1、分層監測孔現場分級聯合試驗確定含水層參數    摘要：以華北平原中部咸淡水過渡帶的多層含水系統（第含水組底部至第含水組頂部的含水系統）為研究對象，建立了地下水位-水質分層監測系統。通過在多層含水系統開展分層分級抽水試驗、微水試驗以及分層示蹤試驗等現場綜合試驗，借助解析法和數值模擬識別法等多種手段確定各分層水文地質參數。求參結果表明：含底部含水層滲透系數為43207550 m/d，儲水系數為453×10-4219×10-3；弱透水層滲透系數為220×10-3765×10-3 m/d，縱向彌散系數為00230428 m

2、2/d，縱向彌散度為00100051 m；第含水層頂部含水層滲透系數為01420929 m/d，儲水系數為453×10-4219×10-3。 關鍵詞：多層含水系統；分層監測系統；抽水試驗；微水試驗；示蹤試驗；水文地質參數 中圖分類號：P641文獻標識碼：A 文章編號：16721683（2013）03013206 確定含水層水文地質參數是一個非常復雜的過程。目前常用的水文地質參數確定方法主要包括室內實驗法、野外現場試驗方法以及基于數值模擬的參數識別法等。野外現場試驗主要包括抽水試驗，微水試驗及示蹤試驗等，是獲取水文地質參數最重要的手段之一。長期以來，現場試驗求參時主要使用解析

3、公式法1，最常見確定水流參數的解析方法包括基于穩定井流的裘布依公式和基于非穩定井流的泰斯公式及其改進方法24，還有基于潛水井流的Boulton法、Neuman法和基于越流理論的Hantush法等1。示蹤試驗是求解含水層彌散系數的重要水文地質試驗，其主要原理是利用濃度穿透曲線數據，采用多種估算方法計算含水層彌散度，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。微水試驗是在單孔中進行的一種簡易抽注水試驗，由于其簡便經濟，近年來已成為一項重要的評價含水層滲透性空間變化以及低滲巖體滲透特征的水文地質試驗方法7。目前較成熟的微水試驗數學模型主要有：Hvorslev模型、Cooper模型

4、、Bouwer和Rice模型及KGS模型等四種810。 然而目前，現場試驗主要針對單一含水層進行的單孔抽注水試驗，而對試驗過程的監測也主要利用該含水層的單孔或者多個鉆孔開展，極少見涉及到多層含水系統的情況。本論文選取華北平原中部咸淡水過渡帶的多層含水層系統為研究對象，在建立地下水位水質分層監測系統的基礎上，開展分層分級聯合抽水試驗、微水試驗和示蹤試驗，綜合運用多種手段確定研究區多層含水系統水文地質參數，為進一步開展華北平原中部咸淡水過渡帶研究提供參數依據。 1實驗區概況及試驗安排 1.1試驗區水文地質概況 華北平原第四系含水組自上而下劃分為四個含水組1112：第含水組，底界埋深4060 m，含

5、水層多為條帶狀分布，顆粒細，層間無良好的隔水層，透水性較好；第含水組底界埋深一般120170 m，有較穩定的隔水層，水頭有明顯的承壓性；第含水組，底界埋深250350 m；第含水組，底界埋深350450 m。本文研究的多層含水系統為第含水組底部含水層，第含水組與第含水組之間所夾弱透水層及第含水組頂部含水層（見圖1）。其中，第含水組底部含水層主要巖性為粉細砂及亞砂土，礦化度較高，一般為咸水；第含水組與第含水組間弱透水層巖性為亞砂土、亞黏土和黏土互層，隔水性較差，上部為咸水，下部為淡水；第含水組頂部含水層巖性為細砂、亞砂土，礦化度較小，一般為淡水。 1.2地下水水位水質分層監測系統 本次試驗是在衡

6、水地下水科學試驗場新建立的地下水水位水質分層監測系統的基礎上進行的。分層監測系統位于研究區咸淡水過渡帶，于2011年6月-7月在試驗場新打四口鉆井組成的，四口新打鉆井分別位于第含水組底部含水層（XK1）、第含水組第含水組之間弱透水層（XK2、XK3）及第含水組頂部含水層（XK4），其剖面及平面位置見圖1。 1.3分層分級聯合現場試驗 多層含水系統分層分級抽水試驗，是以多層含水系統為研究對象，利用地下水水位水質分層監測系統，對該系統中含水層及弱透水層分別進行抽水試驗和微水試驗，觀測各分層觀測孔水位變化，利用觀測信息綜合確定多層含水系統的水文地質參數。分層示蹤試驗是在多層含水系統分級系列抽水試驗過

7、程中，于上部含水層投放示蹤劑，在下部含水層監測示蹤劑濃度變化，分析計算各層彌散參數。 本次分層分級聯合現場試驗的設計方案如下。 在XK1井進行非穩定流定流量抽水試驗，抽水流量為7167 L/min，抽水時間為530 min；待XK1及其他各井恢復到天然水位后，在XK2及XK3井依次進行微水試驗，觀測時間分別為1 280 min和1 322 min。試驗過程均采用DIVER三參數LTC（水位、電導率、溫度）探頭及人工觀測記錄數據。 待各井恢復到天然水位后，在XK1、XK2及XK3井分別投放羅丹明B、熒光增白劑及熒光素鈉三種示蹤劑，而后對XK4井進行非穩定流抽水試驗，抽水流量4892 L/min，

8、抽水時間為5 468 min。試驗過程中采用DIVER三參數LTC（水位、電導率、溫度）探頭及人工觀測記錄試驗過程中各井水位變化；GGUNFL野外用熒光光度計監測示蹤劑濃度。 2抽水及微水試驗求參數 綜合運用解析法及數值法確定多層含水系統的滲透系數，儲水系數，彌散系數等水文地質參數。 2.1解析法 2.1.1第含水組底部含水層 綜合分析認為，第I含水組底部含水層抽水試驗近似滿足Theis井流假設條件：等厚、均質、各向同性、含水層側向無限延伸。本次定流量抽水試驗采用標準曲線對比法1及基于Thies公式的直線圖解法1求解參數。 直線圖解法1求參過程如下：作出slgt直線，直線的斜率m=050，截距

9、s0=207。由此求得導水系數T=3777 m2/d，壓力傳導系數a=471×104 m2/d，滲透系數K=755 m/d，彈性給水度e=802×10-4。 選取XK1井前期觀測數據，利用Aquifer Test軟件中的泰斯（Theis）分析進行求解，經將實測st曲線與泰斯標準曲線對比，計算可得T=2212 m2/d，K=442 m/d，e=438×10-4，a=T/e=505×105 m2/d。 2.1.2第含水組與第含水組之間弱透水層 微水試驗是利用某種方式引起井中水位瞬時變化，通過觀測井中水位恢復過程估算井附近含水層水文地質參數的方法。 綜合分析認

10、為，弱透水層中微水試驗近似滿足Hvoslev模型及Cooper 模型的假設條件：均質、各向同性、無限延伸；水流通過井孔時的水頭損失可以忽略。本次微水試驗利用Hvoslev模型7解析式和基于Cooper 模型的標準曲線對比法求參。 Hvoslev模型給出解析式7： Kr=r2cln（Re/rw）12BT0（1） 式中：Kr為弱透水層滲透系數；rc為鉆孔套管半徑；Re為微水試驗的影響半徑；rw為過濾管半徑；B為含水層厚度；T0為滯后時間，即當動水頭Ht與初始水頭H0的比值等于0368時所對應的時間。XK2、XK3井中微水試驗數據處理所用參數取值見表1。 2.1.3第含水組頂部含水層 合分析認為第含

11、水組頂部含水層抽水試驗近似滿足第一類越流系統假定條件：均質、各向同性、無限延伸；弱透水層彈性儲釋水忽略不計；主含水層抽水期間相鄰含水層水頭不變。由抽水試驗觀測數據可知，抽水過程中有補給源對第含水組底部含水層進行補給，結合XK2和XK3井觀測數據，進一步可以推斷出該含水層有越流補給。本次定流量抽水試驗采用基于第一類越流系統的HantushJacob公式的拐點法及標準曲線對比法求解參數。 由抽水試驗數據可知，XK4井抽水過程中最大降深為2172 m，拐點處降深為最大降深的一半即為1086 m。根據第一類越流條件非穩定流拐點法原理1，在拐點處作出切線，斜率mi=1347，拐點處對應的ti=45 mi

12、n，f（r/B）=23 si/mi=1718，查表可得r/B=030，因此可得T=0708 m2/d，a=157×103 m2/d，K=0142 m/d，e=453×10-4。 選取Aquifer Test軟件中的HantushJacob標準曲線進行配比，其擬合曲線見圖3。經計算得，K=0157 m/d，T=0785 m2/d，e=219×10-3，a=358×102 m2/d。 2.2數值模擬識別 利用數值模擬軟件FEFLOW建立多層含水系統模型模 圖3XK4井實測數據與標準曲線擬合圖 Fig.3Comparison between the stand

13、ard curves and observed values in the well XK4 擬所進行的抽水試驗，根據分層觀測孔觀測數據進行水文地質參數識別和校正。所建模型包括四層：把第含水組其他含水層劃為模型的第一層，第含水組底部含水層為第二層，第I含水組與第含水組之間弱透水層為第三層，第含水組頂部含水層為第四層。模型的研究區域為以抽水井（XK4井）為中心，半徑為1 km均質、各向同性的圓形區域，采用井附近密集而向邊界方向逐漸稀疏的不等間距網格剖分；模擬計算起點為抽水試驗開始時刻；邊界條件近似處理為定水頭邊界。分別選用XK2、XK4井觀測數據進行擬合，經過識別和校正可得各層水文地質參數（見表

14、2），含水層及弱透水層中觀測孔數據擬合曲線見圖4，含水層降深擬合誤差在2 m之內的占80 %以上，其降深擬合度大于95 %；弱透水層降深擬合誤差值在005 m之內的占80 %以上，其降深擬合度大于90 %。 表2通過數值模擬擬合校正得出的各層參數 Table 2The calibrated aquifer parameters obtained from the numerical simulation 層數1底界埋 深/m1K /（m·d1）1KZ /（m·d1）1T /（m2·d1）1e1孔隙度第一層14015.78918.64×1041231.56

15、018.40×10310.20第二層14514.32010.078121.60019.00×10310.18第三層16516.91×10312.59×10510.13815.00×10610.07第四層17010.92910.04314.64515.00×10410.21圖4XK4井抽水時的計算降深與觀測降深 對比曲線（XK2和XK4） Fig.4Comparison between the observed and calculated drawdown in the wells XK2 and XK4 when the well

16、XK4 is pumping3示蹤試驗求參數 XK4井抽水前在XK1、XK2及XK3井中分別投放羅丹明B、熒光增白劑及熒光素鈉三種示蹤劑。由于本次是初次示蹤試驗，為了防止下層監測不到示蹤劑，示蹤劑的投放量較大，因此該試驗可以看成一維穩定流動一維彌散問題。各井示蹤劑濃度變化見圖5。 圖5XK3和XK4井中示蹤劑濃度曲線圖 Fig.5Observed concentrations of the tracers in the wells XK3 and XK4 由圖5可知，在示蹤試驗過程中，在XK3井中監測到XK2井投放的熒光增白劑示蹤劑；而在XK4井中也監測到XK2井投放的熒光增白劑及XK3井投放

17、的熒光素鈉示蹤劑。此外在XK2、XK3及XK4井中均監測到XK1井投放的羅丹明B（初次試驗，儀器準備不足，對羅丹明B取樣監測，沒有連續監測）。由此可知多層含水系統之間存在一定的水力聯系，示蹤劑通過一定途徑進入下層含水層，結合抽水試驗過程中XK3井及XK4井水位及電導率的觀測可知，有較大水頭差的條件下多層含水系統中上層咸水有下移補給下層淡水的趨勢。近年來，由于深層淡水不斷開采導致深層地下水位持續下降，淺層咸水層與深層淡水層間形成較大水頭差，從而可能導致上層咸水向下遷移。 3.1直線圖解法 本次試驗利用直線圖解法 14求解彌散系數DL及平均流速v， 令X=（t-tm）21tY=2lnCmtm1Ct

18、+t-tm1t（2） 其中Y與X為線性關系，其斜率R=2tm1x2-v2t2m（3） 則DL=x212tm（Rtm+1）；L=DL1v（4） 3.1.1XK3井數據分析 根據XK3井熒光增白劑濃度監測數據，選擇4 2595 325 min濃度上升及5 3256 021 min濃度下降兩段來計算彌散參數；由式（2）計算X、Y其關系曲線見圖6，R1=0002 38，R2=0010 6；根據式（4）計算彌散參數見表3。 圖6XK3井中熒光增白劑對應的XY關系圖 Fig.6The XY plot of the fluorescent brightener in the well XK3 表3由XK3井

19、求取的彌散參數 Table 3The dispersion parameters obtained from the data in the well XK3 3.1.2XK4井數據分析 根據圖5 XK4井示蹤劑濃度監測數據，選擇1 7772 002 min熒光增白劑濃度下降段及1 8222 032 min熒光素鈉濃度下降段計算彌散系數；根據式（2）計算X、Y其關系曲線見圖7，R1=00894，R2=00977；根據式（4）計算弱透水層彌散參數結果見表4。 圖7XK4井中示蹤劑對應的XY直線圖 Fig.7The XY plot of the tracers in the well XK4 光素

20、鈉10.035 712.298 610.015 64參數小結 本次研究中，利用直線圖解法、拐點法、標準曲線對比法及數值法得到含水層水文地質參數；而利用解析公式法、標準曲線對比法、數值法得到了弱透水層的滲透系數，以上各種方法求參結果，如表6、7所示。對比不同方法得到的結果，可以看出，運用解析公式求取的滲透系數K比其它兩種方法的結果偏大，這是因為微水試驗影響半徑Rw的選擇具有一定的人為性。因此，選擇第含水組與第含水組之間弱透水層滲透系數時，應根據標準曲線對比法及數值法確定，而彌散參數的選取則根據直線圖解法及等斜率法確定。 將前人對華北平原水文地質參數的研究結果與本次研表6各種方法求得的多層含水系統

21、水流參數 Table 6Summary of the hydraulic parameters of the multilayer aquiferaquitard system determined by all methods 監測孔1求參方法1導水系數T/（m2·d1）1滲透系數K/（m·d1）1儲水系數e1壓力傳導系數a/（m2·d1）XK11直線圖解法137.77017.55018.02×10414.71×104標準曲線對比法122.12014.42014.38×10415.05×105數值法121.60014.32

22、019.00×1031/第含水組底部含水層121.60037.7714.3207.55014.38×1049×103XK21公式法1/10.0191/1/標準曲線對比法10.04412.2×10311.94×10512.29×103XK31公式法1/10.0381/1/標準曲線對比法10.15317.65×10312.42×10616.32×104數值法10.13816.91×10315.00×1061/第含水組第含水組間弱透水層10.0440.15312.20×1037.6

23、5×10312.42×1061.94×10512.29×1036.32×104XK41拐點法10.78510.15712.19×10313.58×102標準曲線對比法10.70810.14214.53×10411.57×103數值法14.64510.92915.00×1041/第含水組頂部含水層10.7094.64510.1420.92914.53×1042.19×10313.58×1021.57×103表7各種方法求得的弱透水層彌散參數 Table 7S

24、ummary of the dispersion parameters of the aquitard determined by all methods 監測孔1求解方法1示蹤劑1縱向彌散系數DL/（m2·d1）1實際流速v/（m·d1）1縱向彌散度aL/mXK31直線圖解法等斜率法1熒光增白劑10.1090.03712.1501.07910.0510.034XK41直線圖解法等斜率法1熒光增白劑10.428114.85210.029熒光素鈉10.14118.91710.016熒光增白劑10.02312.26410.010熒光素鈉10.03612.29910.016弱透水

25、層1參數選擇1/10.0230.42811.07914.85210.0100.051究成果對比（見表8）后發現，前人主要是以含水層組為整體進行研究，這些含水層組由一系列小規模含水層弱透水層組成，因此人們求出的參數是含水層組內部多個子含水層-弱透水層單元水文地質參數的綜合反映。而本次試驗對象的單元是最小的含水層或弱透水層，其內部不再含有夾層。由表8可知，本試驗中第含水組底部含水層所求的滲透系數及儲水系數均落在前人研究成果范圍之內；而所求的弱透水層滲透系數大于前人的研究結果，原因是所用處理方法不同：前人是利用在第含水組及第含水組進行抽水試驗求參，而本文把弱透水層看作獨立的一層，對其進行微水試驗求參

26、；彌散系數求解方法也不同，前人是利用室內土柱彌散試驗求解，本文是利用野外示蹤試驗求解；本試驗所求的第含水組頂部含水層參數比前人研究結果相差較大，原因是第含水組以中細砂為主，而其頂部含水層以粉砂為主。 5結論 本文以華北平原中部咸淡水過渡帶多層含水系統為研究對象，建立地下水水位水質分層監測系統，利用多層含水系統分級系列抽水試驗、微水試驗及分層示蹤試驗觀測數據聯合求參。綜合直線圖解法、拐點法、標準曲線對比法及數值模擬識別法求得的多層含水系統的水文地質參數如下：第I含水組底部含水層滲透系數為43207550 m/d，儲水系數表8多層含水系統水文地質參數與前人數據對比 Table 8Compariso

27、n between the previous and calculated hydrogeological parameters of the multilayer aquiferaquitard system 含水層1滲透系數/（m·d1）1儲水系數1縱向彌散系數DL/（m2·d1）1縱向彌散度aL/m淺層含水組（第含水組）（據張兆吉16）1110100.051/1/第I含水組底部含水層（本文）14.3207.55014.38×1049×1031/1/弱透水層（前人）11.33×104（據高業新17）1/10.0220.482 6（據王平14

28、）1/（本文）12.20×1037.65×1031/10.0230.42810.0100.051深層含水組（第含水組）（前人）1510（據張兆吉16）18.4×103（據高業新17）1/1/第含水組頂部含水層（本文）10.1420.92914.53×1042.19×1031/1/為453×104219×103；弱透水層滲透系數為220×103765×103 m/d；第II含水組頂部含水層滲透系數為01420929 m/d，儲水系數為453×104219×103。利用直線圖解法及等斜率法

29、求得的弱透水層的彌散系數為00230428 m2/d，彌散度為00100051 m。 前人對該區水文地質參數研究大多以含水層組整體為對象進行研究，因此利用多層含水系統分層系列聯合試驗求參，為今后水文地質參數的研究提供了新思路，也為本地區開展淺層咸水運移規律研究提供了支持。 參考文獻（References）： 1陳崇希，林敏.地下水動力學M.武漢：中國地質大學出版社，1999.（CHEN Chongxi，LIN Min.Groundwater dynamicsM.Wuhan：China University of Geosciences press，1999.（in Chinese） 2趙寶峰，

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