承壓含水層野外彌散試驗(yàn)實(shí)施方法研究

袁偉 云智漢

摘? 要：以吉林某水源地評(píng)價(jià)研究為基礎(chǔ)，通過(guò)栓塞止水、單向閥止回及孔口壓力注入等方式進(jìn)行示蹤劑投放，有效地解決了承壓含水層彌散試驗(yàn)示蹤劑投放難題，并通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方式達(dá)到了數(shù)據(jù)的高密度監(jiān)測(cè)，從源頭上提高了試驗(yàn)成功率以及數(shù)據(jù)精度。通過(guò)人工流場(chǎng)和天然流場(chǎng)，利用改進(jìn)直線法和二元線性回歸方程法，分別對(duì)承壓含水層不同水力梯度下的彌散參數(shù)進(jìn)行求解，很好地解決了水源地承壓含水層彌散系數(shù)求取問(wèn)題，為承壓含水層彌散試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施提供了成功經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：承壓含水層;彌散試驗(yàn);實(shí)施方法;示蹤劑;水源地;改進(jìn)直線法;二元線性回歸方程法;人工流場(chǎng);天然流場(chǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：P641.2;X523? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1007-1903（2019）03-0074-07

Study on Implementation Method of Field Dispersion Test for Confined Aquifer

——Taking a Water Source Area in Jilin as an Example

YUAN Wei ， YUN Zhihan

（Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation， Chengdu 610072）

Abstract： Based on the evaluation of a groundwater sources in Jilin Province， water stopping by embolization， one-way valve check and orifice pressure injection， the problem of tracer placed into the confined aquifer dispersion test is effectively solved， and the high-density monitoring of data is achieved by real-time monitoring， which improves the success rate and data accuracy of the dispersion test of confined aquifer from the source. Through artificial flow field and natural flow field， using improved line method and binary linear regression equation method， the dispersion parameters of confined aquifer under different hydraulic gradients are solved respectively， which solves the problem of calculating the dispersion coefficient of confined aquifer well and provides the successful experience for field implementation of the dispersion test of confined aquifer.

Keywords： confined aquifer; dispersion test; implementation method; tracer; groundwater sources; improved line method; binary linear regression equation method; artificial flow field; natural flow field

0 前言

彌散試驗(yàn)是揭示地下水中溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)理和獲得彌散系數(shù)等重要水質(zhì)參數(shù)的可靠方法之一，也是研究地下水污染物運(yùn)移必不可少的環(huán)節(jié)（蔣學(xué)敏等，2013）。彌散試驗(yàn)分為室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，相較于室內(nèi)試驗(yàn)，彌散現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)求取的參數(shù)更符合實(shí)際情況。而常見(jiàn)的野外彌散試驗(yàn)多是針對(duì)潛水含水層實(shí)施的，對(duì)于承壓含水層彌散試驗(yàn)則缺乏成功案例（蘇賀等，2014）。究其原因，一是由于受相對(duì)隔水頂板的保護(hù)，承壓含水層遭受污染的可能性小，故相較于潛水含水層，在地下水環(huán)境保護(hù)研究工作中，承壓含水層受關(guān)注程度低;二是由于受承壓水頭的影響，示蹤劑投放難度大，承壓含水層彌散試驗(yàn)成功率較低。而實(shí)際工作中，對(duì)于以承壓含水層為保護(hù)目標(biāo)的區(qū)域，準(zhǔn)確確定承壓含水層彌散參數(shù)，是對(duì)承壓水進(jìn)行保護(hù)、對(duì)污染物進(jìn)行控制的基礎(chǔ)（劉巖磊等，2014）。本文介紹了吉林某水源地承壓含水層彌散試驗(yàn)實(shí)施方法，為其他類(lèi)似項(xiàng)目開(kāi)展提供參考。

1 水源地水文地質(zhì)條件

1.1 地下水類(lèi)型及富水性

研究區(qū)自新生代以來(lái)，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響持續(xù)沉降，沉積了巨厚的中新生界沉積層，為地下水賦存提供了有利條件。由于含水層具有多元結(jié)構(gòu)的特征，構(gòu)成了上部松散巖類(lèi)孔隙水與下部碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙承壓水迭置的地下水蓄水構(gòu)造。根據(jù)地下水的含水介質(zhì)性質(zhì)及其在空間展布特征，區(qū)內(nèi)地下水主要類(lèi)型有第四系松散巖類(lèi)孔隙水、碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙水兩大類(lèi)，松散巖類(lèi)孔隙水根據(jù)其埋藏性質(zhì)又分為潛水和承壓水（袁偉等，2019）。

其中，大安組砂巖、含礫砂巖裂隙孔隙含水層防污性能好，水量豐富、水質(zhì)好，主要作為研究區(qū)飲用水源取水目的層。本次研究的新村水源地位于寧江區(qū)伯都鄉(xiāng)以北，西距松花江約5km，有供水水源井14口，成井深度在190～210m，開(kāi)采新近系大安組承壓水，供水量3.06×104m3/d。大安組含水層巖性為弱膠結(jié)的砂巖、含礫砂巖。垂向上具有上細(xì)下粗的韻律，橫向上巖相變化不大，含水層厚度22.10～45.70m，自東南向西北厚度增大，除沉積邊界厚度變薄外，一般厚30～40m。上覆28.50～49.00m厚大的泥巖隔水層，含水層頂板埋深135.50～148.00m，底板深度170.10～187.80m。在河谷沖積平原區(qū)，地下水位埋深17.00～24.00m;在沖積湖積平原區(qū)，地下水水位埋深較大，一般在34.00～40.00m間。根據(jù)含水層厚度、巖性和單井抽水資料，其富水性劃分見(jiàn)圖1。

（1）水量極豐富區(qū)（單井出水量>5000m3/d）

分布在伯都以北至農(nóng)大、東至劉家窩棚，西到第二松花江一帶，近呈東偏北、西偏南條帶狀分布，為地下水匯集中心。含水層厚度一般在30m以上，多數(shù)地區(qū)大于40m，其中新村水源含水層厚度37.98～50.50m，平均厚42.15m。巖性為中粗砂巖、含礫砂巖和砂礫巖，弱膠結(jié)，透水性好。據(jù)抽水試驗(yàn)，滲透系數(shù)為15.08～32.00m/d，導(dǎo)水系數(shù)為612.25～1215.36m2/d，單位涌水量為11.90～34.50m3/h·m，單井出水量為5711.06～16561.65m3/d，影響半徑為1294.0～1829.0m。

（2）水量豐富區(qū)（單井出水量3000～5000m3/d）

環(huán)帶狀分布在水量極豐富區(qū)外圍的伯都以南至于家、東至西伊爾丹西、北到河西村、西抵第二松花江地帶。含水層厚度一般為30～40m，局部大于40m，在伯都以南，厚度變薄，約10～30m。巖性為含礫砂巖和砂礫巖，結(jié)構(gòu)疏松，含水層透水性較好。據(jù)抽水試驗(yàn)，滲透系數(shù)為5.22～15.66m/d，導(dǎo)水系數(shù)為222.29～257.92m2/d，單位涌水量為7.17～8.95m3/h·m，單井出水量為3441.33～4295.59m3/d，影響半徑為251.80～670.16m。

（3）水量較豐富區(qū)（單井出水量1000～3000m3/d）

呈半環(huán)狀分布于水量豐富區(qū)外圍北部華僑農(nóng)場(chǎng)、東部韓家窩堡、南部大洼地帶。含水層厚度一般為20～40m，局部地段有大于40m，在于家以南地區(qū)，一般厚度10～20m，局部地段小于10m。巖性為細(xì)砂巖、中粗砂巖，含水層顆粒交細(xì)，透水性相對(duì)變差，單位涌水量為3.31～558m3/h·m，單井出水量為1127.96～2718.55m3/d。

1.2 含水巖組與相對(duì)隔水層

研究區(qū)內(nèi)主要含水巖組（層）：一為大安組含水巖組（水源地取水目的層），二為白土山組含水巖組，三為全新統(tǒng)沖積層上段含水巖組。區(qū)域相對(duì)隔水層亦主要有三層，即嫩江組、大安組泥巖和荒山組淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土分別組成的相對(duì)隔水層（圖2、表1）。

本次彌散試驗(yàn)?zāi)康膶訛樾陆荡蟀步M承壓含水層，鉆孔揭露的該含水層地下水位埋深為35m，而含水層頂板埋深為148m，承壓水頭達(dá)113m。

1.3 地下水補(bǔ)徑排條件

研究區(qū)內(nèi)潛水主要接受大氣降水補(bǔ)給，地下水接受補(bǔ)給后，由高向低，總體呈北偏東向徑流，排泄至松花江。受人工開(kāi)采影響，新民村西、常家村一帶形成降落漏斗，地下水從漏斗邊緣向中心徑流。承壓水主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給或通過(guò)天窗接受上部含水層垂向補(bǔ)給，研究區(qū)內(nèi)農(nóng)灌機(jī)井分布眾多，多未進(jìn)行分層止水，人為溝通了各含水層，這也是承壓水獲得補(bǔ)給的一種途徑。

新近系大安組上覆的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖分布連續(xù)且厚度較大，透水性差，構(gòu)成相對(duì)隔水層，使得新近系大安組碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙含水層與上覆含水層段水力聯(lián)系較弱。大安組承壓水以接受地下水遠(yuǎn)程徑流補(bǔ)給為主。在研究區(qū)外東南的社里大崗子一帶、西北部大安市一帶，第四系孔隙潛水含水層與新近系大安組含水層疊置，大安組含水層接受孔隙潛水補(bǔ)給;西南乾安深井子一帶，大安組隔水頂板變薄，并有大面積缺失形成天窗，白土山組、泰康組、大安組含水層直接接觸，水力聯(lián)系密切，大安組含水層接受垂向補(bǔ)給。此外，在研究區(qū)西南部大安-扶余斷裂（第二松花江斷裂）呈北西向通過(guò)，切斷了大安組含水層，從而使地下水通過(guò)斷層直接獲得第二松花江地表河水的補(bǔ)給。研究區(qū)內(nèi)新近系大安組承壓水含水層深埋，上覆隔水層厚而穩(wěn)定，地下水循環(huán)以水平徑流為主，總體由東南-西北向徑流，天然水力坡度較小，為1.15‰。受水源地開(kāi)采影響，研究區(qū)中部形成地下水降落漏斗，地下水由降落漏斗周邊流向中心，水力坡度變大，為6.33‰～12.27‰。地下水側(cè)向徑流排泄及人工開(kāi)采是大安組承壓水的主要排泄方式。

2 彌散試驗(yàn)實(shí)施

2.1 試驗(yàn)裝置

常規(guī)的示蹤劑投放方式無(wú)法保證彌散試驗(yàn)的成功實(shí)施。為解決承壓水頭影響示蹤劑投放及人工采樣監(jiān)測(cè)工效低的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)水壓栓塞將投源孔段與其上部進(jìn)行封隔，并通過(guò)注入管底部安裝的止回閥防止示蹤劑受水壓影響向上運(yùn)移，在孔口加壓投放的方式進(jìn)行示蹤劑投放，在監(jiān)測(cè)孔同層位安裝電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)探頭，通過(guò)直讀線纜傳輸數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，成功實(shí)施了彌散試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖3，監(jiān)測(cè)方式采用監(jiān)測(cè)孔上部止水的形式，如監(jiān)測(cè)孔內(nèi)為混合水，則需在監(jiān)測(cè)探頭上部、隔水頂板以下部位安裝隔水栓塞，以保證監(jiān)測(cè)效果;若分層進(jìn)行彌散試驗(yàn)，在管外分層止水的前提下，可設(shè)置雙栓塞封隔，進(jìn)行投源和監(jiān)測(cè)，雙栓塞以壓水花管連接，示蹤劑投放方式與壓水試驗(yàn)一致，監(jiān)測(cè)探頭通過(guò)鉆桿等管道內(nèi)部放入，至與主孔示蹤劑投放同深度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2 試驗(yàn)方法及步驟

（1）試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)?zāi)康膶訛樾陆荡蟀步M承壓水含水層，采用多孔試驗(yàn)方法進(jìn)行，試驗(yàn)選用食鹽（NaCl）作為示蹤劑，模擬溶質(zhì)的運(yùn)移情況。示蹤劑投放前，先測(cè)定各井中靜止水位和本底濃度，然后將185kg NaCl溶解配制成高濃度ρ0（ρ0=ρ（NaCl）=100g/L）NaCl 溶液，采用瞬時(shí)（10min以內(nèi)）投入法投入目的含水層中。

（2）試驗(yàn)步驟

①將連接有水壓栓塞和末端設(shè)有單向閥的鉆桿，連同連接的高壓管一同下放至投放鉆孔內(nèi)設(shè)定試驗(yàn)深度。②監(jiān)測(cè)探頭通過(guò)直讀數(shù)據(jù)線纜連接（孔口可接無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射裝置），下放至探測(cè)監(jiān)測(cè)孔的設(shè)定深度。③到達(dá)投放鉆孔含水層下的設(shè)定試驗(yàn)深度后，試壓泵通過(guò)高壓管向水壓栓塞充水（可達(dá)8MPa），水壓栓塞充水完成，封隔了設(shè)定試驗(yàn)深度上部的地下水。④壓力泵加壓，通過(guò)鉆桿向投放鉆孔注入示蹤溶液至設(shè)定試驗(yàn)深度，鉆桿的末端的單向閥可避免示蹤溶液回流。⑤監(jiān)測(cè)孔內(nèi)的監(jiān)測(cè)探頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電導(dǎo)率變化，通過(guò)直讀數(shù)據(jù)線纜傳輸數(shù)據(jù)，在孔口連接電腦直接讀取，或?qū)?shù)據(jù)傳輸至無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射裝置，再發(fā)送數(shù)據(jù)至顯示記錄裝置，監(jiān)測(cè)探頭也可同步存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。⑥彌散試驗(yàn)完成后，將水壓栓塞泄壓，收回試驗(yàn)裝置。

2.3 試驗(yàn)孔布設(shè)及實(shí)施

本次彌散試驗(yàn)區(qū)地下水水流方向?yàn)槟蠔|-北西向。布設(shè)彌散試驗(yàn)孔4孔，孔間距7m。成井后先進(jìn)行洗井，使井壁孔隙暢通。為模擬水源地運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，首先將SK01鉆孔作為投源井，SK01-1、SK01-2鉆孔作為監(jiān)測(cè)孔，SK01-3孔作為抽水孔，抽水流量穩(wěn)定在126.5m3/d。其后進(jìn)行了天然流場(chǎng)條件下的彌散試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)鉆孔布置如圖4，各孔參數(shù)見(jiàn)表2。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，成功獲取了彌散試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。人工流場(chǎng)條件下彌散試驗(yàn)歷時(shí)15天，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，SK01-2孔在第228h達(dá)到濃度峰值，SK01-1在第285h達(dá)到濃度峰值，表明地下水流速較為緩慢。天然流場(chǎng)條件下彌散試驗(yàn)歷時(shí)16天。電導(dǎo)率與時(shí)間變化關(guān)系曲線見(jiàn)圖5、圖6。

2.4 計(jì)算方法

（1）改進(jìn)直線法

采用二維彌散方程進(jìn)行計(jì)算，設(shè)在無(wú)限平面上存在著達(dá)西速度q=nu的一維均勻流動(dòng)。我們?nèi)∑矫鏋閤y平面，并使x軸方向與流速方向一致;t=0時(shí)在原點(diǎn)處瞬時(shí)注入質(zhì)量為m的示蹤劑，則求在上述情形下示蹤劑的濃度分布，可歸結(jié)為下列定解問(wèn)題。

（1）

引入變換X=x-Vt，Y=y，（1）式可化為：

（2）

忽略分子擴(kuò)散，以? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?代入上式，應(yīng)用二維傅立葉變換，得：

（3）

式中：DL 為縱向彌散系數(shù)，DT為橫向彌散系數(shù)，αL為縱向彌散度，αT為橫向彌散度，u 為地下水流速，M為瞬時(shí)投放示蹤劑質(zhì)量，取185kg，m 為含水層有效厚度，取22.1m，n 為有效空隙率，t 為時(shí)間。

在含水層為水平等厚、均質(zhì)、各向同性與無(wú)限延伸的條件下，描述位于X軸上的（x0，0）點(diǎn)處觀測(cè)孔中的示蹤劑濃度隨時(shí)間變化過(guò)程的解析表達(dá)式為：

（4）

式中：CO為在時(shí)間t、流場(chǎng)中點(diǎn)（x0，0）處觀測(cè)孔中的示蹤劑濃度值，ML-3，為瞬時(shí)投放示蹤劑的質(zhì)量，M;ne為含水層的有效孔隙度，無(wú)量綱;m為含水層的厚度，L;u為地下水流速，LT-1;DL為含水層的縱向彌散系數(shù)，L2T-1。同理，描述位于點(diǎn)（x1，y1）處的觀測(cè)孔中的示蹤劑濃度隨時(shí)間變化過(guò)程的解析表達(dá)式為：

（5）

式中：DT為含水層的橫向彌散系數(shù)，L2T-1，其它符號(hào)意義同前（郭建青等，2011）。

（2）二元線性回歸方程法

本次計(jì)算對(duì)二維地下水彌散工程的解析解進(jìn)行了適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)變換，得到一個(gè)二元線性回歸方程。該方程的自變量和因變量中僅包含著試驗(yàn)數(shù)據(jù)，回歸系數(shù)中包含著待求參數(shù)。由這些方程就可推導(dǎo)出縱向彌散度αL和橫向彌散度αT（蔣輝，2013）。

計(jì)算時(shí)以水流方向?yàn)閄軸正方向，垂直于水流方向?yàn)閅方向。

對(duì)上面（3）式進(jìn)行變換，如下：

（6）

則式（6）可改寫(xiě)為

對(duì)兩組觀測(cè)孔數(shù)據(jù)聯(lián)立方程，可以解出縱向彌散度αL和橫向彌散度αT。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

運(yùn)用改進(jìn)直線法和二元線性回歸方程法進(jìn)行計(jì)算，獲取的彌散參數(shù)基本一致。研究區(qū)不同試驗(yàn)條件下的彌散參數(shù)詳見(jiàn)表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明：受抽水影響，人工流場(chǎng)水力梯度大，其彌散參數(shù)較天然流場(chǎng)大。

3 結(jié)語(yǔ)

承壓含水層彌散試驗(yàn)的難度在于示蹤劑的投放和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。受承壓水頭壓力影響，常規(guī)的投源方法很難將示蹤劑投放到目標(biāo)層位或投放量不足導(dǎo)致監(jiān)測(cè)無(wú)效。同時(shí)，對(duì)埋深較大的含水層進(jìn)行人工采樣監(jiān)測(cè)，效率低下且數(shù)據(jù)采集量難以保證計(jì)算精度。這些因素制約著承壓含水層彌散試驗(yàn)的實(shí)施。筆者結(jié)合自身工作實(shí)際需求，提出了采用栓塞止水、單向閥止回、示蹤劑加壓投放、同層位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等解決方案并成功實(shí)施，取得了良好的效果。獲授權(quán)實(shí)用新型發(fā)明專(zhuān)利一項(xiàng)（ZL 2018 2 0478809.9），為地下水環(huán)境保護(hù)、評(píng)價(jià)及同類(lèi)型試驗(yàn)工作開(kāi)展具有一定的借鑒作用和參考意義。

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