沙地潜水含水层不同时间段抽水降深的差异性分析_周生辉.pdf

第40卷第1期2023年1月Vol.40No.1Jan.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.01.06沙地潜水含水层不同时间段抽水降深的差异性分析周生辉1，刘廷玺1,2,3，段利民1,2,3，冀如1，刘小勇4（1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特010018；2.内蒙古自治区水资源保护与利用重点实验室，内蒙古 呼和浩特010018；3.黄河流域内蒙段水资源与水环境综合治理协同创新中心，内蒙古 呼和浩特010018；4.乌兰察布市水文勘测局，内蒙古 乌兰察布012000）摘要：抽水降深过程是计算区域水文地质参数的重要观测资料，为揭示毛乌素沙地海流兔河流域第四系潜水含水层不同时段的水文地质特征，明晰沙地潜水含水层降深差异的主控因子，本文对同一口井不同时间的4次抽水降深差异进行了系统分析。在基于抽水井附近的逐小时监测水位，首次将Bland-Altman法引入了对抽水降深过程间的差异性辨析，并利用配线法和水位恢复法求解了第四系含水层的水文地质参数来进行差异性佐证。最后，本文以流域尺度为研究系统，通过对含水层厚度、水力坡度、地下水储量变化和降水补给分析，辨析了抽水降深差异产生的主要原因。研究结果得到毛乌素沙地海流兔河流域第四系潜水含水层导水系数变化范围为3.004.85 m2h-1，且抽水前降水对包气带的下渗补给是产生抽水降深差异的主控因素。关键词：抽水降深；差异性；潜水含水层；水文地质参数获取区域水文地质参数最直接有效的方法通常采用抽水试验，利用抽水降深曲线计算相关的水文地质参数1。由于主要求解的渗透系数取决于岩土介质和流动液体的性质，对于自然界的地下水来说，通常状态下区域的渗透系数可近似看作岩层的透水性常数，基本不会发生较大差异，因此可以通过有限时间内的单井抽水过程曲线测算，近似代表区域的含水层性质2。但对于毛乌素沙地水循环交互最为剧烈的潜水含水层而言3，即使是区域地下水位变幅微弱的情况下，不同时间段的定流量抽水降深曲线也存在差异，而这种差异性又影响着我们对沙地水文地质的定性研究和区域生态水资源的定量评价，所以对沙地潜水含水层不同时间段抽水降深的差异性分析具有现实意义。抽水过程的水位降深曲线是原位测定和分析含水层水文地质参数的重要动态资料4。Li等5基于原位抽水和模拟试验对开始抽水到水位恢复的全过程降深变化曲线进行了研究，分析了抽水持续时间对水文地质参数求解的影响；赵全升等6以潜水非完整井稳定流抽水试验的两个落程及水位恢复数据进行计算，确定出了辽河三角洲滨海湿地潜水含水层的水文地质参数；梁冰等7通过抽水、水位恢复和注水的水位降深过程求解了垃圾填埋场的水土特性；Pozdniakov等8利用供水井定期抽水所产生的水位周期波动解析了区域含水层的渗透系数。然而，以上研究多基于对有限时间内抽水降深的数据进行测算，而对于需长期观测的变动含水层，则缺乏多时段抽水降深变化差异的关注；同时，多数研究对于潜水含水层的抽水降深及水文参数还未作过多时段的详细讨论。为研究潜水含水层水文地质参数的时空差异性问题，本文对沙地潜水含水层不同时间段的多次抽水降深进行了对比分析，并详细讨论了相关的影响因素。本文利用海流兔河流域塔来乌苏嘎查农用灌溉井附近的每小时监测记录水位，来分析抽水降深在不同时段的差异性问题，并扩充至整体的流域潜水含水层为研究单元。通过流域上其他井位的监测数据，对相同初始水位下不同时间段的定流量抽收稿日期：2022-02-16；修订日期：2022-07-06基金项目：国家重点研发计划（2018YFC0406400）；内蒙古自治区科技重大专项（2019ZD0009）；教育部创新团队发展计划（IRT-17R60）；科技部重点领域科技创新团队（2015RA4013）；内蒙古自治区草原英才产业创新创业人才团队作者简介：周生辉（1996-），男，硕士研究生，主要从事水文地质及水文循环方面的研究.E-mail:通讯作者：刘廷玺.E-mail:5158页40卷干旱区研究水降深及水位恢复过程进行了研究，揭示了毛乌素沙地流域第四系潜水含水层的时间差异性特征。1研究区概况和试验设计1.1 研究区概况研究区位于毛乌素沙地中部的海流兔河流域，流域内广布的风积沙和湖积沙，有利于大气降水对地下水的入渗补给，大大降低了干旱气候条件下的蒸发消耗，因而富集形成了巨厚的潜水含水层系统，是流域生产生活的主要水源9。流域整体处于鄂尔多斯盆地的伊陕斜坡之上，地形相对平缓，流域内无较大的构造断裂带，地质结构简单，潜水位埋深为050 m10。流域内的海流兔河基本受地下水排泄补给，由北向南汇入无定河，与流域潜水含水层的整体地下水流向相同（图1）。1.2 抽水试验设计试验点布置在海流兔河流域的塔来乌苏嘎查（381743.26N，1085637.74E），区域地势平缓，为典型的沙地地貌（图1），周边无较大的取水井。钻孔资料揭示的地层结构与抽水井、观测井位置如图2所示。抽水选用灌溉井进行，管井贯穿整个第四系含水层，孔径357 mm，材质为水泥套管，管壁及管底进水，井深57 m，水泵放置在地下2124 m处；观测井孔径为150 mm，井深15 m，距抽水井6.2 m，内置美国Onset公司生产的自动监测水位计，观测记录频率为1 h。文中的降雨气象资料来源于中国气象数据网。抽水试验采用定流量抽水，抽水流量为32 m3h-1，抽水管道压强为2.4 Mpa，非抽水期观测孔的水位基本稳定在埋深约2.14 m，共选取了4个时间段观测井记录的抽水与水位恢复数据（图3）。4个抽水试验全程的时间段分别为：（1）2019年7月13日18:00 至 7 月 16 日 16:00（水位恢复约为 24 h）；（2）2019年8月9日19:00至8月15日15:00（水位恢复约为23 h）；（3）2019年8月29日8:00至9月1日12:00（水位恢复约为16 h）；（4）2019年9月22日11:00至9月27日13:00（水位恢复约为18 h）。2差异性分析从塔来乌苏观测井水位的变化可以发现（图3），历次抽水结束后水位都恢复到了原有水平，因此抽水井周围的潜水流初始厚度可视为定值；同时，相对于抽水试验的流速变化，自然状态下平缓地区的地下水运动速率很小，而抽水导致的含水层释水量变化远大于天然水力坡度的影响，一般可以将抽水试验的初始环境看作稳定态处理2。综上所图1 海流兔河流域地理位置及上覆地质背景Fig.1 Location and geological background of the HailiutuRiver Basin图2 钻孔地层柱状图与井结构Fig.2 Borehole formation column chart and well structure521期周生辉等：沙地潜水含水层不同时间段抽水降深的差异性分析述，该井多次的定流量抽水所造成的地下水位下降及停泵后的水位回升过程类似；同理，根据地下水位变化过程线求得的水文地质参数也相同。但是，该观测井所记录的多次抽水降深却存在一定的差异，似稳态的最大降深仅在不同时间段存在一致性。因此，为系统全面地对比其差异性，探究造成这种差异的主要原因，本文较均匀地选取了4次不同时间段的抽水过程，引入Bland-Altman法从绝对偏移的角度讨论了抽水全过程的差异性11，并基于传统抽水试验的配线法和水位恢复法对该区域的导水系数进行求解12-13。抽水过程分析所引入的Bland-Altman法可以定量评价两组测量数据的一致性，主要是通过计算两组数据对应阶段的差值和均值统计学关系，来分析两组数据的过程性差异。2.1 降水阶段差异性分析分析对比4次抽水的水位下降过程可以看出，7月13日与8月9日的观测井水位下降过程曲线具有相似性，而8月29日与9月22日的下降过程也具有拟合度更高的相似性。根据Bland-Altman法对两两降深过程的分析得出，7月13日与8月9日抽水降深过程的95%一致性界限为（0.104，0.453），其中的标准差为0.089；8月29日与9月22日的95%一致性界限为（-0.014，0.254），标准差为0.068；7月13日与8月29日的95%一致性界限为（0.254，1.009），标准差为 0.19；8 月 9 日与 9 月 22 日的 95%一致性界限为（0.460，1.189），标准差为0.18。根据标准差越小而过程曲线的一致性越强这一特性可以发现，前两次和后两次的抽水水位下降过程具有一致性，而前两次和后两次这两组之间存在差异性。为更加详细地讨论降深曲线差异对水文地质参数求解的影响，利用Boulton模型的配线法求解导水系数。该配线过程采用的是加拿大滑铁卢水文地质公司开发的Aquifer Test软件对水位降深值进行Boulton模型配线拟合，参数在系统自动拟合的基础上，通过手动调试到最佳拟合效果得到水文地质参数14。从计算得出结果可以看出（表1），4次抽水配线法估算的导水系数平均值为4.38 m2h-1，极差为 0.85，给水度平均值为 0.11，极差为 0.13，参数的差异度与降深曲线所反映的规律一致，计算结果与流域其他研究者得到参数范围一致15-16。2.2 回水阶段差异性分析相较于人为的抽水降深求解参数，利用水位恢复数据更能体现自然状态下的地下水流运动状态17。根据4次抽水后的水位恢复过程可以发现，7月13日与8月9日的观测井水位恢复到初始状态的时间较长，且两者的水位恢复过程曲线具有相似性；8月29日与9月22日的恢复时间相对于前两次较短，恢复过程也类似。根据Bland-Altman法对两两水位恢复末端的过程分析表明：7月13日与8月9日回水过程的 95%一致性界限为（-0.214，0.165），其中的标准差为0.097；8月29日与9月22日的95%一致性界限为（-0.108，0.117），标准差为0.057；7月13 日与 8 月 29 日的 95%一致性界限为（-0.175，0.385），标准差为0.143；8月9日与9月22日的95%一致性界限为（-0.405，0.784），标准差为0.303。从标准差反映得到，前两次和后两次的水位恢复过程具有很强的一致性，而前后两组间的差异性很大，这与降水阶段差异性的结论相同。图3 观测井水位变化过程Fig.3 Observed well water level change process表1 配线法求参结果Tab.1 Results of parameters of water level recovery method开始抽水时间配线法导水系数/（m2h-1）配线法给水度7月13日4.660.138月9日4.850.198月29日4.020.069月22日4.000.07均值4.380.115340卷干旱区研究恢复水位法是根据抽水井或观测井的水位恢复资料确定含水层的导水系数，该方法是对停泵后水位恢复过程类似于直线段的部分求斜率18。利用4次抽水后的水位恢复数据，根据Neuman模型的恢复水位法得到的导水系数平均值为3.38 m2h-1，极差为0.81（表2），计算得到的参数差异性与回水曲线的Bland-Altman分析相同，基本和抽水配线法的变化差异一致。3讨 论传统的抽水试验方法通常只能表示一个区域含水层参数的平均值，甚至在各向异性的非均质含水层中，只能代表抽水井实际影响范围内的水文地质特征19。在岩性单一，第四系细砂含水层抽水影响半径为50100 m的海流兔河流域，导致塔来乌苏嘎查研究点抽水井初始水位相同时定流量抽水降深产生的差异，则可能与研究区的含水层厚度、区域水力坡度、尺度效应和抽水前的降水补给影响有关20-21；同时，距塔来乌苏嘎查抽水井5.5 km的井3，在同年79月统测显示出地下水埋深基本保持不变的现象，也表明研究点水文地质参数的各向同性范围可能更大，有必要扩充空间尺度至第四系沙地潜水含水层，对抽水过程的差异性进行分析。因此，本文以海流兔河流域整体含水层为研究范围，对