Aquifer Test 计算越流承压含水层水文地质参数方法研究

陶宗涛，邵 超，程晓嫚，耿许可

（1.河南省地质局 地质灾害防治中心，河南 郑州 450012；2.河南省黄河流域地下水循环与环境演化工程技术研究中心，河南 郑州 450045）

在实际工程中，承压含水层顶、底板并不是严格的隔水层，其中之一可能为弱透水层，若与相邻含水层通过弱隔水层发生水力联系，则该承压含水层为半承压含水层。在半承压含水层地下水位降低时，地下水通过弱透水层渗流补给含水层顶板以上含水层，这种地下水通过弱透水层垂直渗流补给的现象称为越流［1－2］，半承压含水层弱隔水层和相邻含水层组成地下水越流系统。自然界中存在3 类地下水越流系统［3］：第一类，越流补给源主要是相邻含水层，且补给源含水层的水位保持不变，作为地下水渗流通道的弱透水层弹性释水量很小，可忽略不计；第二类，越流补给相邻含水层，考虑弱透水层的弹性释水，同时相邻含水层的水头保持不变；第三类，除第一类和第二类外，越流补给层的水位随抽水时间的延续而变动。在实际工程中，多数越流为第一类越流系统［4］。张苗苗［5］利用人工配线法和Aquifer Test 软件，根据多井非稳定流抽水试验数据，计算铁矿区承压含水层水文地质参数，发现Aquifer Test 软件有较高数据处理效率和计算精度；韩其婷等［6］采用Aquifer Test 软件利用多井非稳定流抽水试验数据计算小王家矿区水文地质参数，根据计算结果结合FEFLOW 软件进行数值模拟，得到较好的模拟效果；萨日娜等［7］利用Aquifer Test 软件计算安太堡露天煤矿潜水含水层水文地质参数，发现该软件不仅可避免人工配线法的主观影响，还可提高计算精度。目前大多数研究内容为Aquifer Test 软件在分析计算承压水或潜水含水层群井非稳定流抽水试验中的应用，极少对越流承压含水层水文地质参数求解方法进行研究，而在实际水文地质勘查工作中利用Aquifer Test 软件分析计算越流承压含水层水文地质参数的实用性研究更是寥寥无几。鉴于此，本文采用Aquifer Test软件，以河南省濮阳市清丰县八里庄水源地非稳定流越流承压含水层抽水试验为例，对越流承压含水层水文地质参数进行计算，并用数值法检验计算参数的合理性和精确性，以期为科学评价越流含水层地下水资源量提供一种简便精确的水文地质参数计算方法。

1 抽水试验概况

1.1 水文地质条件

八里庄水源地位于河南省濮阳市清丰县城南部黄河冲积平原，地势较为平坦，地面高程45.0～54.9 m，地面自然坡降1／7 000～1／5 000。区域内新生代第四纪松散堆积物广泛分布，松散层中夹有大量赋存丰富地下水资源的各种类型砂层，地下水类型均为松散岩类孔隙水。黄河改道泛滥带来了颗粒级配不同的沉积物，在古河道中形成厚度较大的中细砂含水层。在河间地带及泛流区形成以黏土、粉质黏土夹薄砂层的岩性组合。不同时期黄河古河道与河间带的交错，使地下含水砂层与弱透水或隔水的黏土层相互叠置。以地层年代为基础，根据含水介质的成因、埋藏条件及水力特征，把200 m 以浅地下水含水层划分为浅层潜水含水层组、浅层承压含水层组［8］。浅层潜水含水层组厚度自西向东逐渐变大，底板埋深50.0～75.0 m，含水层岩性主要为第四纪全新统（Qh）、上更新统（Q3）细砂、中砂，其特点是含水砂层层数少、颗粒较粗、厚度大，厚度一般为2.0～30.0 m，总厚度30.0～50.0 m，地下水以HCO3-Mg·Ca·Na、HCO3-Mg·Ca 型水为主。浅层承压含水层组底板埋深150 m 左右，含水砂层为上更新统（Q3）和中更新统（Q2）的中细砂、细砂、粉砂砂层，厚度为3.0～15.0 m，总厚度为40.0～52.0 m，砂层颗粒较细，地下水主要为HCO3-Na·Mg 型水。水文地质剖面见图1（其中Q6、Q12、Q14、Q16、Q18 为探采井编号）。

图1 水文地质剖面

浅层潜水水位为34.0～37.0 m，浅层承压水水位为33.0～36.0 m，两者地下水位等直线图形有较高相似度。钻探资料显示，浅层潜水含水层组下部为连续性较差的粉质黏土弱隔水层（厚0～13.0 m），使浅层潜水与浅层承压水之间有一定的水力联系，浅层潜水越流补给浅层承压水。浅层承压含水层组底板为厚15.0～25.0 m分布较为稳定的粉质黏土，与下部含水层相隔，浅层承压水水位随季节变化，而下部含水层组地下水位受季节变化影响不大，两者水力联系微弱［8］。浅层承压含水层为供水层，在地下水渗流场中各点渗透系数基本不变，含水层分布在全区，厚度较大，产状水平，地下水渗流近似为平面二维流，符合达西定律。浅层承压含水层与浅层潜水含水层初始水头基本一致，含水层顶板为弱隔水层，作为地下水越流通道；浅层潜水含水层在抽水过程中水头保持不变，含水层地下水储存量释放瞬间完成，弱透水层中的渗流几乎是垂直运动，弱透水层的弹性释放量与浅层承压含水层的弹性释放量相比可忽略不计。故浅层承压含水层可近似视为均质、各向同性、各方向为无限延伸的第一类越流系统承压含水层组。

1.2 越流承压含水层抽水试验

为探明浅层承压含水层水文地质条件，确定其水文地质参数，根据地下水流从东北向西南流动的情况，选用井径均为0.36 m 的两个浅层承压含水层的探采结合井Q14、Q16 抽水，将该含水层下游方向勘探井Q12（井径0.36 m）作为观测井（观测井分别在抽水井Q14、Q16 以西340、963 m），开展越流承压含水层非稳定流抽水试验。抽水井Q14、Q16 井深分别为159、158 m，抽水速度分别为1 560、1 764 m3／d，静止水位分别为31.57、34.48 m。观测井Q12 井深165 m，静止水位32.89 m。持续抽水16 680 min，抽水井Q14 水位降深为24.08 m、Q16 井水位降深为13.73 m，Q12 观测井水位稳定在31.17 m、水位降深为1.72 m。

2 利用Aquifer Test 软件求解水文地质参数

Aquifer Test 是一款分析抽水试验和微水试验数据的软件（包含Hantush 理论分析方法），由加拿大斯伦贝谢水务公司研发，用于分析潜水含水层、承压含水层、越流含水层和裂隙含水层抽水试验结果数据，可实现对含水层水文地质参数快速计算［9］。其适用条件：1）越流系统中每一层都是均质各向同性、无限延伸的，含水层底部水平，含水层和弱透水层都是等厚的；2）含水层中水流服从达西定律；3）在发生越流时相邻含水层在抽水过程中水头保持不变；4）弱透水层本身的弹性释水可以忽略，通过弱透水层的水流为垂直流动；5）抽水含水层天然水力坡度为零，抽水后为平面径向流，抽水井为完整井，井径无限小，定流量抽水［10］。自然界中这样的水文地质条件不可能存在，在实际工程中，若越流系统水文地质条件与Hantush 理论假设条件相似，则可利用Hantush 分析方法计算越流系统水文地质参数［11］。

基于八里庄水源地浅层承压含水层组非稳定流越流抽水试验Q12 观测井数据，利用Hantush 理论分析法计算相关水文地质参数，得出结果如下：渗透系数K＝8.60 m／d、导水系数T＝387 m2／d、贮水系数μ∗＝2.97×10－4、越流系数σ′＝3.57×10－5／d。

3 利用数值法求解水文地质参数

3.1 水文地质概念模型

根据河南省水文地质工程地质勘察院有限公司的《清丰县城供水水文地质详查报告》研究成果，清丰县城供水水源地浅层承压含水层组影响半径为996 m。分别以Q16、Q12 为中心外扩，形成半径为1 000 m、面积约6.2 km2的模拟区，模拟区内浅层含水层组划分为浅层潜水含水层、弱透水层、浅层承压含水层。在抽水试验过程中，浅层潜水含水层通过弱透水层垂向越流补给承压含水层，浅层潜水含水层的水位在发生越流补给的过程中基本不变。近似认为地下水在含水层中为水平运动、在弱透水层中为垂向一维运动（忽略弱透水层本身的弹性释水）。模拟区无自然边界，可概化为二类边界；与下部含水层之间水交换微弱，可概化为隔水边界。模拟区水文地质概念模型为具有第二类边界且越流补给的均质各向同性孔隙含水层二维地下水渗流模型。

3.2 数学模型构建

依据上述水文地质概念模型，构建八里庄水源地浅层承压含水层组地下水渗流数学模型：

式中：H1为浅层潜水含水层水位，K为浅层承压含水层渗透系数，Kz为弱透水层垂向渗透系数，μ∗为浅层承压含水层贮水系数，M为浅层承压含水层厚度，m为弱透水层厚度，H0（x，y）为浅层承压含水层初始水头，q（x，y，t）为浅层承压含水层不同时刻的边界单宽流量，Γ2为二类边界，Ω为渗流计算区域，x、y为笛卡儿坐标，H为浅层潜水含水层初始水位，t为抽水时间，n为边界面的法线方向。

3.3 数学模型的识别与验证

采用国际上广泛使用的地下水模拟软件Visual MODFLOW 求解八里庄水源地浅层承压含水层组地下水渗流数学模型。初始水文地质参数根据含水层岩性赋予经验值，将模型所需参数输入数学模型中，计算抽水试验各时段水位，通过对浅层承压含水层组抽水井水位计算值与实测值时空分布进行一致性分析，完成对所建数学模型的识别与验证。当计算水位和实测水位之间差值最小时，即认为该水文地质参数满足要求。

对模拟区采用矩形网格剖分，剖分时将抽水井附近适当加密，共剖分为42 行62 列，垂向上剖分为3层，每层矩形网格单元为2 604 个，计算节点位于单元中心。本次模拟选择抽水井Q14、Q16 的地下水位动态曲线为拟合依据，各抽水井和观测井地下水位动态曲线拟合结果分别见图2、图3。

图3 Q16 井水位动态曲线拟合

Q14 井水位下降24.08 m，模拟计算值与实测值相差最大值为1.26 m；Q16 井水位下降13.73 m，模拟计算值与实测值相差最大值为1.17 m。Q14、Q16 井实测值与模拟计算值的拟合误差小于拟合计算期内水位变化值的10%，符合中国地质调查局《地下水流数值模拟技术要求》规定，表明所建立的数值模型基本符合模拟区的水文地质条件，能真实反映地下水系统的水力特征。

4 求参结果及方法分析

4.1 计算结果分析

利用Aquifer Test 软件和地下水数值模拟法计算水文地质参数的结果见表1。

表1 含水层水文地质参数计算结果

由表1 可知，两种方法得出的八里庄水源地浅层越流承压含水层组水文地质参数在同一个数量级，求参结果基本一致，相对误差在6%以内。在保证计算精度要求的前提下，利用Aquifer Test 软件计算水文地质参数可以减少计算工作量，降低计算过程出现人为错误的概率［12－13］，更简便快捷地计算出越流承压含水层的各项水文地质参数。

4.2 计算方法分析

在八里庄水源地浅层越流承压含水层组抽水试验中，Aquifer Test 软件计算水文地质参数方法简便、快捷，可以利用抽水试验的全部数据。在自动拟合标准曲线配准方法的基础上，可以利用计算者所掌握的试验地水文地质条件，使用自动或手动方法拟合试验数据与理论曲线，使求参结果更加符合试验地的实际水文地质条件。

数值模拟法通过对实际水文地质条件高度概化，在建立水文地质概念模型的基础上，构建试验地的地下水渗流数学模型，继而利用地下水数值模拟软件Visual MODFLOW 进行计算求解，因此采用数值模拟法计算出的水文地质参数可代表实际的水文地质条件。但利用数值模拟法计算越流承压含水层组水文地质参数需要计算者具有较高专业素养，且需要的相关资料多、工作量大、花费时间长。

5 结论

1）利用Aquifer Test 软件中的Hantush 理论分析法计算八里庄水源地浅层越流承压含水层组非稳定流抽水试验水文地质参数，计算者在利用软件自动拟合曲线功能基础上，可根据所掌握的水文地质背景条件，避开异常数据点，保证所求含水层参数值的准确性和可靠性。

2）利用Aquifer Test 软件与数值模拟法计算出的水文地质参数基本一致，结果相差在6%以内，表明Aquifer Test 软件计算水文地质参数是可靠的，可基本反映水源地浅层承压含水层组水文地质条件。采用Aquifer Test 软件求解越流承压含水层水文地质参数具有简便、快捷的优势，特别在小型水文地质勘探工程中有很强的实用性。