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当前,在地下水资源保护、地下水污染修复、核废料地质储存的安全评价等领域,通常需要对大空间尺度和长时间跨度的地下水流和污染物质运移进行精确的预测模拟。地下水流和溶质运移模拟时,最主要的难点是含水层介质的非均质性如何用水文地质参数来刻画,这也是水文地质学研究中一个重要的基础科学问题。为了有效获取含水层参数空问分布信息,部分学者借鉴和发展了医学上的电子计算机X射线断层扫描技术(简称CT)和地球物理学中的层析概念,提出了水力层析理论(Hydraulic Tomography,简称HT)。水力层析法采用止水器将同一井孔分割为许多垂直井段,在其中一个井段进行抽水(或注水),同时对含水层在其他井段水头响应进行监测,得出一组抽水量(注水量)／水位响应数据。顺序地在该井和其他井孔的不同井段抽水(或注水),并在其它井段监测水位响应,就可以得到连续系列的交叉孔抽水量(注水量)／水位响应数据。最后,利用观测水位数据和反演模型SLE算法得到含水层水文地质参数的空间分布。尽管基于SLE的水力层析反演技术能精确模拟预测地下水流在数值试验和室内砂箱试验中已经得到证实和应用,但尚未广泛用于解决实际问题。原因在于：野外实际应用中,水力层析法抽水试验工作量很大,且抽水试验设计对水力层析刻画含水层非均质性的精度有很大影响。如何对抽水试验进行优化,从而以较小成本获取足够精度的水力层析水位信息是非常实际的问题。目前,尚缺乏有效的定性或定量的准则来指导水力层析抽水试验设计。本文基于数值模拟实验和室内非均质含水层砂箱抽水试验,研究水力层析抽水试验设计中观测井间距、抽水井间距、抽水流量、抽水组数、采样时间等要素对参数估计精度的影响,主要开展了以下研究：1.基于数值模拟非均质含水层的抽水试验优化设计通过计算机模拟随机生成一个长、宽、高为160cm、10cm、80cm的二维剖面非均质承压含水层,初始水头为100cm,上下为隔水边界,左、右定水头边界(水头为100cm)。在抽水试验其他要素保持不变条件下,分别设置不同观测井间距、抽水井间距、抽水流量、抽水组数、采样时间点,来研究不同抽水试验设计要素对水力层析法估计参数精度的影响,初步确定数值抽水试验优化设计准则,为室内非均质含水层砂箱的水力层析抽水试验设计提供依据。2.基于室内非均质含水层砂箱的抽水试验优化设计(1)制作室内非均质含水层砂箱,非均质含水层尺寸为长94cm、宽10cm、高44cm,初始水头为48cm,底边界为隔水边界,左、右和上边界为定水头边界(水头为48cm),布置9口井,每口井有4个抽水或观测段,共36个井段；(2)依次在36个井段中,以流量Q1=4.89cm3/s实施定流量单孔抽水试验,其中4个井段再增加4组不同流量的抽水试验,抽水试验过程中所有观测井都在l0s后达到稳定；(3)通过设计不同观测井间距、抽水井间距、抽水流量、抽水组数,选取水位降深曲线上稳定状态的观测水位值,运用稳定流反演模型反演渗透系数K,从而研究抽水试验不同设计要素对参数K估计精度的影响;(4)在抽水试验其他要素固定条件下,选取水位降深曲线上不同时间点的观测水位值,运用非稳定流反演模型同时反演渗透系数K和储水系数S,从而研究不同采样时间点对参数K和S估计精度的影响,从而确定室内砂箱抽水试验优化设计准则。本文通过上述研究工作,得到以下结论：1.观测井、抽水井间距的优化设计与非均质含水层水力参数K的水平相关尺度X与垂直相关尺度Z有关。(1)随着观测井间距减小,观测井段数增多,估计参数K的精度不断提高。(2)在观测井间距一定的条件下,随着抽水井间距增大,估计K精度提高,当抽水井间距大于某一值临界值后,再增加抽水井间距对参数K估计不影响。2.抽水流量的优化设计与观测井水位降深数据信噪比有关(信噪比为稳定流观测井最大降深与观测井中噪音数据标准差比值)。在观测井和抽水布置不变情况下,数值模拟抽水试验观测水位不存在噪音,抽水量的大小不影响参数K估计：而室内砂箱抽水试验中,随着抽水流量的增大,观测井段中水位降深数据信噪比增大,反演K效果提高,流量增大到一定程度不同影响参数反演效果。3.抽水组数的优化设计不仅与含水层含水层渗透系数K水平相关尺度X与垂直相关尺度Z有关,还受抽水试验中互易定理的影响。互易定律的存在表明,随着抽水试验组数的增加,非重复的新水位信息越来越少,因而对水力层析法刻画含水层水文地质参数的精度也会有影响。数值抽水试验中,对于观测井数量与布置相同条件下,抽水组数增加可以提升参数反演效果;然而,抽水试验中互易定理的存在,降低了抽水组数增加对参数反演精度提升速率：对于同一非均质二维含水层而言,只要抽水井位置连线至少2条不与渗透系数K的相关尺度方向平行,3组抽水试验就可以刻画出二维含水层的非均质性,再增加抽水组数不会显著提升参数反演的效果。室内砂箱试验中,由于噪音存在和边界条件影响了观测井段水位降深信噪比,导致远离抽水井或邻近边界条件附近处估计参数K精度较差,确定实际抽水试验中3-6组抽水试验最佳,再增加抽水组数不会显著提升参数反演的效果。4.通过选取降深曲线上不同时刻点观测井段水位数据反演参数K与S,得到了最优的时间采样方案。(1)数值抽水试验中,随着抽水时间的增大,反演渗透系数K的估计逐渐变好,最后趋于稳定,在稳定流时刻估计效果最好；在t0(t0表示Jacob直线图解法中,水位降深曲线斜直线与时间轴lgt的交点)时刻,对于储水系数S的估计最好。to之前,储水系数S的估计随着抽水时间的增大而变好,t0之后随着抽水时间的增加反演效果变差;(2)室内砂箱试验中,运用不同时刻水位降深数据同时估计S与K条件下,在远离定水头边界条件处估计K的效果随着抽水时间的增大变好。采用稳定流观测水位同时估计参数K与S的K值作为已知条件,采用不同时刻的水位数据运用非稳定流模型反演储水率S,指出to时刻之后,估计S的效果随着采样时间的增大变差。本文通过水力层析数值抽水试验、室内砂箱非均质含水层抽水试验研究,得到以下创新性结论：(1)随着抽水组数的增加,互易定律的存在使得水力层析刻画含水层渗透系数精度提高的速率降低,指出最优抽水组数为3-6组;(2)通过数值模拟实验和室内砂箱实验,指出选取稳定流时刻的观测水位用于估计渗透系数K效果最好,选取t0时刻的观测水位用于估计参数S效果最好。