分层监测孔现场分级联合试验确定含水层参数 摘要：以华北平原中部咸淡水过渡带的多层含水系统（第Ⅰ含水组底部至第Ⅱ含水组顶部的含水系统）为研究对象，建立了地下水位-水质分层监测系统通过在多层含水系统开展分层分级抽水试验、微水试验以及分层示踪试验等现场综合试验，借助解析法和数值模拟识别法等多种手段确定各分层水文地质参数求参结果表明：Ⅰ含底部含水层渗透系数为4320～7550 m/d，储水系数为453×10-4～219×10-3；弱透水层渗透系数为220×10-3～765×10-3 m/d，纵向弥散系数为0023～0428 m2/d，纵向弥散度为0010～0051 m；第Ⅱ含水层顶部含水层渗透系数为0142～0929 m/d，储水系数为453×10-4～219×10-3 关键词：多层含水系统；分层监测系统；抽水试验；微水试验；示踪试验；水文地质参数 中图分类号：P641文献标识码：A 文章编号：16721683（2013）03013206 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Boulton法、Neuman法和基于越流理论的Hantush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40～60 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Ⅱ含水组底界埋深一般120～170 m，有较稳定的隔水层，水头有明显的承压性；第Ⅲ含水组，底界埋深250～350 m；第Ⅳ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Ⅱ含水组之间所夹弱透水层及第Ⅱ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Ⅱ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Ⅱ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Ⅱ含水组之间弱透水层（XK2、XK3）及第Ⅱ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7167 L/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；GGUNFL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=050，截距s0=207由此求得导水系数T=3777 m2/d，压力传导系数a=471×104 m2/d，渗透系数K=755 m/d，弹性给水度μe=802×10-4 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，μe=438×10-4，a=T/μe=505×105 m2/d 2.1.2第Ⅰ含水组与第Ⅱ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Ⅱ含水组顶部含水层 合分析认为第Ⅱ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Ⅱ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=157×103 m2/d，K=0142 m/d，μe=453×10-4 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，μe=219×10-3，a=358×102 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Ⅱ含水组之间弱透水层为第三层，第Ⅱ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 obtained from the numerical simulation 层数1底界埋 深/m1K /（m·d1）1KZ /（m·d1）1T /（m2·d1）1μe1孔隙度第一层14015.78918.64×1041231.56018.40×10310.20第二层14514.32010.078121.60019.00×10310.18第三层16516.91×10312.59×10510.13815.00×10610.07第四层17010.92910.04314.64515.00×10410.21图4XK4井抽水时的计算降深与观测降深 对比曲线（XK2和XK4） Fig.4Comparison between the observed and calculated drawdown in 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 the tracers in the wells XK3 and XK4 由图5可知，在示踪试验过程。