奥塔维喀斯特含水层的压力测量——气压效率计算数据分析

我们以前介绍了在承压和非承压含水层中识别和消除大气压效应的主要概念。虽然大家都知道气压变化会影响水位读数，但很少有文章提供正确管理测压数据。

了解气压效率可以减少在抽水试验中计算压力表面和压力计的压降时的误差。Stallman(1967)进一步提出，空气通过非饱和带的运动和伴随的压力滞后，有助于更好地描述含水层性质。

Rasmussen和Crawford(1997)描述了某些含水层的气压效率如何随时间变化，以及如何计算相应的气压响应函数(BRF)。他们还指出，最后一个参数与含水层的封闭程度有关。最后，我们介绍了该程序在纳米比亚北部(Otavi山地)无承压喀斯特含水层中的应用，其中一组4个绝压传感器记录了10个月期间1小时内的水位变化和潮汐时间间隔。

综述

正在调查的地区是一个6000平方公里的东南部分。平均海拔1300-1500 m，丘陵海拔2000 m(见下图)。

岩层由厚白云岩灰岩层和叠层石(500 b.p.)构成。地层被褶皱成若干个向斜和背斜，一般呈东西走向。研究区南部以一条长断裂为界，断裂中赋存多种矿物(铜、钒、铅、锌)。

由于高能压裂，植被覆盖率低，土壤匮乏，地表径流量几乎为零。两个天然盆地，塌陷线，大100-200米，位于更远的北部和项目区之外。年平均雨量为540毫米(1926 – 1992年)，在夏季12月至3月期间达到峰值。从70年代中期到2000年，该地区遭受了降水的减少，加上采矿活动(Kombat, Tsumeb, Abenab)导致一些地方的地下水位下降了20-30米。

从2005年开始，由于矿井活动的减少和新的气象制度，这一趋势已逐渐好转。

水文地质框架

该地区以喀斯特地貌闻名，地下有一些宽广的湖泊，位于地表以下70 – 120米。

该地区也被列为该国最重要的含水层之一(水事务部，MAWRD, E-F地区)。为了收集对这一特殊环境的更有价值的见解，并确定水孔的替代位置，我们制作了两张压力图(2007-2010年)，并在Harasib农场距离2-4公里的一些水点安装了4个液位传感器 (fig. 13)。

2007年的测压面显示了一个补给区，与地形高点一致，由雨水入渗补给。从这一点，地下流向西南和东南。在这一阶段，我们的研究重点是定义:

• 含水层类型
• Harasib和Dragon湖之间的蓄水层
• 补给

2007年对表层和深水进行了化学分析，并在2010年9月至2011年6月的10个月期间进行了连续的气压和水位记录。当累积雨量超过400-500毫米时，蓄水层开始补给。不饱和部分的厚度范围为40 ~ 100 m。考虑到这个值接近年平均降雨量，而且含水层是岩溶和高度破碎的，我们应该注意到，一年或两年的降水稀少足以大大减少可开发的产量。

气压效率 (BE) 和气压响应影响 (BRF)

水位读数已用桑迪亚国家实验室软件BETCO进行分析，以消除气压变化的影响。测量值和修正值如图16所示，指的是干燥期(9月- 1月)，而图17显示的是气压对水位的变化，用于计算气压效率。

在所有示例中，我们注意到：

• 即使振幅较低，测量值和校正值之间也有很好的相关性。
• 在修正后的数值中仍有一个变化在减少;除去集肤效应现象，这种现象可归因于其他非气压效应(潮汐、双重孔隙率)。
• 初始气压效率值非常相似（0.55-0.61）。

图18描绘了气压响应影响（BRF），描述了 水位随时间对气压阶跃变化的响应；本质上BRF是自施加荷载以来时间的函数。

对所有三个引水点都观察到很一致的结果。例如，在Dragon’s Breath湖，由于空气通过裂缝的缓慢速度，会迅速上升到0.5，并长期衰减到较低的值(20小时后的0.2 – 0.3)。外压与含水层之间的平衡值达到0.1。

这三条曲线的形状表明无承压含水层具有良好的水力连接，特别是Dragon’s Breath湖和Harasib湖之间，最后一条距离Harasib 2公里。

2007年所做的同位素和化学分析也证实了这种相关性(里雅斯特大学地质系Franco Cucchi教授)。

一般来说，收集到的数据证实了含水层的无约束特性，覆盖着一层厚厚的、刚性的非饱和层，具有良好的裂缝性和水力连接。初始气压效率比最终气压效率高。

潮汐和传感器读数

关于最后一个主题，收集到的数据仍然有限，但我们认为可以阐明一些有趣的想法。当详细检查时，曲线显示出一个独特的z字形模式，每10-12小时出现一个峰值(图19)。这种行为支持固土潮的影响，在裂缝和孔隙的体积产生微小的变化，从而在地下水潜力。傅里叶分析(Shumway, 1988)给出了图20中三个水点的谐波结构和图21中的潮汐分量。

靠近Harasib湖的区域有较高的M2组分值，这可以认为是一个较高的透射率区域(Merritt, 2004)。这一事实在一定程度上被ne – wsw断裂的存在所证实，该断裂非常靠近Harasib湖。

结论

含水层的水位波动不仅仅是由于补给的变化。气压和潮汐是主要问题。了解特定地点的气压变化，有助于验证压力图或抽水测试。现代的压力传感器是非常有用的，当安装到钻孔。不同类型的含水层的记录不同，这些图可以诊断监测水平的限制程度。

描述这种行为的有用参数是气压效率(BE)和气压响应影响(BRF)。后者的特征是，当初始值高且长期响应近似为0时，深层无承压含水层;相反，当长期响应值保持恒定或近似为1时，含水层为承压/半精细含水层。

消除气压效应有时是必要的，以正确地解释抽水测试或绘制一个压力地图。最后，对水位资料进行特别分析，可以计算潮汐的调和分量，从而计算出一些水文地质特征。

这一理论方法已应用于纳米比亚北部一个无承压喀斯特含水层项目研究所收集的数据。在10个月的时间里，通过四个传感器每小时的读数来监测水位。这些数据证实了在以前的调查中获得的一般假设，并强调了使用这些工具评估含水层的重要性，特别是显示:

1. Harasib湖区降雨补给和高透过率的作用
2. 含水层具有良好的水力连接和导流能力
3. 缺乏承压层(这是一个深而坚硬的无承压含水层)
4. 当降雨超过400/500毫米时，地下水位以上的不饱和部分开始排水
5. 其他的压力效应，如潮汐，可以用液位传感器突出显示

致谢

Namgrows代表纳米比亚地下水系统，这个项目是由作者和他的同事Gérald Favre建立的，有来自4个不同国家(意大利、瑞士、纳米比亚、南非)的地质学家和勘探者参与。该项目在纳米比亚得到了工程公司的支持。Sarel La Cante和他的妻子Leoni Pretorius (Harasib农场)。

STS – Italia分公司为我们提供了液位传感器及其技术支持。

我也要感谢托德·拉斯穆森教授(佐治亚大学，雅典分校)对这些数据提供了有价值的见解，特别是关于气压效率和地球潮汐的数据。

 Source: Dr. Alessio Fileccia / Consulting Geologist