基于导水系数的含水层富水性评价方法

李超峰

(1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西 西安 710077;2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室,陕西 西安 710077)

含水层富水性是水文地质和地下水领域的基本概念;评价含水层富水性是水文地质勘探阶段的一项基本工作,应用广泛。然而,《地下水动力学》[1-3]、《水文地质学基础》[4]等地下水教材中均未给出含水层富水性的定义及其评价方法。50年代,自前苏联引入了单位涌水量评价含水层富水性的方法;这种方法计算简便,很快推广应用开来,特别是在矿床水文地质领域。在积累大量数据资料后,我国学者总结了符合我国国情的含水层富水性等级划分标准,即q≤0.1 L/s·m、0.1 L/s·m5.0 L/s·m依次表示富水性弱、中等、强、极强;提出将“口径91 mm、抽水水位降深10 m时”的单位涌水量作为标准,给出了不同孔径、不同降深抽水试验的单位涌水量换算公式;单位涌水量评价方法已被写入《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB 12719-1991)[5]、《煤矿防治水规定》[6]和《煤矿防治水细则》[7]等文件。

在应用过程中,学者们普遍发现单位涌水量及利用其评价含水层富水性存在问题,并在我国水文地质领域进行了多次学术争鸣。1959年,幻传豪[8]提出采用钻孔最大涌水量和泉的最大流量来评价含水层的富水性是不准确的,建议采用钻孔单位涌水量。沈树荣[9]认识到单位涌水量评价方法存在缺陷,建议采用“富水系数”(注:即导水系数)评价。1984年,葛天民[10]、王兆林[11]分别对单位涌水量和导水系数的关系进行了研究;葛天民认为单位涌水量和导水系数具有明显的对应关系,王兆林认为在某些特定条件下,单位涌水量和导水系数具有线性相关关系。2004-2016年间,兰太权[12-14]3次发文提出“单位涌水量就是导水系数”的观点,在国内水文地质领域掀起了关于含水层富水性的热烈讨论。多位学者发表学术文章进行辩论。张竞[15]认为单位涌水量具有多解性;王旭升[16]、董岩岩[17]认为在特定条件下可以出现单位涌水量与导水系数相等的情况,但不具备普适性;周训[18]认为抽水井单位涌水量不能等同于含水层导水系数,并指出存在的问题;尚银生[19]认为“单位涌水量就是导水系数”的结论没有说服力;陈崇希[20]对相关的Thiem影响半径稳定井流模型进行了说明和回应。

含水层富水性这一基本概念不明晰和评价方法与标准等不明确,引起了争议,限制了应用,有必要从概念、方法和标准等方面系统厘清、正本溯源。本文给出了含水层富水性定义,给出了含水层富水性评价方法与标准,对比分析了单位涌水量和导水系数富水性评价方法。

1 含水层富水性定义

富水性是在水文地质勘探阶段进行含水层地下水量是否充沛定量评价的一种方法,可为后续地下水资源开发阶段的供水含水层选择、水源地和取水构筑物选址等提供参考和依据。

本文给出含水层“富水性”定义:在地下水源源不断持续补给时含水层可给出地下水量的能力。

由于导水系数可以说明含水层的出水能力[1],因此采用水文地质学中的导水系数T表征含水层富水性。含水层富水性的物理意义为:水力坡度等于1时,通过整个含水层厚度上的单宽流量。

导水系数T值与含水层厚度M、渗透系数K有关,厚度M和渗透系数K都是含水层的本质属性。因此,富水性也是含水层的本质属性,不受人为因素影响。

导水系数的概念仅适用于二维的地下水流动,对于三维流动是没有意义的。因此,含水层富水性也仅适用于地下水二维流动。

2 富水性评价方法

采用水文地质学中的导水系数T表征含水层富水性。导水系数为“含水层的渗透系数与其厚度的乘积”,单位为“m2/d”。计算时,承压含水层厚度取其地层厚度,潜水含水层厚度取其水位之下地层厚度。

T=KM

(1)

式中:T为导水系数,m2/d;K为渗透系数,m/d;M为含水层厚度,m。

3 富水性等级划分标准

本文给出导水系数法富水性等级划分标准(表1)。

表1 导水系数法富水性分级标准

表2 单位涌水量富水性分级标准

本文将含水层富水性共划分为7个等级,由弱至强依次为极弱、弱、中等、强、很强、特强、极强。

为了直观分析含水层富水性变化规律,绘制含水层富水性分区图(图1)。

图1 含水层富水性分区图

图2 导水系数法和单位涌水量法富水性分级标准对比图

4 讨论

4.1 与单位涌水量评价方法对比分析

单位涌水量评价含水层富水性方法是建国后自前苏联引入国内的。这是一种适用于施工现场的“概略估算”方法,理论依据不充分。(1)单位涌水量非含水层本质属性。根据计算公式,单位涌水量与抽水量和水位降深有关;由于抽水量和水位降深非含水层本质属性,是受到钻孔结构、孔径、抽水量等人为因素影响的。因此,单位涌水量不能客观反映含水层富水性这一本质属性,其受到人为因素影响较大。(2)单位涌水量之间无换算关系。例如,钻孔孔径和抽水量之间并不是简单的线性关系,不同孔径和抽水量条件下的单位涌水量是否具有确定的换算关系目前仍存在争议。例如,对于完整井和非完整井,以及复合含水层之间的单位涌水量没有理论换算公式,获得单位涌水量只能通过抽水试验方法。在高家堡矿井前后两期洛河组含水层精细化勘探项目实施过程中,利用双Packer分层抽水试验获得了大量数据资料[21-23],笔者多次尝试却无法利用单位涌水量进行洛河组垂向含水层段富水性的定量评价和对比分析。由于其计算方法简单、适于现场应用的优点,经过60多年的现场实践,单位涌水量富水性评价方法在我国矿床水文地质领域已经得到广泛应用,被写入《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB 12719-1991)《煤矿防治水规定》和《煤矿防治水细则》等文件。

由于未对含水层富水性给出具体的定义,以及缺少导水系数富水性评价等级划分标准,导致长期以来对含水层富水性概念、评价方法与标准、现场应用与研究等方面一直存在诸多问题和矛盾。多位学者结合工作实际进行了充分讨论与辩论,有力促进了对含水层富水性基本概念和评价方法的深入认识与理解。例如,1959年,沈树荣[9]发表了《读“对岩层含水层图编制原则的几点意见”》一文,是国内最早可查到的对单位涌水量含水层富水性评价方法进行客观分析的文章;1984年,葛天民[10]、王兆林[11]分别对单位涌水量与导水系数的关系进行了讨论;兰太权[12-14]分别于2004年、2007年和2016年发表了关于“单位涌水量就是导水系数”的3篇文章,掀起了国内水文地质领域对含水层富水性的热烈讨论;周训[18]、王旭升[15-17]、尚银生[19]、陈崇希[20]等分别发文对含水层富水性及单位涌水量评价方法进行辩论,但是依然未能明确含水层富水性的定义、属性以及评价方法等根本问题。

本文给出了含水层富水性定义及评价方法和标准,其主要作用包括:

(1)明确富水性是含水层的本质属性,不受人为因素影响。

(2)给出了富水性的定义,明确是在“在地下水源源不断持续补给时”的前提条件,避免了导水系数不能反映含水层地下水补给条件的缺陷,厘清了基本概念。

(3)明确采用导水系数T进行含水层富水性评价,并给出了富水性等级划分标准,规范了富水性评价方法与等级划分标准。

(4)导水系数富水性评价方法同样具有计算简单和便于现场应用的优点,同时理论上更为科学、严谨,分级更为精细。

单位涌水量是一种适用于野外施工现场的概略估算含水层富水性的方法。在施工现场可用单位涌水量初步“概略估算”含水层富水性,但是在后续分析与研究阶段应采用导水系数法定量评价含水层富水性。

4.2 富水性等级划分依据

由于单位涌水量与导水系数的量纲相同,可以将单位涌水量富水性等级划分标准进行换算,如下:

参考以往单位涌水量富水性等级划分标准,本文给出导水系数含水层富水性分级标准。本文给出的导水系数法富水性标准共7级,其中极弱和弱大致对应原单位涌水量法富水性等级弱,中等和强等级对应原来的中等,很强和特强对应原来的强,极强对应原来的极强。本次富水性等级划分是在原单位涌水量法富水性等级的基础上,将原来的弱、中等和强3个等级再各细分为2个等级,更为精细。

5 结语

(1)定义含水层富水性为“在地下水源源不断持续补给时含水层可给出地下水量的能力”。含水层富水性的物理意义为:水力坡度等于1时,通过整个含水层厚度上的单宽流量。

(2)给出了含水层富水性评价方法与标准。采用导水系数评价含水层富水性;给出了导水系数法富水性分级标准,导水系数T≤1 m2/d、1 m2/d400 m2/d表示富水性依次为极弱、弱、中等、强、很强、特强、极强。

(3)在施工现场可以用单位涌水量初步评估含水层富水性,在后续分析与研究阶段应采用导水系数法定量分析、研究含水层富水性。

(4)富水性是含水层的本质性质,其与含水层补给条件,地下水静储量、动态补给量、可采资源量等是不同概念,应注意区分。