CN102288144A - 确定含水层平均厚度的定量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定含水层平均厚度的方法，包括：在两条排水沟之间确定至少三眼潜水位观测井的位置，测量各井位距其中一条排水沟中心的距离L_j，在所述井位上开挖潜水位观测井，并测量出井口高程；获得各潜水位观测井的潜水位数据H_j；根据所述L_j和H_j获得所述目标点的潜水含水层平均厚度D。本发明实施简便易行，且不受其他因素的干扰与约束。

Description

确定含水层平均厚度的定量方法

技术领域

本发明涉及一种量测技术，具体说，涉及一种确定含水层平均厚度的定量方法。

背景技术

在农田灌排工程建设和区域地下水资源开发利用中，通过稳定与非稳定渗流计算，研究分析潜水动态，确定各有关参数及渗流要素，据此制定出适宜的灌排工程规格和对地下水资源量作出合理评价，是常用有效的工程规划与设计方法。其中一顶重要的水文地质条件参数-含水层平均厚度(通常用D、h_cp或Tcp表示)，在各类渗流计算中都普遍使用，不可或缺。

确定D的现有技术主要有以下几种：

(1)传统的水文地质勘探和抽水试验方法。采用此方法，需要在现场实施有相当深度的多井孔水文地质勘探，其深度通常要求达到当地潜水含水层的底部(即不透水层表面)，在冲积平原区，此深度一般较大；进行井孔抽水试验，用理论公式计算D，其结果适用于井群设计和资源评价。采用此类技术，需拥有必要的勘探与成井设备，组织相应的施工队伍，现场实施工作量大，持续时间长。对所取得的水文地质勘探与抽水试验资料数据，还要进行大量的室内综合分析工作，在地层条件复杂的情况下，更增加了分析的难度。完成此项任务，需投入庞大的人力、物力和资金，耗费巨大，在条件不具备或经济能力不足的地区，往往难以承受，而放弃采用该技术。

(2)用数学模型进行模拟计算，通过调整参数拟合D。采用此方法，需要根据现场条件建立数学模型，并取得除D以外的其他各项参数，然后进行调试，开展模拟计算。其做法是以D为目标，与其他参数相配合，通过调整各项参数值，使模拟计算所得结果(如水位动态等)与实测的数据相吻合，从而得出一个拟合的D。这种方法看似有效，但其局限性在于：一是建立模型获取所需其他各项参数和进行拟合D的模拟计算，都需要投入相当规模的人力、物力和资金，且需时较长；二是通过模拟计算拟合出来的D，在很大程度上依赖于其他各项参数的齐全与完整性，并取决于其他参数的准确与可靠程度，而要准确的取得这些参数同样费事费力；再者，在模拟过程中，也可以对其他参数值作出适当调整，使之适应拟合D的需要，这样就会出现不同的组合方案，其结果得出的D不是唯一的，这也给拟合D的可靠性和可信度带来不利的影响。因此，采用此技术存在一定的局限性。

(3)利用实测排水地段潜水位动态数据，推求水文地质特征值

适合于非稳定渗流问题的理论研究与应用。其中，h_cp为相当于D的潜水含水层平均厚度，α为排水沟的不完整系数，是一个包含有hcp在内的常数；参数k为水力传导率或称渗透系数；μ为给水度。此方法有充分理论依据，所得结果对研究非稳定渗流计算问题有效且方便应用。但由于该特征值中，除α系数比较容易确定以外，D与k、μ联结在一起，只有当其他两项参数已经分别测定以后，才能将D从中分离出来，而准确测定k和μ也非易事。在需要单独使用D进行计算和应用的一般情况下，对D的确定还受到其他两项参数的约束和限制。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种确定含水层平均厚度的定量方法，实施简便易行，且不受其他因素的干扰与约束。

技术方案如下：

一种确定含水层平均厚度的方法，包括：

在两条排水沟之间确定至少三眼潜水位观测井的位置，测量各井位距其中一条排水沟中心的距离L_j，在所述井位上开挖潜水位观测井，并测量出井口高程；

获得各潜水位观测井的潜水位数据H_j；

根据所述L_j和H_j获得所述目标点的潜水含水层平均厚度D。

进一步：所述潜水位观测井排列成垂直于所述排水沟的一条直线。

进一步：其中一眼潜水位观测井位于两条排水沟中间位置。

进一步：在获得潜水位观测井的潜水位数据H_j时，在灌水后或降雨后，地面无积水并已形成正常的自由潜水面情况下，设定时间段内测得所述潜水位观测井的潜水位数据H_j，潜水位用相对高程表示。

进一步：当有三眼潜水位观测井的井距和水位高程时，所述潜水含水层平均厚度

其中，

$C_2=\frac{\mathrm{\π}({L_3}^2-{L_2}^2)}{4L_3},$ $\stackrel{\‾}{H}=\frac{H_3-H_2}{H_3-H_1},$ $f_1=\ln \mathrm{sh}\frac{\mathrm{\π}{L}_1}{2D},$ $f_2=\ln \mathrm{sh}\frac{\mathrm{\π}{L}_2}{2D},$

L₁、L₂和L₃分别代表三个潜水位观测井距所述目标点的距离，H₁、H₂和H₃分别代表三个潜水位观测井的潜水位高程观测数据。

技术效果包括：

1、本发明实施简便易行，定量确定含水层平均厚度D时，不受其他因素的干扰与约束。

2、本发明广泛用于农田灌溉排水工程改建、兴建以及地下水资源开发利用等方面规划与设计当中确定含水层平均厚度D，避免了传统作法所需野外勘探和室内分析庞大的工作量，能节省巨大耗费，并且简单易行，在多数现有灌区条件下，进行工程改建、兴建和地下水开发利用中都容易付诸实现。

3、本发明用3眼潜水位观测浅井代替多井、深孔水文地质勘探和抽水试验工作，节省庞大的人力、物力和资金投入，具有明显的经济效益和实用价值。

4、使用本发明，以测得的3井潜水位和3井距排水沟中心的距离作为已知量，通过有限次数的试算，即可获得潜水含水层平均厚度的准确数据，而且是唯一的，不受其他因素的干扰与约束，从而避免建立模拟模型等所需耗费及其所面临的难点。

5、本发明所提供田间简易测试和室内快捷计算方法构成的整套技术方案，适合于现状条件下，多数灌区工程改建、兴建和地下水开发利用的具体情况，成果可靠，准确度高，技术的可操作性强，方法简单，耗费低，易于为当地所接受。

6、本发明避免了使用传统的水文地质勘探手段获取钻孔样品、分析岩层结构性状以及通过现场抽水试验和分析计算求得D的庞大工作量，节省大量人力、物力和资金耗费，对条件不具备和资金短缺的多数地区，具有现实意义。

7、本发明不需建立模拟模型，避免了繁琐反复的调试运算，也不依赖于其他参数的准确获取，同样具有省工省时的优点。

附图说明

图1是本发明中确定含水层平均厚度的方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种简便易行的测试手段，只需要在两沟之间垂直于排水沟布设至少3眼深度较浅(深度通常在3～4m)的潜水位观测井，量测出3井距排水沟中心的距离，通过观测取得3处水位数据，利用推出的理论公式进行有限工作量的计算分析，即能够得出所测试排水地段的潜水含水层平均厚度D的定量数值，达到满足设计计算要求的精度。此数值是唯一的，而且不受其他因素的干扰、约束或限制。

下面参考附图1和优选实施例，对确定含水层平均厚度的方法作具体描述。

1、在两条排水沟之间垂直排水沟方向确定3眼潜水位观测井的位置，测量出各井位距某一条排水沟的距离L_j(j＝1，2，3)，设置潜水位观测井，并量测出井口高程。

垂直于排水沟的3眼潜水位观测井最好布设在同一条直线上，其中一眼布设在相邻两沟中间的位置，其余两眼依次向一侧的排水沟接近，距离可任意选取。量测出各潜水位观测井距排水沟中心的距离，沟距由近而远依次为L₁米、L₂米和L₃＝b/2米(b为排水沟的间距)。

2、选择合适时机，获得潜水位观测井的潜水位数据H_j。

在灌水后或降雨后，地面无积水、并已形成正常的自由潜水面(浸润曲线)情况下，在设定时间段内(不超过20分钟，最多半小时)测得3个潜水位观测井的潜水位数据H，依次为H₁米、H₂米和H₃米。潜水位用相对高程表示，其高程为零的基准线可任意选取，例如以沟底高程为零计算相对高程，就比较简便适用。

选择合适的时机使测得的潜水位能够正确反映出D的存在和作用，并在应用理论公式计算当中体现出来。否则，时机选择不当(水位过高或过低)，不仅得出的数据不准，而且计算过程中容易出现结果偏离和紊乱现象。

3、根据已知的L₁、L₂、L₃距离数据和测量的潜水位数据H₁、H₂、H₃，使用本发明所推出的理论公式，可计算出排水地段的潜水含水层平均厚度D，公式的结构形式如下：

$D=\frac{C_2}{\stackrel{\‾}{H}(f_1+\frac{C_1}{D})-f_2+(1-\stackrel{\‾}{H})f_3}$

式中： $C_1=\frac{\mathrm{\π}({L_3}^2-{L_1}^2)}{4L_3},$ $C_2=\frac{\mathrm{\π}({L_3}^2-{L_2}^2)}{4L_3},$ $\stackrel{\‾}{H}=\frac{H_3-H_2}{H_3-H_1}$

$f_1=\ln \mathrm{sh}\frac{\mathrm{\π}{L}_1}{2D},$ $f_2=\ln \mathrm{sh}\frac{\mathrm{\π}{L}_2}{2D},$ $f_3=\ln \mathrm{sh}\frac{\mathrm{\π}{L}_3}{2D}$

根据L₁、L₂、L₃距离数据和H₁、H₂、H₃水位实测数据，可得到C₁、C₂、

和f₁、f₂、f₃，厚度D通过公式

计算确定。由于D存在于等式两端，不能直接计算得到，须用试算法逐次逼近求值。判断达到逼近目标的标准是，当通过某次试算得出的D出值与所选取输入D入值之间的相对误差

极小(达到0≤|ε|≤0.05％)时，即认为该次得出的D出值符合要求，而结束试算，可取整数值(以m计)作为试算的最终结果。

下面以实际测试例进一步说明得到潜水含水层平均厚度D的方法与步骤。

已知排水地段间距b＝400m，垂直于排水沟设置3眼潜水观测井，各井距沟中心的水平距离分别为L₁＝40m，L₂＝120m，L₃＝200m＝b/2；在同一时间内测得各井点的潜水位高程分别为H₁＝1.524m，H₂＝1.478m，H₃＝1.336m(均以沟底高程为零计算)。

根据已知条件，通过初步计算得到： $C_1=\frac{\mathrm{\π}({L_3}^2-{L_1}^2)}{4L_3}=150.8,$

$C_2=\frac{\mathrm{\π}({L_3}^2-{L_2}^2)}{4L_3}=100.53,$ $\stackrel{\‾}{H}=\frac{H_3-H_2}{H_3-H_1}=0.245,$ $\frac{\mathrm{\π}{L}_1}{2}=62.83,$ $\frac{\mathrm{\π}{L}_2}{2}=188.5,$

并将D标志成D_入和D_出于是，得到简化算式：

$f_1=\ln \mathrm{sh}\frac{62.83}{D_{\mathrm{\λ}}},$ $f_2=\ln \mathrm{sh}\frac{188.5}{D_{\mathrm{\λ}}},$ $f_3=\ln \mathrm{sh}\frac{314.16}{D_{\mathrm{\λ}}},$ $\frac{C_1}{D_{\mathrm{\λ}}}=\frac{150.8}{D_{\mathrm{\λ}}}$

选取不同的D_入值代入公式系列中进行试算，得出D_出值，并计算出ε，按试算先后顺序列入下表中。试算过程中，当上一次试算所得ε为负值时，表明选取的D_入值偏小，下一次应选大一些的D_入，如果上一次的ε绝对值距离±0.05％标准值尚远，则下一次选取值加大得多一些，如颇为接近则加大得少一些；相反，当上一次试算所得ε为正值时，表明选取的D_入偏大，下一次则应选择小一些的D_入；其缩小的多少也视ε绝对值距±0.05％标准值的远近而定。具体可参照表中的数据及其走向，选取各次的D_入值进行试算。

使用简化算式试算潜水含水层平均厚度D

记^*者为试算所得最终结果。

由上表可以看出，无论选取D_入的初始值为20m还是60m(也可以是其他的具体数值)，仅仅经过5次试算，其结果就逼近42m，达到最终目标ε＝0.02％＜0.05％，符合要求。因此，所得结果D＝42m是唯一的，且具有较高的精度，可提供灌排工程设计计算使用。此外，需要特别强调，使用上述公式系列进行计算时，迭代法无效，不能采用。

Claims (5)

1.一种确定含水层平均厚度的方法，包括：

在两条排水沟之间确定至少三眼潜水位观测井的位置，测量各井位距其中一条排水沟中心的距离L_j，在所述井位上开挖潜水位观测井，并测量出井口高程；

获得各潜水位观测井的潜水位数据H_j；

根据所述L_j和H_j获得所述目标点的潜水含水层平均厚度D。

2.如权利要求1所述的确定含水层平均厚度的方法，其特征在于：所述潜水位观测井排列成垂直于所述排水沟的一条直线。

3.如权利要求1所述的确定含水层平均厚度的方法，其特征在于：其中一眼潜水位观测井位于两条排水沟中间位置。

4.如权利要求1所述的确定含水层平均厚度的方法，其特征在于：在获得潜水位观测井的潜水位数据H_j时，在灌水后或降雨后，地面无积水并已形成正常的自由潜水面情况下，设定时间段内测得所述潜水位观测井的潜水位数据H_j，潜水位用相对高程表示。

5.如权利要求1所述的确定含水层平均厚度的方法，其特征在于：当有三眼潜水位观测井的井距和水位高程时，所述潜水含水层平均厚度其中，

L₁、L₂和L₃分别代表三个潜水位观测井距所述目标点的距离，H₁、H₂和H₃分别代表三个潜水位观测井的潜水位高程观测数据。