傳統公式法和Aquifer Test計算水文地質參數的對比分析

任改娟，楊立順，回廣榮，師沙沙

(河北省地礦局秦皇島礦產水文工程地質大隊，河北 秦皇島066001)

抽水試驗是通過水文地質鉆孔或水井抽水確定水井出水能力，獲取含水層的水文地質參數，判明某些水文地質條件的野外水文地質試驗工作。其主要目的之一是確定含水層的水文地質參數，如滲透系數(K)、導水系數(T)、給水度(μ)、貯水系數或釋水系數(μ*)等，參數的計算精度直接關系到地下水資源評價的精度和對區域水文地質條件的認識以及地下水數值模擬及預報等工作的可靠程度。穩定流抽水試驗一般采用公式法求參，非穩定流抽水試驗采用傳統的配線法［1］、直線圖解法求參等，但這些傳統方法人工計算同一井孔抽水試驗參數時會因人為誤差而得到不同結果［2，3］，進而直接影響地下水資源的評價結果。近年來隨著計算機技術在含水層參數計算中的廣泛應用［4－7］，利用 Excel模板計算滲透系數等水文地質參數變得方便快捷，但是精確與否無法直觀判斷。為此，本文以秦皇島某水源地鉆孔抽水試驗為例，對比分析應用經驗公式法和AquiferTest軟件的Theis、Cooper－Jacob理論分析方法，發現AquiferTest軟件對抽水試驗參數計算的優越性。

1 抽水試驗概況

1.1 區域水文地質條件

水源地位于河北省撫寧縣境內，處于燕山山脈的東部，瀕臨渤海，以丘陵地貌為主，主要山脊近南北走向。地勢北高南低，西高東低，最高海拔780 m，但一般海拔低于400 m。研究區分布著第四系孔隙潛水和寒武、奧陶系地層中碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。本次鉆孔揭露含水層底板埋深295.2 m，含水層由奧陶系馬家溝組和亮甲山組灰巖組成。碳酸鹽巖上覆第四系松散巖類砂卵石層，孔隙水和巖溶水水力聯系密切，大氣降水是唯一的補給來源。在12.3 m處采用水泥灌漿阻止孔隙水和巖溶水之間的水力聯系，因而，本次討論的是承壓水含水層的水文地質參數計算方法。

1.2 抽水試驗資料

該抽水試驗在碳酸鹽巖裂隙溶洞水含水層中進行帶觀測孔的穩定流抽水試驗。抽水鉆孔編號zk3，井深295.2 m，井徑0.11 m，靜止水位埋深11.45 m，流量比較穩定，為 1 650.8 m3/d;觀測孔編號 zk2，井深 295.4 m，井徑 0.11 m，靜止水位埋深12.22 m，距離抽水孔45 m。根據現場水文地質鉆探編錄資料，承壓水含水層厚度為73.6 m，抽水觀測總延續時間4 650 min。抽水時，zk2觀測孔的觀測數據見表1。

2 公式法計算參數

傳統抽水試驗方法中，在計算含水層參數時可采用穩定流方法和非穩定流方法。潛水和承壓水的穩定井流，采用Dupuit公式及Thiem公式;潛水非穩定井流，采用仿Theis公式、Boulton模型、Neuman模型、水位恢復法;承壓水非穩定井流，采用Theis配線法、Jacob直線圖解法、拐點法、水位恢復法［1］。實際工作中，多為單井穩定流抽水試驗，一般采用Dupuit及Thiem公式進行計算。

2.1 計算公式

潛水完整井穩定流抽水計算公式:

承壓水完整井穩定流抽水計算公式:

承壓水完整井帶一個觀測孔穩定流抽水計算公式:

式中:K為含水層滲透系數，m/d;Q為抽水試驗流量，m3/d;R為影響半徑，m;rW為抽水井半徑，m;r1為觀測井至抽水井中心的距離，m;Sw為抽水井水位穩定時水位降深，m;S1為觀測井水位穩定時水位降深，m;H為潛水含水層厚度，m;M為承壓水含水層厚度，m。

2.2 計算結果

本次研究采用承壓水完整井帶一個觀測孔的穩定流抽水試驗公式進行計算。將抽水試驗數據代入上面的承壓水完整井帶一個觀測孔穩定流抽水計算公式，經計算得出含水層 滲透系數K平均為2.63 m/d。

表1 承壓含水層抽水試驗資料

3 AquiferTest計算參數

3.1 AquiferTest軟件簡介

AquiferTest軟件是加拿大滑鐵盧水文地質公司(Waterloo Hydrogeologic Inc.)開發研制的專門用于抽水試驗和微水試驗資料分析、數據處理的圖形化分析軟件，處理試驗數據快捷簡便，軟件中包含了多種分析模型，包括 Theis、Cooper＆Jacob、Theis with Jacob Correction、Double Porosity 等模型，能夠確定多種類型含水層的參數，如承壓含水層、潛水含水層、越流含水層和基巖裂隙含水層等，并能夠進行水位預測、井群干擾降深計算、含水介質性質判斷以及試驗數據處理報告等功能。

AquiferTest求解水文地質參數過程中，可以對抽水試驗數據進行甄別，通過專業分析，刪除錯誤數據點，還可以通過鍵盤上、下、左、右方向鍵對曲線進行旋轉、變換，使實測點盡可能與理論曲線擬合，從而達到對參數的最優控制。

3.2 AquiferTest軟件計算方法

根據研究區水文地質條件，本次研究利用AquiferTest軟件，采用 Theis、Cooper－Jacob Time－Drawdown理論分析方法對承壓含水層水文地質參數進行求解。

3.2.1 配線法

配線法是通過實測試驗曲線與理論曲線對比確定含水層水文地質參數的方法，也稱為標準曲線對比法。配線法在軟件中可根據專業判斷力來調整曲線圖以實現自動和手工的最佳擬合效果。隨著理論曲線的移動，所求的水文地質參數的結果也會隨之更新，AquiferTest軟件參數計算結果為:T=385 m2/d;K=2.91 m/d;μ*=0.000 374。擬合結果見圖1。

3.2.2 直線圖解法

直線圖解法是當非穩定流抽水觀測井滿足u≤0.01時，利用承壓完整井抽水時的水位降深與時間呈線性關系來求解參數的方法。本試驗中t必須大于70 min才滿足直線圖解法條件，選擇Cooper－Jacob Time－Drawdown進行庫珀 －雅各布直線圖解法的理論分析，通過時間限制的設置，AquiferTest軟件參數計算結果為:T=387 m2/d;K=2.92 m/d;μ*=0.000 371。擬合結果見圖2。

圖1 Theis分析擬合曲線圖

圖2 Cooper－Jacob分析擬合曲線圖

4 對比分析

由計算結果可看出，AquiferTest軟件兩種分析方法，即泰斯配線法與雅各布直線圖解法所求滲透系數K、導水系數T結果吻合，傳統公式法與AquiferTest軟件對滲透系數的計算結果有一定誤差。原因就在于傳統公式法計算采用的是穩定流，對實際的水文地質條件認識過于簡單，而實際情況往往很復雜，用穩定流公式計算的結果就有了一定的偏差。而且，傳統公式法可獲取的參數較少，如滲透系數和影響半徑，而AquiferTest軟件可以獲得多種參數，滲透系數、導水系數、貯水系數等，且有可視化圖形作對比，結果一目了然。因此，在粗略求得水文地質參數時可以采用穩定流計算公式，但是在進行地下水資源評價及模擬計算時，水文地質參數的計算最好采用多種方法進行比較分析，從而選取科學、合理的參數。

表2 傳統公式法和Aquifertest軟件計算結果對比

對比以往該區成果報告中采用的參數，發現與AquiferTest軟件計算的結果基本吻合，說明用AquiferTest軟件計算水文地質參數方法合理可行。

5 結語

由于對水文地質條件認識的差異性，傳統公式法與AquiferTest軟件所計算的參數有一定誤差。經對比分析發現利用AquiferTest軟件計算的結果基本符合實際的水文地質條件，可見，AquiferTest軟件計算參數比傳統公式法更精確，不僅計算過程方便快捷，而且求參過程和結果形象直觀，對比性強，可以對抽水試驗數據進行甄別，通過專業分析，對曲線進行旋轉、變換，使實測點盡可能與理論曲線擬合，最終得到較為準確的參數。通過實例證明，利用AquiferTest計算水文地質參數操作方便快捷，結果精確直觀，可在今后生產實踐中推廣應用。

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