完整單井與分層單井在上海某典型水文地質條件下的抽提影響半徑探究

摘要：選取上海某典型場地開展了地下水抽提影響半徑探究，根據(jù)場地的實際地質特征，設計了完整單井和分層單井，并利用地下水模擬軟件構建了場地水流模型，確定了兩種抽提井的適用范圍，為類似地區(qū)地下水抽提處理技術提供重要技術支撐。

關鍵詞：完整單井;分層單井;影響半徑

中圖分類號：P641 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944 （2020） 2-0196-04

1 引言

目前異位抽提處理技術已被廣泛應用于污染地下水。抽提處理技術的主要原理是真空泵產生高強度負壓，通過抽提管道將地下污染區(qū)域內地下水及非水相液態(tài)污染物推動至地面儲存單元中，再對混合物進行處理。該技術是根據(jù)污染羽的分布，設計抽提井的位置、深度和濾水管長度[1]。如今應用的抽提井多為完整井，即抽提井的濾水管貫穿各個巖性土層，這種布設方法忽略了地層的非均質性以及不同滲透系數(shù)，在此情況下布設的井群可能出現(xiàn)井間距較大或較小，最終導致地下水抽提井建設數(shù)量較多或不足。抽提井的影響半徑明顯受到場地的地層特征影響，如非均質性、滲透系數(shù)、含水層厚度等[2，3]。所以從實際地質特征出發(fā)，提出了分層單井的構想，即將完整井按照不同巖性分隔成兩個或兩個以上不連通的抽提井（縱向呈現(xiàn)上下獨立結構），用以探究其在不同巖性含水層中的影響半徑，從而達到精準化建設抽提井的目的，并降低建設成本。本研究以上海某機械廠場地潛層地下水為研究對象，在獲取該場地相關水文地質參數(shù)基礎上，利用GMS軟件中的MODF-LOW模塊，探究完整單井和分層單井兩種情況下對潛層地下水的抽提影響半徑。

2 試驗項目介紹

場地位于濱海堆積平原上，場內中山北路以南原古河道地區(qū)地勢較低，地面高程一般在3.4 m以下，中偏北部地區(qū)地勢居中，地面高程一般約3. 3～3.7 m間。場地所在區(qū)域7～8月平均降水量約占年平均降水量33%，夏季平均降水量占年降水量50%以上。10～11月降水較少，一般年份秋季平均降水量僅占年降水量7%，冬季平均降水量占年降水量20%。年平均降水量

場地區(qū)域內淺部為潛水含水層，其地層特征為：O～3.3 m為雜填土，0.5～5.O m為素填土，2.3～9.3 m為粉質粘土夾粘質粉土，局部夾粘土、砂質粉土、淤泥質粉質粘土。區(qū)域內淺層潛水含水層主要補給來源為大氣降水和地表水，隨著季節(jié)、氣候、降水量、潮汐等影響而變化。根據(jù)潛水水位測量結果可知，測量期間場地潛水水位埋深為0. 5～2.0 m，自西北向東南流動的趨勢。

3 場地水文地質模型建立

3.1 地下水水流理論模型

地下水水流模擬可由常用軟件GMS建立，GMS中的MODFLOW模塊可以提供模擬優(yōu)化模型所需的水頭。根據(jù)地下水均衡原理和達西定律，結合對研究區(qū)的水文地質條件以及初始水頭、邊界條件，可建立三維潛水含水層地下非穩(wěn)定流數(shù)學模型：

3.2 模型校驗

通過專業(yè)軟件建立的場地水流模型需要經過校驗后才能確保其與實際情況的吻合程度，擬合率在許可范圍內才能表達真實的地下水流機制[4]。由于從項目水文地質條件的分析到構建場地地下水流模型的整個過程需要進行多種概化處理，重要參數(shù)指標（如降雨入滲、滲透系數(shù)、水頭邊界等）采取區(qū)域量化處理，大多數(shù)采用宏觀處理，缺少細致個別處置設定（場地地質構造異變、地下水位近期變化等），這些不確定性因素會導致模型只能在宏觀上表達場地內水流情況，還不能精準預測，完全真實地反應場地的地下水運動。因此，本次采取反復調參，最終實現(xiàn)水流模型與實際監(jiān)測結果最優(yōu)重合。運用軟件自帶的校驗模塊，同時結合本項目的現(xiàn)場監(jiān)測井數(shù)據(jù)，對構建的水流模型進行自動反復反演參數(shù);當模擬結果處于實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的置信區(qū)間內，終止模型校驗，確定最佳參數(shù)[5-9]。

3.3 含水層結構概化

調查區(qū)域內的水文地質條件比較清晰，根據(jù)現(xiàn)場踏勘及現(xiàn)場鉆孔采樣記錄可知，地表以下19.1 m內的地質分層分別為填土、粉質粘土、砂質粉土、淤泥質粉質粘土、淤泥質粘土和粘土，場地地層概化結果見表1，下部有較厚的粘性土隔水層。

綜合考慮了評價區(qū)所在地水文地質條件等實際情況，采用規(guī)則網格、重點區(qū)域加密剖分的方法，網格分辨率為2～10.0 m。垂向上則根據(jù)不同的巖性、非飽和帶/飽和帶及污染物在垂向上的分布特征等進行剖分，因此該區(qū)域進行加密剖分，網格分辨率為0. 6～1.2 m，地下3m以內網格分辨率一般不大于2m，垂向上共剖分10個模型層。

3.4 模型基本參數(shù)

根據(jù)項目所在區(qū)域水文地質資料及參考相關文獻，并根據(jù)現(xiàn)場地層鉆探以及野外抽水實驗結果，得到評價區(qū)水文地質參數(shù)賦值情況如表2所示。

3.5 初始條件

結合場地內84口地下水監(jiān)測井處所測得的地面標高及監(jiān)測的水位標高記錄可知，調查場地內的地表高程為西北高、東南低，潛水水位標高在2. 8～3.3 m之間，水流方向為東南方向，水力坡度約0. 0004，水流緩慢，可以看出潛水位基本與地形相一致。

根據(jù)達西定律求得各巖層地下水流速，粉質粘土層、砂質粉土層、淤泥質粉質粘土層的地下水流速分別為1. 552×10^-12m/s、9.040×10^-10m/s、8.760×10^-12m/S。

3.6 邊界條件

四周邊界：模型四周近似認為是相對獨立的水文地質單元，故四周邊界設為定水頭邊界。

頂?shù)走吔纾荷喜坑嬎氵吔缡堑乇砻?。由于計算區(qū)潛水含水層與第一承壓含水層之間有較厚粘性土隔水層，層間基本無水力聯(lián)系，本課題關心的只是潛水含水層，故將計算區(qū)內潛水含水層下穩(wěn)定的隔水底板作為模擬計算的下部邊界。

4 完整單井與分層單井的影響半徑

對研究場地潛層地下水構建完水流模型，并進行模型驗證，最終得到與實際情況相對吻合的場地水流模型。在此基礎上，課題組開展了完整單井方式和分層單井方式下不同地層中地下水的有效影響半徑。

4.1 完整單井方式

完整單井的濾水管開設范圍為2. 85～-2.85 m，分布在填土層、粉質粘土層和砂質粉土層中（圖2）。研究過程中將地層整體上進行了概化處理，即從上而下分為粘性土層和砂質粉土層，粘性土層分布范圍為3. 87～0. 75 m，砂質粉土層分布范圍為0.75～-3.3 m。

實驗設計了一系列抽提速率（0.5 m3/d，1 m3/d，2m3 /d），探究不同抽提速率條件下場地內潛水水位變化情況。當單井抽提速率為0.5 m3/d時，粘性土層（填土層和粉質粘土層）和砂質粉土層中水位在30 d和90 d的變化情況，如圖3所示。

同上實驗，進行了一系列抽提速率的實驗研究，得到不同抽提速率下單井對各巖性地層中水位的有效影響半徑結果（有效影響半徑為水位降差為0.1 m時，抽提井的影響距離），見表3。

結果表明，抽提速率從0.5 m3/d，1 m3/d到2 m3/d過程中，對粘性土層中地下水的有效影響半徑變化較?。ǚ謩e是2.5 m，3m和3.8 m），對砂質粉土層中地下水的有效影響半徑變化呈逐漸增大（19.5 m，51.6 m和98m）。綜合分析得出，完整單井對不同巖性土層中的地下水進行抽提處理時，有效影響半徑受地層滲透性影響較大，不建議采用完整單井方式設計地下水抽提處理。

4.2 分層單井方式

根據(jù)研究場地的地層情況，課題組開展了分層單井實驗，分層單井為互不關聯(lián)的單井，其濾水管分別分布于粘性土層和砂質粉土層中（依次稱為上層和下層）。上層單井濾水管段為2. 85～0. 75 m，下層單井濾水管段為0. 75～-2. 85 m（表4）。

根據(jù)完整單井實驗結果，設計了本次分層單井抽提實驗。上層為粘性土，滲透系數(shù)低，上層抽提速率設置為O m3/d和0.5 m3 /d;下層為砂質粉土，滲透系數(shù)相對較高，下層抽提速率設置為0.5 m3/d，1 m3 /d，2 m3/d。分層單井試驗結果表明，分層單井比完整單井有利于提高上層粘性土層中潛水的有效影響半徑。上層抽提速率為0.5 m3/d，下層抽提速率逐漸增大時，分層單井在下層的有效影響半徑在增加，在上層的效影響半徑變化不大。綜上所述，完整單井和分層單井對地下水的有效影響半徑明顯受到地層的滲透系數(shù)影響;從精準、低成本角度思考，采用分層單井更適合本場地地下水抽提處理，且上層和下層的抽提速率為0.5 m3/d時，可以滿足本場地地下水的抽提處理。

5 結論

（1）本文選取上海某典型水文地質場地，通過數(shù)據(jù)收集和整理分析場地內的氣象、水位、地質和現(xiàn)有監(jiān)測井數(shù)據(jù)等資料，確定了場地內的水文地質條件，并對其進行概化處理，利用GMS軟件中的MODFLOW模塊，建立了符合本場地實際地下水狀況的三維水流概念模型。

（2）完整單井對不同巖性土層中的地下水進行抽提處理時，有效影響半徑受地層滲透性影響較大，不建議采用完整單井方式設計地下水抽提處理。

（3）完整單井和分層單井對地下水的有效影響半徑明顯受到地層的滲透系數(shù)影響。針對地層巖性分布較大的場地，建議采用分層單井方式設計地下水抽提處理。

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作者簡介：沈前（1989-），男，碩士，助理工程師，主要從事場地環(huán)境調查與評估、污染場地健康風險評估、污染場地土壤和地下水修復施工項目。