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1、含水层水力参数的尺度效应研究现状第24卷第1期长春地质学院1994年1月30URNALOFCHANGCHUNUNIVERSrrYOFEARTHSCIENCES含水层水力参数的尺度效应研究现状i杨昌兵张海燕(长春地质学院,沈阳自来水公司工程勘察设计院)r摘要主要论速了圆内外目前对弥散率足度效应以置渗透系敷等参数的空间变异性研下承名如I关键词2.墨塞墼直兰妻叁煞.?f中国分类号P的1_2描述含水层水力特征的主要参数有:渗透系数,导水系数,贮水系数,给水度,贮水率,弥散率以及弥散系数等.这些参数在达西定律和地下水动力学的解析解中都被视为常数,这在实验室或在地下水开采规模不大的局部地段是可行的.但是实
2、际中的含水层都是非均质的.特别是随着工农业生产不断发展,不台理开采和过量抽取地下水资源,以及人类活动的不断加剧,使地下水水质,水量发生了严重变化,改变了地下水驱动力场的物理化学特征以及水力特征.使含水层的水力参数发生着相应变化.目前国内外对水力参数的变化特征正进行着不同程度的研究,研究比较多而深人的是关于弥散率的尺度效应.在研究过程中发现引起弥散尺度效应与含水层的渗透系数空同变异性有差.于是在研究弥散的同时叉开始研究渗透系数,贮水系数等参数的空间变化特征.研究表明含水层的水力参数随野外观测尺度的变化而变化,将这种现象称为参数的尺度效应.本文旨在回顾近年来对这一问题的研究现状,井探讨今后进一步研
3、究的途径.1弥散率的尺度效应在现代水文地质学中.引起人们注意井研究的是60年代刚形成的地下水动力弥散理论中的弥敢率,弥散系数.Fried(1975)通过实验发现同一种多孔介质野外弥散试验确定的弥散率比室内弥散实验确定的弥散率大几个数量级.Anderson(】984)在野外同一含水层中进行弥散试验,发现弥散率随着测量尺度的增大而增大,这一现象被后来大多数研究者所证实(即弥散率的尺度效应).但也有研究者的实验得出的结论是随着观测尺度的增大弥散率不只是单一的增大,还有减少的趋势.Gerrites等(1988)研究表明当弥散以分子扩散为主时,弥散率随水流速度增大而减少.当以机械弥散为主时,弥散率剐随速
4、度增大而增大.Taylor(1987)在潜水含水层中进行天然梯度试验(0m),结果表明弥散率并无尺度效应.由此可见,关于弥散率的尺度效应仍在探讨之中.但从目前国外发表的大多第一作者简介邹立芝女51掣副教授水文地质专业已发丧.教值法计算中边,素件处理方法的撵讨等论文啦稿Elj嘲19931220舀泞蛔一第1船邹立芝,潘俊,杨昌兵.张海燕:含水层水力参数的尺度效应研究现状数文献中看,弥散率随观测尺度的增大而增大已是绝大多数研究者的共识.目前对弥散率的尺度效应研究主要采取以下四种方法.其一是确定性方法.如Nguyen等(1987)应用平均理论推导单元体积尺度下新的溶质运移方程,以说明水动力弥散的非均匀
5、性和弥散率的尺度效应.Domenico等(1985)研究指出用低维的空间模型模拟实际为高维的溶质运移过程将引起人为的弥散系数尺度效应,并利用对流一弥散方程的解析解研究溶质源体积大小和初始浓度对确定的弥散系数的影响.其二是实验模拟方法.如Gelhar等(1988)在实验室模拟了层状非均质含水层溶质运移实验,说明各层之间的渗透性差异大大增强了弥散作用,使弥散率显着增大.Freybeg等(1986)在冰积含水层中进行了三年野外天然梯度弥散实验,研究弥散率在三维空间上的变化规律.Kies等(1982)在野外进行较小规模的弥散试验,结果说明弥散系数和水流速度具有很大的空间变异性,大致呈对数正态分布.我国
6、学者王秉忱等(1985)研究了不同尺度的弥散试验方法.其三是随机理论.Dagan是应用随机理论研究溶质运移的最早学者之一,他曾应用拉格朗日摄动法研究溶质的运移,由浓度的时间方差而导出的弥散率计算公式,说明弥散率随溶质运移时间呈渐近增大的趋势.Persoud等(1985)应用随机方法研究表明,影响野外尺度效应的主要因素是孔隙水流速度,局部弥散的影响次之.Neuman等(1990)采用所提出的准线性理论成功地再现了随着横向扩散的连续变化,示踪剂锋面达到FJck的纵向扩散速度,其符合准F|ck规律.其四是分形理论.这种研究方法是近年产生的,还很不成熟.如Arya等(1988)和Wheatcraft等
7、(1988)研究表明,非均质含水层具有分形结构,弥散率的尺度效应是由于非均质含水层的分形特征引起的.国内目前还没有关于弥散方面分形的研究报导.对于弥散率尺度效应产生的原因,Snith和Schnrtz(1980)研究指出,弥散系数的尺度效应是由于渗透系数在大区域空间上的变化,而导致的地下水流速度的空间变化结果.这一结论已被后来研究者所承认,而对弥散的机制以及非均质性对弥散率的尺度效应的物理及数学模型仍在继续研究,我国学者黄康乐等正在研究中.2渗透系数等参数的尺度效应文中所讨论的渗透系数等参数的尺度效应是指渗透系数,导水系数,给水度和贮水系数等参数随野外观测尺度的变化而变化的现象.根据目前国外文献
8、报导,以及多年来在实际中所遇到的问题,都充分说明渗透系数等参数确实也具有尺度效应.Gelhar(1986)和Arya(1988)等研究指出,渗透系数对数的分形模型的确同野外和实验室观测到的弥散率表现的尺度效应相一致.笔者通过大量野外实际资料分析,确存在如下问题:对同一眼井不同降深的抽水试验资料,用相同的计算方法求得的参数值不相同;利用同一抽水试验不同径距的观测孔资料,求出的参数值也不相同;用数值法模拟同一目标区,但前后模拟域面积不同,则求出目标区的水力参数值也不相同.也正象Herweljer和Young(1990)研究指出的那样,渗透系数不仅是抽水井坐标的函数,还是井流量和计算方法的函数.近年
9、来国外注重对渗透系数长春地质学皖1994韭等参数的区域性变化研究,如Dagan等研究了局部渗透系数与区域渗透系数之间的关系;Smith(1981),Byers(1953),Hoeksema等(1985),Sudicky(986)等研究了渗透系数和孔隙度的空间分布结构.我国学者朱延华等(1992)在黄淮海平原水文地质综合评价中利用试验资料做散点圈,从中得出了渗透系数与介质颗粒之间的关系式.含水层的特征参数除受彳r质颗粒的大小,随机方式的堆积和捧列,以及地下水本身的物理力学性质影响外,还受含水层系统的质量(能量)的出入(转换)量计算误差的影响.正如Goode和Konikow(1988)研究所指出的
10、那样,用一个平均稳定的流速场取代非稳定的流场所忽略的流速的空间变化,必须通过增加弥敬率来补偿.因为在实际中,出人含水层系统的地下水的量很难计算精确,而这些量又直接影响地下水流速度,所以在求解永力参数时往往通过增加(或减少)含水层的水力参数值来补偿这些误差.对于这个问题笔者已通过石家庄,甘肃等地的实例得到了验证.但对其影响的定量化研究至今未见报导.关于目前国内外对渗透系数等参数尺度效应的研究方法主要有以下几种:一是用确定型模型研究.如Youngs(1980)导出了渗透系数在垂直方向上呈连续变化的解析解.二是用实验方法研究.如Randolph(】985)通过小尺度(抽水量为9.8ft3/s,观测孔
11、分布在半径2000ft范围内)和大尺度(抽水量为102ft/s,观测孔分布在半径l4mile.范围内)的抽水试验,最后得出两种试验结果的平均导水系数值和平均贮水系数值基本一致的结论.Herweijer和Young(1990)通过同一地区不同井点的抽水试验,求得的导水系数有的随抽水流量增加而增加,有的随抽水量的增加而减少,并指出导水系数是水位降落漏斗扩展的函数,其原因是由于非均质的影响;而对同一井点不同流量的试验结果表明,大流量试验计算出的导水系数小于小流量试验计算的结果.我国学者王强忠(1980)也指出单井试验求得的渗透系数随井流量(或降深)的加大而减少.宿青山(1987)研究了渗透系数与含水
12、层自重压力的变化关系.三是用随机理论研究.最早是利用简单的统计分析方法,如Schlichter(】905),Driscoli(1986)和Shepherd(1989)等通过求得关于粒径,孔隙度,分选程度,充填情况和颗粒形状等数据,然后通过建立它们之间的关系式计算渗透系数.我国学者康风群(1986),范家爵等利用趋势面分析方法研究了渗透系数的空间分布特征.Hoeksema和Kitanidls(1985)研究指出,除极少数外,导水系数,渗透系数和贮水系数等参数都可认为是服从对数正春允布的.刘廷玺O993)利用克拉格法研究了西辽河冲洪积平原中部含水层给水度的空问变化特征.另外,目前又提出了用分形理论
13、研究渗透系数等参数,有关这方面报导很少.Philip(1986)研究意指Eulerian含水层流速场以及随着流速变化的渗透系数对数或许都具有分形特征.Ababou(】988)根据MOUntSinon含水层中得到的数据分析,指出渗透系数的对数的确表现出分形规律.我国学者胡尊国t】992)研究指出,分维数是刻划或描述不同地质成因多孔介质孔腺的一个定量指标.总之,目前国内外对渗透系数等参数的研究正向更深一层次发展.0矗.矗.mile为蓖尺,立方英尺厦英里.均幕非珐定计量单位,与珐定计量单位换算关系是lit一仉3od8m1一2.831658X10-=m.1IrL1609.344m第1期邹立芝,潘俊,扬
14、昌兵,张海燕:含水屠水力参敢的尺度效应研究现状693结语综上所述,用随机理论和分形理论研究含水层水力参数的空间变化特征,乃是今后继续研究的方向.目前对含水层水力参数的尺度效应研究主要限于介质渗透空间结构和抽水量变化方面的研究,而没有同时考虑地下水驱动力场的质量和能量的出(消耗)人(增加)量计算误差所带来的影响.如驱动力场中源项很难统计准,这样由于它们的误差而转嫁给参数上的补偿误差多大?对于这个同题目前报导还不多.总之,对含水层水力参数的尺度效应研究是当前水文地质向更深一层次发展的需要,用新方法研究老同题是学科发展的必由之路.正像怀棣学者所指出的那样:参数又是定量评价再度回复到理论认识上去定义新
15、的认识和提出新的概念环节.因此它又很可能成为新的学科发展的催化剂,具有生长点的因素,人们有可能从这些参数中悟出许多新的道理和理论来.指明了重新认识水文地质参数的熏要性和必要性.参考文棘lHerweijer3C,YoungSC.ThreedimensionalcharacterizadonofhydrauiconductivityinheterogeneoussandsusingpumpestsandwelltestsOl*ldifferentscale-InternationalConferenceonCal|brationandReabRRyinGroundwaterModelIjng,l9
16、90l791882NeumanSP-Universalscalingofbraulconductivitianddisp时giviti曙ingeologicmedia.WaterResouTc葛Research,1990.2B:l749l7583wh鸭【crafcSW.TylerSw.Anexplanationofscale-dependentdispersi)inheterogencoaqmrsusin8conceptaoffracageometry,WaterReaourcR姆朗曲l,1988,2:5665784黄康乐一多孔介质水动力弥敝尺度效应研究.水文地质工程地质,l99|,(3,d)
17、S怀埭.积龊发展水文地质学的理论思维学习札记.水文地质工程地质,1985,(1,2)6周仰效.国外地下水流及物质传轱的模担现状与趋势.工程水文,环境地质论文集,北京地震出版杜,1993PRESENTSITUATIoNoNTHESTUDYoFSCALEEFFECTOFHYDRAULIcPARAMETERINAQUIFERZouLizhiPanJunYangChangbingZhangHaiyan(4?Fd_RU曲Earth(厦f哪伯竹伯FPro,cilia9D对_伯F伯f一一凸珊,4.heToyam9)AbstractThispaperstatesthatpresentsituationandt
18、hetendencyinfutureonthestudyofspatialvariabilityinhydraulicconductivitiesanddispersivities,makesasuggestiononthescaleeffctofhydraulicparametersinaquir,indicatesthatattachesimportancetoresearchthechangeoftheparameterswiththefieldofdryingforceofgroundwater-Keywordsdispersivity,scaleeffect,conductivity
