基于導水系數的含水層富水性評價方法

李超峰

(1.中煤科工西安研究院(集團)有限公司,陜西 西安 710077;2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室,陜西 西安 710077)

含水層富水性是水文地質和地下水領域的基本概念;評價含水層富水性是水文地質勘探階段的一項基本工作,應用廣泛。然而,《地下水動力學》[1-3]、《水文地質學基礎》[4]等地下水教材中均未給出含水層富水性的定義及其評價方法。50年代,自前蘇聯引入了單位涌水量評價含水層富水性的方法;這種方法計算簡便,很快推廣應用開來,特別是在礦床水文地質領域。在積累大量數據資料后,我國學者總結了符合我國國情的含水層富水性等級劃分標準,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、強、極強;提出將“口徑91 mm、抽水水位降深10 m時”的單位涌水量作為標準,給出了不同孔徑、不同降深抽水試驗的單位涌水量換算公式;單位涌水量評價方法已被寫入《礦區水文地質工程地質勘探規范》(GB 12719-1991)[5]、《煤礦防治水規定》[6]和《煤礦防治水細則》[7]等文件。

在應用過程中,學者們普遍發現單位涌水量及利用其評價含水層富水性存在問題,并在我國水文地質領域進行了多次學術爭鳴。1959年,幻傳豪[8]提出采用鉆孔最大涌水量和泉的最大流量來評價含水層的富水性是不準確的,建議采用鉆孔單位涌水量。沈樹榮[9]認識到單位涌水量評價方法存在缺陷,建議采用“富水系數”(注:即導水系數)評價。1984年,葛天民[10]、王兆林[11]分別對單位涌水量和導水系數的關系進行了研究;葛天民認為單位涌水量和導水系數具有明顯的對應關系,王兆林認為在某些特定條件下,單位涌水量和導水系數具有線性相關關系。2004-2016年間,蘭太權[12-14]3次發文提出“單位涌水量就是導水系數”的觀點,在國內水文地質領域掀起了關于含水層富水性的熱烈討論。多位學者發表學術文章進行辯論。張競[15]認為單位涌水量具有多解性;王旭升[16]、董巖巖[17]認為在特定條件下可以出現單位涌水量與導水系數相等的情況,但不具備普適性;周訓[18]認為抽水井單位涌水量不能等同于含水層導水系數,并指出存在的問題;尚銀生[19]認為“單位涌水量就是導水系數”的結論沒有說服力;陳崇希[20]對相關的Thiem影響半徑穩定井流模型進行了說明和回應。

含水層富水性這一基本概念不明晰和評價方法與標準等不明確,引起了爭議,限制了應用,有必要從概念、方法和標準等方面系統厘清、正本溯源。本文給出了含水層富水性定義,給出了含水層富水性評價方法與標準,對比分析了單位涌水量和導水系數富水性評價方法。

1 含水層富水性定義

富水性是在水文地質勘探階段進行含水層地下水量是否充沛定量評價的一種方法,可為后續地下水資源開發階段的供水含水層選擇、水源地和取水構筑物選址等提供參考和依據。

本文給出含水層“富水性”定義:在地下水源源不斷持續補給時含水層可給出地下水量的能力。

由于導水系數可以說明含水層的出水能力[1],因此采用水文地質學中的導水系數T表征含水層富水性。含水層富水性的物理意義為:水力坡度等于1時,通過整個含水層厚度上的單寬流量。

導水系數T值與含水層厚度M、滲透系數K有關,厚度M和滲透系數K都是含水層的本質屬性。因此,富水性也是含水層的本質屬性,不受人為因素影響。

導水系數的概念僅適用于二維的地下水流動,對于三維流動是沒有意義的。因此,含水層富水性也僅適用于地下水二維流動。

2 富水性評價方法

采用水文地質學中的導水系數T表征含水層富水性。導水系數為“含水層的滲透系數與其厚度的乘積”,單位為“m2/d”。計算時,承壓含水層厚度取其地層厚度,潛水含水層厚度取其水位之下地層厚度。

T=KM

(1)

式中:T為導水系數,m2/d;K為滲透系數,m/d;M為含水層厚度,m。

3 富水性等級劃分標準

本文給出導水系數法富水性等級劃分標準(表1)。

表1 導水系數法富水性分級標準

表2 單位涌水量富水性分級標準

本文將含水層富水性共劃分為7個等級,由弱至強依次為極弱、弱、中等、強、很強、特強、極強。

為了直觀分析含水層富水性變化規律,繪制含水層富水性分區圖(圖1)。

圖1 含水層富水性分區圖

圖2 導水系數法和單位涌水量法富水性分級標準對比圖

4 討論

4.1 與單位涌水量評價方法對比分析

單位涌水量評價含水層富水性方法是建國后自前蘇聯引入國內的。這是一種適用于施工現場的“概略估算”方法,理論依據不充分。(1)單位涌水量非含水層本質屬性。根據計算公式,單位涌水量與抽水量和水位降深有關;由于抽水量和水位降深非含水層本質屬性,是受到鉆孔結構、孔徑、抽水量等人為因素影響的。因此,單位涌水量不能客觀反映含水層富水性這一本質屬性,其受到人為因素影響較大。(2)單位涌水量之間無換算關系。例如,鉆孔孔徑和抽水量之間并不是簡單的線性關系,不同孔徑和抽水量條件下的單位涌水量是否具有確定的換算關系目前仍存在爭議。例如,對于完整井和非完整井,以及復合含水層之間的單位涌水量沒有理論換算公式,獲得單位涌水量只能通過抽水試驗方法。在高家堡礦井前后兩期洛河組含水層精細化勘探項目實施過程中,利用雙Packer分層抽水試驗獲得了大量數據資料[21-23],筆者多次嘗試卻無法利用單位涌水量進行洛河組垂向含水層段富水性的定量評價和對比分析。由于其計算方法簡單、適于現場應用的優點,經過60多年的現場實踐,單位涌水量富水性評價方法在我國礦床水文地質領域已經得到廣泛應用,被寫入《礦區水文地質工程地質勘探規范》(GB 12719-1991)《煤礦防治水規定》和《煤礦防治水細則》等文件。

由于未對含水層富水性給出具體的定義,以及缺少導水系數富水性評價等級劃分標準,導致長期以來對含水層富水性概念、評價方法與標準、現場應用與研究等方面一直存在諸多問題和矛盾。多位學者結合工作實際進行了充分討論與辯論,有力促進了對含水層富水性基本概念和評價方法的深入認識與理解。例如,1959年,沈樹榮[9]發表了《讀“對巖層含水層圖編制原則的幾點意見”》一文,是國內最早可查到的對單位涌水量含水層富水性評價方法進行客觀分析的文章;1984年,葛天民[10]、王兆林[11]分別對單位涌水量與導水系數的關系進行了討論;蘭太權[12-14]分別于2004年、2007年和2016年發表了關于“單位涌水量就是導水系數”的3篇文章,掀起了國內水文地質領域對含水層富水性的熱烈討論;周訓[18]、王旭升[15-17]、尚銀生[19]、陳崇希[20]等分別發文對含水層富水性及單位涌水量評價方法進行辯論,但是依然未能明確含水層富水性的定義、屬性以及評價方法等根本問題。

本文給出了含水層富水性定義及評價方法和標準,其主要作用包括:

(1)明確富水性是含水層的本質屬性,不受人為因素影響。

(2)給出了富水性的定義,明確是在“在地下水源源不斷持續補給時”的前提條件,避免了導水系數不能反映含水層地下水補給條件的缺陷,厘清了基本概念。

(3)明確采用導水系數T進行含水層富水性評價,并給出了富水性等級劃分標準,規范了富水性評價方法與等級劃分標準。

(4)導水系數富水性評價方法同樣具有計算簡單和便于現場應用的優點,同時理論上更為科學、嚴謹,分級更為精細。

單位涌水量是一種適用于野外施工現場的概略估算含水層富水性的方法。在施工現場可用單位涌水量初步“概略估算”含水層富水性,但是在后續分析與研究階段應采用導水系數法定量評價含水層富水性。

4.2 富水性等級劃分依據

由于單位涌水量與導水系數的量綱相同,可以將單位涌水量富水性等級劃分標準進行換算,如下:

參考以往單位涌水量富水性等級劃分標準,本文給出導水系數含水層富水性分級標準。本文給出的導水系數法富水性標準共7級,其中極弱和弱大致對應原單位涌水量法富水性等級弱,中等和強等級對應原來的中等,很強和特強對應原來的強,極強對應原來的極強。本次富水性等級劃分是在原單位涌水量法富水性等級的基礎上,將原來的弱、中等和強3個等級再各細分為2個等級,更為精細。

5 結語

(1)定義含水層富水性為“在地下水源源不斷持續補給時含水層可給出地下水量的能力”。含水層富水性的物理意義為:水力坡度等于1時,通過整個含水層厚度上的單寬流量。

(2)給出了含水層富水性評價方法與標準。采用導水系數評價含水層富水性;給出了導水系數法富水性分級標準,導水系數T≤1 m2/d、1 m2/d400 m2/d表示富水性依次為極弱、弱、中等、強、很強、特強、極強。

(3)在施工現場可以用單位涌水量初步評估含水層富水性,在后續分析與研究階段應采用導水系數法定量分析、研究含水層富水性。

(4)富水性是含水層的本質性質,其與含水層補給條件,地下水靜儲量、動態補給量、可采資源量等是不同概念,應注意區分。