多层含水层系统水文地质参数计算

为求取含水层水文地质参数,常用的试验方法是抽水试验。在进行抽水试验时,经常有越流现象,计算时一般采用越流模型计算。越流模型假定非抽水含水层的水位恒定不变,但在实际抽水过程中,抽水含水层和非抽水含水层间通过越流相互影响、相互作用。如果只考虑抽水含水层的水位变化而不考虑非抽水含水层的水位变化,会导致计算的水文地质参数不准确。实际工作中,有时会在非抽水含水层中布置一口观测井来观测抽水含水层抽水时对非抽水含水层的影响。如果采用多层含水层系统模型的方法,即可利用各含水层观测井中的数据计算出每个含水层和相关弱透水层的水文地质参数,提高参数计算精度、节省资金和工作量。     

基于Aquifer Test的含水层水文地质参数计算——以塔城市供水改扩建工程为例

水文地质参数的计算是水文地质勘察的一个重要环节。根据在塔城市北东方向喀拉墩地区进行的抽水试验资料,分别采用Aquifer Test软件和Dupuit公式迭代法计算抽水试验参数,对所求取的参数进行对比分析,通过Aquifer Test软件求取的参数与Dupuit公式迭代法求取的参数相近,各参数偏差率低,最终通过抽水试验数据,经不同的方法计算,确定含水层渗透系数K值为31.14 m/d。     

江汉平原典型含水层水文地质参数反演

含水层参数对于定性分析区域地下水资源评价、数值模拟及预报、开发利用与保护及科学管理具有重要意义,而江汉平原水文地质参数求解的研究却相对较少.2015年江汉平原1:50 000水文地质调查项目完成杨林尾图幅与陆溪口图幅,选择杨林尾图幅和陆溪口图幅中的4个代表性钻孔,分别做了3组抽水试验和一组压水试验.对抽水数据使用Dupuit公式法结合抽水稳定阶段数据求解含水层参数,同时利用Aquifer Test软件中Theis标准曲线法、直线图解法对抽水试验中非稳定条件下抽水数据对含水层参数求解,得到孔隙水含水层渗透系数及弹性给水度;利用压水试验工程规范求解基岩裂隙含水层的渗透系数.探讨了利用非稳定抽水试验条件下求解含水层参数方法的可行性及该方法的优势.计算结果表明:杨林尾镇浅层(20.2~64.55 m)含水层渗透系数为0.075 m/d,弹性给水度为5.8×10-2;深层(138~160 m)含水层渗透系数为9.89 m/d,弹性给水度为2.3×10-5;陆溪口镇浅层(19.4~36.4 m)含水层渗透系数1.26 m/d,弹性给水度为1.1×10-1;基岩渗透系数为0.012 m/d.通过结果对比分析发现对于单孔非稳定抽水试验,对前期水位降深数据筛选分析,同样可以利用非稳定井流理论反演含水层参数,结果比较可靠.      

用水位恢复数据反演越流承压含水层参数

水文地质勘测中,由于水位恢复阶段没有人力和机械因素干扰,由测量数据可以画出平滑的曲线,更适宜于分析水文地质参数,但经典非稳定流Theis公式和Theis水位恢复法所依据的若干假设条件在实际中难以满足。针对越流承压含水层具有补给条件而很快稳定以及非稳定抽水阶段流量常“抖动”的特点,论证了利用稳定流量和Hantush-Jacob越流模型计算的可行性,并用扩展的卡尔曼滤波器反演水文地质参数,经文献中历史数据和实地抽水试验检验结果表明,由该方法反演的预测值和实测值吻合良好。     

Dupuit模型的改进——具入渗补给

Dupuit（1863年）提出的模型是“圆岛状含水层稳定井流模型”,这个模型只有侧向湖海边界条件,而不涉及上边界降水入渗补给条件。因此,Dupuit模型只能在旱季用于地下水井流试验求取含水系统的参数,而不能够用于预测。文章发展Dupuit潜水井流模型,考虑地面均匀稳定入渗补给（蒸发排泄示为其负值）作用。以质量守衡原理为基础,假定渗流服从Darcy定律并满足Dupuit徦定,建立极坐标下的地下水流微分方程,再依边界条件建立相应的流量方程和水位方程。这些方程为具地面入渗补给条件下井流试验求取水文地质参数以及预测相应条件下地下水抽水的效果,提供了基础条件。讨论了引入Dupuit假定对本问题解析研究可以降维（略去z变量）带来好处的同时,在地下水分水岭附近及抽水井附近可能出现偏离Dupuit假定,建议在抽水试验求取含水层参数时,观测孔的部署要尽量回避这些区段。     

裘布依地下水井流计算公式有关问题讨论

在长期的实际工作中发现,抽水井口径对抽水试验成果存在较大影响、传统的裘布依井流公式对井涌水量和水文地质参数计算结果与实际情况偏差较大。本文以不同水文地质条件下岩溶含水层中井抽水试验成果资料为依据,通过统计分析,揭示了井径与井涌水量以及含水层水文参数计算成果之间的相关关系,探讨了裘布依井流计算公式在理论和实践上存在的问题...     

利用电导率测井与压水试验联合评价岩体渗透性的方法

进行地下水封洞库的水封条件分析评价必须获得准确可靠的建库岩体渗透性参数,而获取岩体渗透系数常用的传统水文地质试验方法存在明显的不足。为了试验数据的精确性,文章基于广义径向流（GRF）理论,依托烟台某地下水封洞工程,以丙烷洞库交通巷道钻孔为例,开展压水试验并采用非稳定流理论的GRF模型优化解析试验数据,结合电导率测井试验确定导水裂隙位置并求出裂隙范围内的渗透系数。试验结果表明:GRF模型比稳定流模型解析结果大1~2倍。原因在于裂隙岩体进行分段压水时,各段水流维度不一,传统稳定流理论假设水流维度只有二维流,而GRF模型为空间n维裂隙流用压水过程全部数据进行拟合,不同时段在相应维度下进行计算,因此其求算的渗透系数K更接近于试验段真值,具有更好的兼容性和实用性。同时利用电导率测井试验计算长度（导水裂隙范围）远远小于压水试验段计算长度的特点,可将GRF模型解析得出的分段渗透系数做进一步细化平均以提高压水试验解析结果的精度,为水封洞库效果评价、洞库涌水量预测提供更加科学可靠的数据基础。     

武汉长江Ⅰ级阶地含水层水文地质参数研究及工程应用

武汉地区长江Ⅰ级阶地含水层在水流等沉积动力的分选作用和上覆土层压力的固结作用下,其渗透系数必然存在各向异性。因此,基于含水层渗透系数的各向同性和以单井稳定流抽水试验得到的含水层水文地质参数所完成的基坑降水设计亦必然与工程实际存在差异。通过现场分层抽水试验、群井抽水试验,结合三维数值模拟反演计算,得出了武汉长江Ⅰ级阶地各含水层水文地质参数的基本规律和特性,即：各含水层渗透系数自上而下逐渐增加且表现为各向异性,其水平渗透系数大于垂直渗透系数,其比值介于1.6～2.6之间。工程实例表明,采用各向异性的水文地质参数和三维渗流分析进行的超深基坑降水设计,结果更接近于实际,且有利于降低工程造价和基坑周边环境损伤,亦有利于节约宝贵的地下水资源。     

共轭梯度法在新井参数设计中的应用

通常情况下,含水层的参数可分别借助于Dupuit和Theis井流公式,在局部地段利用稳定流和非稳定流抽水试验获得.在新井设计阶段,一般是依据现有参照井数据进行线性或非线性插值计算,但插值受插值表的约束,效率不高.本次研究采用2次优化方法,用网格法确定所求参数最优估计值作为下一步的叠代初值.用共轭梯度法逐步逼近所求参数的精确解,高效地利用参照井的基本数据得到了精度较高的新井参数,为准确地设计新井提供可靠的依据,实地应用效果良好.     

基于解析法和数值法的非稳定流抽水试验参数反演

含水层的水文地质参数是进行地下水资源计算、地下水污染防控等所必需的基础数据,结合数值模拟技术进行含水层参数反演很有必要.按照1:5万水文地质调查规范在江汉平原仙桃市杨林尾镇复兴水厂不同含水层位开展抽水试验,包括深层含水层单孔抽水试验以及浅层含水层中群孔(2孔)抽水试验.对于单孔抽水试验,应用第1类越流系统井流理论进行参数反演;对于群孔抽水试验,推导了特定综合井函数,并利用特定标准曲线匹配法和直线图解法求解了含水层参数.随后利用FEFLOW软件建立了相应数值模型,拟合了含水层参数.结果表明:浅层含水层的渗透系数变化范围为21.66~54.00 m/d,贮水率变化范围为1.28×10-5~8.00×10-4 m-1;深层含水层渗透系数变化范围为1.27~7.00 m/d,贮水率变化范围为3.90×10-6~5.00×10-6 m-1.对于深层承压含水层而言,越流补给量较大.采用数值模拟方法结合抽水试验数据求参,综合考虑了含水层结构,拟合效果好,所得结果更加可靠.      

改进的Theis井流模型及其解析解——考虑含水层顶板的挠曲作用

传统承压含水层井流理论都假定承压水层顶面总应力不变，其隐含的意义是忽略含水层顶板的刚度，从而忽略了顶板弯曲对含水层释水的影响。指出考虑顶板弯曲时，抽水井周围承压含水层顶部的总应力将减小，从而产生比传统理论估计更大的地下水降深，并结合弹性板理论对Theis井流模型作出了改进，新模型的解析解证明Theis模型计算的地下水龙头降深偏低。     

陈崇希教授的学术思想和成就综述

在地下水资源评价理论方面, 陈崇希教授分析了"平均布井法"不符合质量守衡原理的实质, 纠正了以"地下水补给量计算可持续开采量"的错误, 提出了基于"质量守衡"的地下水资源评价原则, 强调分析"补给的增加量与排泄的减少量"在评价地下水可持续开采量时的重要意义.在地下水动力学领域, 陈崇希教授纠正了稳定井流"影响半径"模型的错误, 恢复了Dupuit"圆岛模型"的原貌, 拓展了Theis公式和Hantush公式的应用条件, 改进了地下水非稳定井流理论, 完善了其中的某些基本概念.在水文地质模拟仿真技术方面, 陈崇希教授提出确定滨海承压含水层海底边界的理论和方法; 提出地下水混合井流的模型和模拟方法, 解决了混合抽水试验确定分层水文地质参数的难题; 提出岩溶管道-裂隙-孔隙三重介质的地下水线性-非线性流动的模型; 建立了考虑井管水流雷诺数对滤管入流量分布的水平井-含水层系统的地下水流模型; 完成了"渗流-管流耦合模型"的砂槽物理模拟, 并用数值方法仿真了地下水流的规律; 最近向观测孔水位形成的传统观念———常规观测孔中的水头降深反映该孔滤水管中各点的平均降深———提出质疑.陈崇希教授建立的"渗流-管流耦合模型"使传统的基于线汇/线源的井孔-含水系统模型提高到新的水平.陈崇希教授积极倡导"防止模拟失真, 提高仿真性", 强调精细地分析水文地质条件、合理地概化模型和采用正确的仿真技术的重要性.      

稳定井流直线图解法确定含水层参数

对于潜水井流,利用Dupuit公式计算的参数往往相差很大,难以直接选用。对Dupuit公式进行线性化,建立降深(s)与距离(r)的s-lnr直线关系,利用直线斜率、直线在x轴上的截距,可以直接求得唯一的渗透系数K和影响半径R。利用松花江河谷的承压水井抽水试验资料和洮儿河扇形地27个潜水抽水井及其观测孔的抽水试验资料,应用直线图解法分析计算,得到唯一的含水层参数T、K和R。将计算结果与直接利用Dupuit公式所计算的结果相比较,前者的求参效果较好。     

The effects of geological heterogeneities and piezometric fluctuations on groundwater flow and chemistry in a hard-rock aquifer, southern India

Crystalline aquifers of semi-arid southern India represent a vital water resource for farming communities. A field study is described that characterizes the hydrodynamic functioning of intensively exploited crystalline aquifers at local scale based on detailed well monitoring during one hydrological year. The main results show large water-table fluctuations caused by monsoon recharge and pumping, high spatial variability in well discharges, and a decrease of well yields as the water table decreases. Groundwater chemistry is also spatially variable with the existence of aquifer compartments within which mixing occurs. The observed variability and compartmentalization is explained by geological heterogeneities which play a major role in controlling groundwater flow and connectivity in the aquifer. The position of the water table within the fracture network will determine the degree of connectivity between aquifer compartments and well discharge. The presented aquifer conceptual model suggests several consequences: (1) over-exploitation leads to a drop in well discharge, (2) intensive pumping may contribute to the hydraulic containment of contaminants, (3) groundwater quality is highly variable even at local scale, (4) geological discontinuities may be used to assist in the location of drinking-supply wells, (5) modeling should integrate threshold effects due to water-table fluctuations.     

Using Multiple-Point Geostatistics for Tracer Test Modeling in a Clay-Drape Environment with Spatially Variable Conductivity and Sorption Coefficient

This study investigates the effect of fine-scale clay drapes on tracer transport. A tracer test was performed in a sandbar deposit consisting of cross-bedded sandy units intercalated with many fine-scale clay drapes. The heterogeneous spatial distribution of the clay drapes causes a spatially variable hydraulic conductivity and sorption coefficient. A fluorescent tracer (sodium naphthionate) was injected in two injection wells and ground water was sampled and analyzed from five pumping wells. To determine (1) whether the fine-scale clay drapes have a significant effect on the measured concentrations and (2) whether application of multiple-point geostatistics can improve interpretation of tracer tests in media with complex geological heterogeneity, this tracer test is analyzed with a local three-dimensional ground-water flow and transport model in which fine-scale sedimentary heterogeneity is modeled using multiple-point geostatistics. To reduce memory needs and calculation time for the multiple-point geostatistical simulation step, this study uses the technique of direct multiple-point geostatistical simulation of edge properties. Instead of simulating pixel values, model cell edge properties indicating the presence of irregularly shaped surfaces are simulated using multiple-point geostatistical simulations. Results of a sensitivity analysis show under which conditions clay drapes have a significant effect on the concentration distribution. Calibration of the model against measured concentrations from the tracer tests reduces the uncertainty on the clay-drape parameters. The calibrated model shows which features of the breakthrough curves can be attributed to the geological heterogeneity of the aquifer and which features are caused by other processes.     

非承压含水层底部单孔疏放水渗流特征

由含水层底部向上施工疏放水孔（井）进行疏水降压是保证煤矿安全开采的重要措施之一,该类疏放水孔与地面抽水井的渗流特征具有显著差别。为了研究井下疏放水孔的渗流特征,以非承压含水层底部单井疏放水孔为例,采用数值模拟的方法对其渗流特征进行研究。研究结果表明,当疏放水井的井长l_w小于临界长度l_c时,即l_wc,疏放水井上部含水层孔隙水压力大于0,且由下而上呈先增加后减小的分布规律,渗流量与井长呈指数函数关系增加;当l_w ≥ l_c时,疏放水非完整井的渗流特征及渗流量与完整井相同;渗流量随井半径增加呈指数关系增加,且指数小于1;将s+l_w代替水位降深s对裘布依（Dupuit）潜水完整井计算公式进行修正,当l_wc时,采用修正的Dupuit潜水完整井计算公式计算疏放水非完整井渗流量更精确。该研究结果对认识井下疏放水井上部孔隙水压力分布特征及合理布置疏放水井具有重要的借鉴意义。