数,并在此基础上应用GMS模拟地下水位评价比较各方法,得出以下结论：

(1)利用Aquifer Test计算机平台,分别用考虑潜水重力释水的Boulton法和Theis配线法、考虑弱透水层弹性释水的Hantush with Storage法和水位恢复法4种求参分析方法获取潜水-微承压含水层水文地质参数：导水系数T=28.7 m2/d、渗透系数k=6.38 m/d、贮水系数μ*=5.47×10-5、给水度μ=5.36×10-4。

(2)考虑潜水重力释水的Boulton法和水位恢复法求得的水文地质参数稳定可靠,Theis配线法、考虑弱透水层弹性释水的Hantush with Storage法求取参数值偏大。后续建立水文地质模型,在4种方法计算结果范围内调参,可大大节省时间和工作量。

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(责任编辑 杨 健)

Research on Hydrogeological Parameter Solving Method of Phreatic-feeble confined Aquifer

REN Liumei, YANG Junyao, LÜ Lu

(College of Water Resources Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China)

The hydrogeological parameters of phreatic-feeble confined aquifer are important indexes to accurately evaluate Lao-Ju River Ecological Construction Project in Linfen, Shanxi, and the key basis to confirm reservoir leakage. On the basis of C6 hole pumping test in the middle of Laohe River, the hydrogeological parameters of phreatic-feeble confined aquifer obtained by various methods are analyzed by Aquifer Test software. The result shows that the parameters calculated by the Boulton method which considering phreatic and reliable aquifer gravity water release and the water level recovery method are stable and reliable, which can provide basic data for later hydrogeological numerical simulation．

hydrogeological parameter; phreatic-feeble confined aquifer; Aquifer Test; Boulton method; Lao-Ju River Ecological Construction Project

2015- 10- 14

国家自然科学基金项目(41502243)；山西省自然科学基金资助项目(2015021169)

任柳妹(1991—),女,安徽合肥人,硕士研究生,研究方向为水文与水资源；杨军耀(通讯作者)．

P641.2(225)

A

0559- 9342(2017)03- 0038- 06