分层监测孔现场分级联合试验确定含水层参数

分层监测孔现场分级联合试验确定含水层参数确定含水层水文地质参数是一个非常复杂的过程。 目前常用 的水文地质参数确定方法主要包括室内实验法、 野外现场试验方 法以及基于数值模拟的参数识别法等。 野外现场试验主要包括抽 水试验， 微水试验及示踪试验等， 是获取水文地质参数最重要的 手段之一。长期以来， 现场试验求参时主要使用解析公式法 1 ， 最常见确定水流参数的解析方法包括基于稳定井流的裘布依公 式和基于非稳定井流的泰斯公式及其改进方法 24 ，还有基于潜 水井流的Boult on法、Neumar法和基于越流理论的 Ha ntush法 等1 。示踪试验是求解含水层弥散系数的重要水文地质试验， 其主要原理是利用浓度穿透曲线数据， 采用多种估算方法计算含 水层弥散度，常用的估算方法有最小二乘法、最大似然法、斜率 法和等斜率法等 56 。微水试验是在单孔中进行的一种简易抽注 水试验， 由于其简便经济， 近年来已成为一项重要的评价含水层 渗透性空间变化以及低渗岩体渗透特征的水文地质试验方法 7 。目前较成熟的微水试验数学模型主要有： Hvorslev 模型、 Cooper模型、Bouwer和Rice模型及KGS模型等四种810。然而目前，现场试验主要针对单一含水层进行的单孔抽注水 试验，而对试验过程的监测也主要利用该含水层的单孔或者多个 钻孔开展， 极少见涉及到多层含水系统的情况。 本论文选取华北 平原中部咸淡水过渡带的多层含水层系统为研究对象， 在建立地 下水位水质分层监测系统的基础上，开展分层分级联合抽水试 验、微水试验和示踪试验， 综合运用多种手段确定研究区多层含 水系统水文地质参数， 为进一步开展华北平原中部咸淡水过渡带 研究提供参数依据。1 实验区概况及试验安排1.1 试验区水文地质概况 华北平原第四系含水组自上而下划分为四个含水组 1112 ： 第I含水组，底界埋深 4060 m,含水层多为条带状分布，颗 粒细，层间无良好的隔水层，透水性较好；第口含水组底界埋深 一般120170 m,有较稳定的隔水层，水头有明显的承压性； 第山含水组，底界埋深250350 m第W含水组，底界埋深350 450 m。本文研究的多层含水系统为第I含水组底部含水层，第I含水组与第含水组之间所夹弱透水层及第H含水组顶部含水层（见图1 ）。其中，第I含水组底部含水层主要岩性为粉细 砂及亚砂土，矿化度较高，一般为咸水；第I含水组与第H含水 组间弱透水层岩性为亚砂土、亚黏土和黏土互层,隔水性较差, 上部为咸水，下部为淡水；第H含水组顶部含水层岩性为细砂、 亚砂土,矿化度较小,一般为淡水。1.2 地下水水位水质分层监测系统本次试验是在衡水地下水科学试验场新建立的地下水水位水质分层监测系统的基础上进行的。 分层监测系统位于研究区咸 淡水过渡带,于 2011 年 6 月-7 月在试验场新打四口钻井组成的,四口新打钻井分别位于第I含水组底部含水层（XK1）、第I含水组第H含水组之间弱透水层（XK2、XK3及第H含水组顶部含 水层（XK4）,其剖面及平面位置见图 1。1.3 分层分级联合现场试验多层含水系统分层分级抽水试验， 是以多层含水系统为研究 对象，利用地下水水位水质分层监测系统， 对该系统中含水层及 弱透水层分别进行抽水试验和微水试验， 观测各分层观测孔水位 变化，利用观测信息综合确定多层含水系统的水文地质参数。 分 层示踪试验是在多层含水系统分级系列抽水试验过程中， 于上部 含水层投放示踪剂， 在下部含水层监测示踪剂浓度变化， 分析计 算各层弥散参数。本次分层分级联合现场试验的设计方案如下。在 XK1 井进行非稳定流定流量抽水试验，抽水流量为7167L/min ，抽水时间为 530 min ；待 XK1 及其他各井恢复到天然水 位后，在XK2及XK3井依次进行微水试验，观测时间分别为1 280 min和1 322 min。试验过程均采用 DIVER三参数LTC （水位、 电导率、温度）探头及人工观测记录数据。待各井恢复到天然水位后，在 XK1、XK2及XK3井分别投放 罗丹明B荧光增白剂及荧光素钠三种示踪剂，而后对XK4井进行非稳定流抽水试验，抽水流量 4892 L/min ，抽水时间为 5 468 min。试验过程中采用 DIVER三参数LTC （水位、电导率、温度） 探头及人工观测记录试验过程中各井水位变化；GGUNF野外用荧光光度计监测示踪剂浓度。2 抽水及微水试验求参数综合运用解析法及数值法确定多层含水系统的渗透系数， 储 水系数，弥散系数等水文地质参数。2.1 解析法2.1.1第I含水组底部含水层综合分析认为，第 I 含水组底部含水层抽水试验近似满足 Theis 井流假设条件：等厚、均质、各向同性、含水层侧向无限 延伸。本次定流量抽水试验采用标准曲线对比法 1 及基于 Thies 公式的直线图解法 1 求解参数。 直线图解法 1 求参过程 如下：作出slgt直线，直线的斜率 m=05Q截距s0=207。由此 求得导水系数T=3777 m2/d，压力传导系数a=471x 104 m2/d , 渗透系数 K=755 m/d，弹性给水度 卩e=802X 10-4。选取 XK1 井前期观测数据，利用 Aquifer Test 软件中的泰 斯（Theis ）分析进行求解，经将实测st曲线与泰斯标准曲线对 比，计算可得 T=2212 m2/d , K=442 m/d ,卩 e=438X 10-4 , a=T/ a e=505X 105 m2/d。2.1.2第I含水组与第H含水组之间弱透水层微水试验是利用某种方式引起井中水位瞬时变化， 通过观测 井中水位恢复过程估算井附近含水层水文地质参数的方法。综合分析认为， 弱透水层中微水试验近似满足 Hvoslev 模型 及 Cooper 模型的假设条件：均质、各向同性、无限延伸；水流通过井孔时的水头损失可以忽略。 本次微水试验利用 Hvoslev 模 型7 解析式和基于 Cooper 模型的标准曲线对比法求参。Hvoslev 模型给出解析式 7 ：Kr=r2cln （Re/rw ）12BT0（1）式中：Kr为弱透水层渗透系数；rc为钻孔套管半径；Re为 微水试验的影响半径； rw 为过滤管半径； B 为含水层厚度； T0 为滞后时间，即当动水头 Ht与初始水头H0的比值等于0368时 所对应的时间。XK2 XK3井中微水试验数据处理所用参数取值 见表 1。2.1.3第H含水组顶部含水层合分析认为第H含水组顶部含水层抽水试验近似满足第一类越流系统假定条件：均质、各向同性、无限延伸；弱透水层弹 性储释水忽略不计； 主含水层抽水期间相邻含水层水头不变。 由 抽水试验观测数据可知，抽水过程中有补给源对第H含水组底部 含水层进行补给，结合XK2和XK3井观测数据，进一步可以推断 出该含水层有越流补给。 本次定流量抽水试验采用基于第一类越 流系统的 HantushJacob 公式的拐点法及标准曲线对比法求解参 数。由抽水试验数据可知，XK4井抽水过程中最大降深为 2172 m 拐点处降深为最大降深的一半即为1086 m。根据第一类越流条件非稳定流拐点法原理 1 ，在拐点处作出切线，斜率 mi=1347， 拐点处对应的 ti=45 min ， f （r/B ）=23 si/mi=1718 ，查表可得 r/B=030 ,因此可得 T=0708 m2/d, a=157X 103 m2/d, K=0142m/d, a e=453 x 104。选取 Aquifer Test 软件中的 HantushJacob 标准曲线进行配 比，其拟合曲线见图 3。经计算得， K=0157 m/d， T=0785 m2/d ， a e=219x 10-3 ， a=358x 102 m2/d 。2.2 数值模拟识别利用数值模拟软件FEFLOW建立多层含水系统模型模图3XK4井实测数据与标准曲线拟合图Fig.3Comparison between the standard curves and observed values in the well XK4 拟所进行的抽水试验， 根据分层观测孔观测数据进行水文地 质参数识别和校正。所建模型包括四层：把第I含水组其他含水 层划为模型的第一层，第I含水组底部含水层为第二层，第I含水组与第H含水组之间弱透水层为第三层，第口含水组顶部含水层为第四层。模型的研究区域为以抽水井（XK4井）为中心，半径为 1 km 均质、各向同性的圆形区域，采用井附近密集而向边 界方向逐渐稀疏的不等间距网格剖分； 模拟计算起点为抽水试验 开始时刻； 边界条件近似处理为定水头边界。 分别选用 XK2、XK4 井观测数据进行拟合，经过识别和校正可得各层水文地质参数（见表 2），含水层及弱透水层中观测孔数据拟合曲线见图 4， 含水层降深拟合误差在 2 m 之内的占 80 %以上，其降深拟合度 大于 95 %；弱透水层降深拟合误差值在 005 m 之内的占 80 %以上，其降深拟合度大于 90 %表 2 通过数值模拟拟合校正得出的各层参数Table 2The calibrated aquifer parameters obtainedfrom the numerical simulation层数 1 底界埋深/m1K/ (m- di) 1KZ/ (m- di) 1T/ (m2- di) 1卩el孔隙度第一层14015.78918.64 X 1041231.56018.40 X 10310.20 第二层 14514.32010.078121.60019.00 X 10310.18 第三层 16516.91X10312.59X10510.13815.00X10610.07 第四层 17010.92910.04314.64515.00 X 10410.21 图 4XK4井抽水时的计 算降深与观测降深对比曲线(XK2和XK4Fig.4Comparison between the observed and calculated drawdownin the wells XK2 and XK4 when the well XK4 is pumping3 示踪试验求参数XK4井抽水前在XK1、XK2及XK3井中分别投放罗丹明 B、荧 光增白剂及荧光素钠三种示踪剂。 由于本次是初次示踪试验， 为 了防止下层监测不到示踪剂， 示踪剂的投放量较大， 因此该试验 可以看成一维稳定流动一维弥散问题。 各井示踪剂浓度变化见图 5。图5XK3和XK4井中示踪剂浓度曲线图Fig.5Observed concentrations of thetracers inthe wells XK3 and XK4由图5可知，在示踪试验过程中，在XK3井中监测到XK2井 投放的荧光增白剂示踪剂；而在XK4井中也监测到XK2井投放的 荧光增白剂及XK3井投放的荧光素钠示踪剂。此外在XK2、XK3及XK4井中均监测到XK1井投放的罗丹明B (初次试验，仪器准 备不足，对罗丹明B取样监测，没有连续监测)。由此可知多层 含水系统之间存在一定的水力联系， 示踪剂通过一定途径进入下 层含水层，结合抽水试验过程中 XK3井及XK4井水位及电导率的 观测可知， 有较大水头差的条件下多层含水系统中上层咸水有下 移补给下层淡水的趋势。 近年来， 由于深层淡水不断开采导致深 层地下水位持续下降， 浅层咸水层与深层淡水层间形成较大水头 差，从而可能导致上层咸水向下迁移。3.1 直线图解法本次试验利用直线图解法14求解弥散系数DL及平均流 速 v ，令 X=( t-tm ) 21tY=2lnCmtm1Ct+t-tm1t ( 2)其中Y与X为线性关系，其斜率 R=y 2tm1x2-v2t2m (3)则 DL=x212tm (Rtm+1); a L=DL1v (4)3.1.1XK3 井数据分析根据XK3井荧光增白剂浓度监测数据，选择4 2595 325 min 浓度上升及5 3256 021 min浓度下降两段来计算弥散参数； 由式（2）计算X、Y其关系曲线见图 6，R1=000238，R2=00106; 根据式（ 4）计算弥散参数见表 3。图6XK3井中荧光增白剂对应的 XY关系图Fig.6The XY plot of the fluorescent brightener in thewell XK3表3由XK3井求取的弥散参数Table 3The dispersion parameters obtainedfrom the data in the well XK33.1.2XK4 井数据分析根据图5 XK4井示踪剂浓度监测数据，选择1 7772 002 min 荧光增白剂浓度下降段及 1 8222 032 min 荧光素钠浓度下降 段计算弥散系数；根据式（2）计算X、Y其关系曲线见图7, R1=00894, R2=00977;根据式（4）计算弱透水层弥散参数结果 见表 4。图7XK4井中示踪剂对应的 XY直线图Fig.7The XY plot of the tracers in the well XK4光素钠 10.035 712.298 610.015 64 参数小结本次研究中，利用直线图解法、拐点法、标准曲线对比法及 数值法得到含水层水文地质参数； 而利用解析公式法、 标准曲线对比法、 数值法得到了弱透水层的渗透系数， 以上各种方法求参 结果，如表 6、7 所示。对比不同方法得到的结果，可以看出， 运用解析公式求取的渗透系数 K 比其它两种方法的结果偏大， 这 是因为微水试验影响半径 Rw的选择具有一定的人为性。因此， 选择第I含水组与第H含水组之间弱透水层渗透系数时，应根据标准曲线对比法及数值法确定， 而弥散参数的选取则根据直线图 解法及等斜率法确定。将前人对华北平原水文地质参数的研究结果与本次研表 6 各种方法求得的多层含水系统水流参数Table 6Summary of the hydraulic parameters of the multilayer aquiferaquitard system determined by all methods监测孔1求参方法1导水系数T/ (m2- di) 1渗透系数K/(m- di) 1储水系数 卩el压力传导系数a/ (m2- di) XK11直 线图解法 137.77017.55018.02 X 10414.71 X 104 标准曲线对比 法 122.12014.42014.38 X 10415.05 X 105 数值法 121.60014.32019.00 X 1031/第 I 含水组底部含水层121.600 37.7714.320 7.55014.38 X 1049X 103XK21 公式法 1/10.0191/1/ 标准曲线对比法10.04412.2 X10311.94X10512.29X103XK31 公式法1/10.0381/1/ 标准曲线对比法10.15317.65 X10312.42X10616.32X104 数值法10.13816.91 X 10315.00 X 1061/第I含水组第H含水组间弱透 水层 10.044 0.15312. 20X 1037.65 X 10312.42 X 106 1.94 X 10512.29 X 1036.32 X 104XK41 拐点法 10.78510.15712.19 X 10313.58X 102 标准曲线对比法 10.70810.14214.53 X 10411.57X 103 数值法 14.64510.92915.00 X 1041/第H含水组顶部含水层10.7094.64510.142 0.92914.53 X 1042.19X 10313.58X 102 1.57 X 103 表 7 各种方法求得的弱透水层弥散参数Table 7Summary of the dispersion parameters of the aquitard determined by all methods监测孔1求解方法1示踪剂1纵向弥散系数DL/ （m2- d1） 1实际流速v/（m- d1）1纵向弥散度aL/mXK31直线图解法等斜 率法 1 荧光增白剂 10.1090.03712.1501.07910.0510.034XK41 直 线图解法等斜率法 1 荧光增白剂 10.428114.85210.029 荧光素钠 10.14118.91710.016 荧光增白剂 10.02312.26410.010 荧光素钠 10.03612.29910.016 弱透水层 1 参数选择 1/10.023 0.42811.079 14.85210.010 0.051 究成果对比 （见表 8）后发 现，前人主要是以含水层组为整体进行研究， 这些含水层组由一 系列小规模含水层弱透水层组成， 因此人们求出的参数是含水层 组内部多个子含水层 - 弱透水层单元水文地质参数的综合反映。 而本次试验对象的单元是最小的含水层或弱透水层， 其内部不再 含有夹层。由表8可知，本试验中第I含水组底部含水层所求的渗透系数及储水系数均落在前人研究成果范围之内； 而所求的弱 透水层渗透系数大于前人的研究结果，原因是所用处理方法不 同：前人是利用在第I含水组及第H含水组进行抽水试验求参， 而本文把弱透水层看作独立的一层， 对其进行微水试验求参； 弥 散系数求解方法也不同， 前人是利用室内土柱弥散试验求解， 本 文是利用野外示踪试验求解； 本试验所求的第口含水组顶部含水 层参数比前人研究结果相差较大，原因是第H含水组以中细砂为主，而其顶部含水层以粉砂为主。5 结论本文以华北平原中部咸淡水过渡带多层含水系统为研究对 象，建立地下水水位水质分层监测系统， 利用多层含水系统分级 系列抽水试验、 微水试验及分层示踪试验观测数据联合求参。 综 合直线图解法、 拐点法、 标准曲线对比法及数值模拟识别法求得 的多层含水系统的水文地质参数如下： 第 I 含水组底部含水层渗 透系数为43207550 m/d，储水系数表8多层含水系统水文地 质参数与前人数据对比Table 8Comparison between the previous and calculated hydrogeological parameters of the multilayer aquiferaquitard system含水层1渗透系数/ （m- di） 1储水系数1纵向弥散系数DL/ （m2- di） 1纵向弥散度aL/m浅层含水组（第I含水组）（据 张兆吉1 6 ） 1110100.051/1/ 第 I 含水组底部含水层 （本文） 14.320 7.55014.38 X 1049X 1031/1/ 弱透水层（前人）11.33 X 104 （据高业新17 ） 1/10.022 0.482 6 （据王平14） 1/ （本文）12.20 X 1037.65 X 1031/10.023 0.42810.010 0.051深层含水组（第含水组）（前人）1510（据张兆吉16） 18.4 X 103 （据高业新17）1/1/第H含水组顶部含水层（本文） 10.1420.92914.53 X1042.19X1031/1/ 为 453X104 219X 103；弱透水层渗透系数为220X 103 765X 103 m/d ；第II 含水组顶部含水层渗透系数为 0142 0929 m/d ，储水系数为 453X 104 219X 103。 利用直线图解法及等斜率法求得的弱透水 层的弥散系数为 00230428 m2/d ，弥散度为 00100051 m。前人对该区水文地质参数研究大多以含水层组整体为对象 进行研究， 因此利用多层含水系统分层系列联合试验求参， 为今 后水文地质参数的研究提供了新思路， 也为本地区开展浅层咸水 运移规律研究提供了支持。