酒泉地區(qū)地下水滲流及流動(dòng)規(guī)律研究

趙 婷

(甘肅省酒泉水文水資源勘測(cè)局, 甘肅 酒泉 735100)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人民生活水平的不斷提升，對(duì)地下水資源的依賴程度越來(lái)越高。由于地表水資源開采量的逐年增加，地下水污染日趨嚴(yán)重，與此同時(shí)地下水資源的利用也發(fā)生了巨大變化[1]。因此，地下水資源的污染防治和合理開采逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。為了科學(xué)開發(fā)利用地下水資源，必須充分掌握區(qū)域水文參數(shù)，其中地下水流動(dòng)規(guī)律是非常重要的數(shù)據(jù)之一[2]。確定地下水滲流及流動(dòng)規(guī)律，不僅可以為礦產(chǎn)資源的高效開發(fā)提供基本的科學(xué)依據(jù)，而且可以為地下建筑設(shè)計(jì)、地下安全生產(chǎn)及施工提供切實(shí)保障。近年來(lái)，地下水流向流速研究的不斷深入，楊麗芝等[3]巖體裂隙特征與巖溶地區(qū)地下水流向和流速測(cè)量結(jié)果相結(jié)合，得出了巖體垂向上滲透性的分布情況。郭緒磊等[4]利用數(shù)值模擬法對(duì)砂土介質(zhì)地下水流速進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明流向偏差在-20°之內(nèi)，地層滲流與流速間存在1.5倍的差異；蔣文豪等[5]研究了巴丹吉林沙漠公路兩側(cè)監(jiān)測(cè)井的地下水流速流向，發(fā)現(xiàn)地下水流向主要是北東北方向，且不同深度的地下水流向具有一定的差異，平均流速達(dá) 61.23 m/a；本文通過(guò)分析甘肅地區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)特征，利用充電法和注水試驗(yàn)法分別測(cè)定了區(qū)域內(nèi)鉆孔地下水實(shí)際流速和滲透流動(dòng)規(guī)律，以期為評(píng)價(jià)地表水的時(shí)域特征提供參考。

1 區(qū)域概況

1.1 自然地理

研究區(qū)位于甘肅省西北部酒泉地區(qū)，植被不發(fā)育，為極旱荒漠化地區(qū)，僅在溝谷中可見一些芨芨草、紅柳、駱駝刺等耐旱植物生長(zhǎng)。該地區(qū)具有高蒸發(fā)、低降水、干燥多風(fēng)的特征，多年平均氣溫為5.5℃～9.2℃，1月區(qū)內(nèi)氣溫最低，7月溫度最高，為典型的溫帶大陸性氣候。區(qū)內(nèi)多年平均降雨量為50.2～72.3 mm，降水主要集中在6-8月約占全年降水量的69.32%。區(qū)內(nèi)年平均蒸發(fā)量介于2 538.2～3 346.5 mm之間,多年平均風(fēng)速介于2.8～5.2 m/s之間。研究區(qū)出露地層主要為元古代-晚古生代花崗巖和第四系松散沉積物，主要發(fā)育二疊紀(jì)正斷層、前新生代逆沖斷層、晚新生代以來(lái)走滑斷層以及其他不明性質(zhì)斷層。

1.2 水文地質(zhì)

研究區(qū)內(nèi)地下水根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造特征、巖石特征和地理特征劃分出盆地裂隙-孔隙水、溝谷洼地裂隙-孔隙水和山地基巖裂隙水三種地下水類型，其中山地基巖裂隙水為主要地下水類型。研究區(qū)基巖包含變質(zhì)巖、沉積巖和巖漿巖，其中變質(zhì)巖和沉積巖區(qū)基巖裂隙水單井涌水量幾乎不到10 m3/d，而巖漿巖區(qū)基巖裂隙水單井涌水量為10～100 m3/d。構(gòu)造裂隙水賦存于斷裂帶，來(lái)自地表徑流入滲補(bǔ)給和風(fēng)化裂隙潛水的側(cè)向補(bǔ)給，具有各向異性和非均勻性的特征。其中，大氣降水匯聚于溝谷地帶，通過(guò)垂直入滲補(bǔ)給淺部地下水，是淺部地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源。土壤飽和滲透系數(shù)概率分布，如圖1所示。整體上看試驗(yàn)所得土壤飽和滲透系數(shù)比較集中。

圖1 土壤飽和滲透系數(shù)概率分布圖

2 試驗(yàn)方法

2.1 充電法測(cè)定地下水流速流向

試驗(yàn)時(shí)間2020年6月依據(jù)技術(shù)導(dǎo)則DZ/T 0186-1997確定試驗(yàn)方案，具體步驟如下：(1)根據(jù)地理特征，并結(jié)合已有的場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)資料初判地下水流動(dòng)方向；(2)以試驗(yàn)孔為中心等分為12個(gè)方位，布置好探測(cè)點(diǎn)并定出 4 條測(cè)線，每條環(huán)形測(cè)線共12個(gè)測(cè)點(diǎn)；(3)將供電A極和供電B極分別置于加水點(diǎn)位置和距井口較遠(yuǎn)位置，作為充電極和無(wú)窮遠(yuǎn)電極；(4)觀測(cè)極N距井口等于A極深度，并置于水源源頭方位；(5)通過(guò)觀測(cè)極M極測(cè)量不同時(shí)間各測(cè)點(diǎn)的電位值；(6)為了識(shí)別巖層各向異性和土壤表層電阻率不均勻?qū)е碌牡入娢换?，需在加水前觀測(cè)正常等電位2次，并記錄自然情況下的電位分布；(7)向鉆孔中加入淡水記下時(shí)間t1；(8)加水后測(cè)量各點(diǎn)不同時(shí)間間隔下的電位值，并記錄測(cè)量開始和結(jié)束時(shí)間；(9)等電位線測(cè)量過(guò)程中，為精確判定地下水流向，需在位移最大的測(cè)線兩側(cè)加點(diǎn)，并在測(cè)試后立即成圖，直至等值線圖不再發(fā)生變化；(10)改變加水流量、變換N極以及改變A極深度后按照流程(2)-(9)再次試驗(yàn)。

2.2 流向和流速的確定原則

地下水流向的確定原則為：加淡水后，地下水未流經(jīng)的測(cè)點(diǎn)電位無(wú)明顯變化，地下水流經(jīng)的測(cè)點(diǎn)電位變小。測(cè)試過(guò)程中不同測(cè)量點(diǎn)電位值的等電位分布存在較大差異，通常是延伸的閉合曲線，因而正常等電位線的最大偏差方向就是地下水的主要流向。

通過(guò)等電位線移動(dòng)速度來(lái)計(jì)算地下水的流動(dòng)速度，即選擇與在自然狀態(tài)下加水條件下的等電位線，記錄測(cè)試間隔時(shí)間和等電位線移動(dòng)距離，計(jì)算式如下：

(1)

式中：Δt為試驗(yàn)時(shí)間間隔；ΔL為等電位線移動(dòng)距離；ν為地下水實(shí)際流速；

為了結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，設(shè)計(jì)了以下三種流速計(jì)算方案：(1)多電位等值線值之間進(jìn)行對(duì)比；(2)不同加水情況間等電位線進(jìn)行對(duì)比；(3)自然狀態(tài)測(cè)量等電位線與加水測(cè)量等電位線進(jìn)行對(duì)比；

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行置信水平分析，取置信度為95%，顯著性水平為0.05，計(jì)算公式為：

(2)

式中：Xint為置信區(qū)間；σ為數(shù)據(jù)均方差；X為數(shù)據(jù)平均值；n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；

2.3 注水試驗(yàn)法測(cè)定地下水流速

對(duì)鉆孔進(jìn)行常水頭注水試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程按照SL345-2007規(guī)定進(jìn)行，由于試驗(yàn)水頭遠(yuǎn)小于試段長(zhǎng)度且試段位于地下水位以上，則巖土層滲透系數(shù)計(jì)算公式為：

(3)

式中：l為試段長(zhǎng)度，cm；r為鉆孔內(nèi)半徑，cm；H為試驗(yàn)水頭，cm；Q為注入流量，L/min；K為試驗(yàn)巖土層的滲透系數(shù)，cm/s；

計(jì)算得到滲透系數(shù)后，通過(guò)達(dá)西定律計(jì)算地下水滲透流速公式為：

V=-K·J

(4)

式中：J為水力坡度；K為巖土滲透系數(shù)；V為地下水滲流速度；

3 結(jié)果及分析

3.1 充電法試驗(yàn)結(jié)果分析

充電法測(cè)得的不同條件下的地下水流速，如表 1 所示。當(dāng)鉆孔加水流量為0.80 L/min時(shí)，共進(jìn)行了10次電位觀測(cè)，實(shí)測(cè)電位值計(jì)算的地下水流速標(biāo)準(zhǔn)差為1.323×10-3m/s，平均值為1.454×10-3m/s，流速介于5.181×10-4～4.626×10-3m/s之間，變異系數(shù)為0.919 0，為中等變異；當(dāng)鉆孔加水流量為1.20 L/min時(shí)，共觀測(cè)15個(gè)電位，實(shí)測(cè)電位值計(jì)算的地下水流速標(biāo)準(zhǔn)差為6.343×10-4m/s，平均值為1.111×10-3m/s，流速介于4.525×10-4～2.717×10-3m/s之間，變異系數(shù)為0.575 8，為中等變異；在保持鉆孔加水流量為1.20 L/min，改變N極的情況下，共進(jìn)行10次電位觀測(cè)，實(shí)測(cè)電位值計(jì)算的地下水流速標(biāo)準(zhǔn)差為7.141×10-4m/s，平均值為1.343×10-3m/s，流速介于8.484×10-4～3.030×10-3m/s之間，變異系數(shù)為0.535 6，為中等變異。本次試驗(yàn)共進(jìn)行35次電位觀測(cè)，獲得了30個(gè)流速值，總體來(lái)看地下水流速標(biāo)準(zhǔn)差為9.120×10-4m/s，平均值為1.273×10-3m/s，流速介于4.525×10-4～4.626×10-3m/s之間，變異系數(shù)為0.727 4，為中等變異。

表1 充電法測(cè)得地下水流速統(tǒng)計(jì)表 m/s

充電法測(cè)得的流向統(tǒng)計(jì)圖，如圖 2 所示，可以看出，總體上看鉆孔地下水流向介于 40°～65°之間，其中流向在60°～65°間占比最小為15.5%；50°～59°間占比次之為27.3%；40°～49°間占比最高為57.2%。

圖2 充電法測(cè)得地下水流向統(tǒng)計(jì)圖

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行置信分析，得到流速置信范圍為1.667×10-3～2.333×10-3m/s，其中大于均值的數(shù)據(jù)占70.2%，因此實(shí)際流速推薦值為2.333×10-3m/s。

3.2 注水試驗(yàn)法結(jié)果分析

通過(guò)水表進(jìn)行試驗(yàn)流量的觀測(cè)，地下水埋深使用電測(cè)水位計(jì)和Diver進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)公式 3 和鉆孔注水試驗(yàn)記錄表求得滲透系數(shù)。鉆孔注水試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表，如表 2 所示。中可以看出，鉆孔注水試驗(yàn)平均滲透系數(shù)8.435×10-6m/s，滲透系數(shù)介于7.147×10-4～ 1.045×10-3cm/s之間?；阢@孔水位埋深及兩鉆孔間的距離近似求得水力梯度值為2.8%，求得平均滲流速度為2.527×10-7m/s，地下水滲流速度介于2.142×10-7～3.126×10-7m/s之間。

表2 鉆孔注水試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

對(duì)比充電法和注水試驗(yàn)法測(cè)得的地下水流量，可以看出，注水試驗(yàn)法測(cè)得的地下水速值較小，而充電法測(cè)得的地下水速值相對(duì)較大?？赡苁怯捎谧⑺囼?yàn)法測(cè)得為平均滲流速度，而充電法測(cè)得的為地下水的實(shí)際流速。其中，注水試驗(yàn)法中滲透系數(shù)與裂隙發(fā)育、裂隙性質(zhì)、巖性以及充填狀況等多種因素有關(guān)，實(shí)際過(guò)水?dāng)嗝孢h(yuǎn)小于計(jì)算所用值，進(jìn)而導(dǎo)致注水試驗(yàn)法測(cè)定的地下水流速均小于充電法測(cè)定的流速。

4 結(jié)語(yǔ)

在研究區(qū)采用充電法和注水試驗(yàn)法測(cè)定地下水滲流及流動(dòng)規(guī)律具有成本低廉、成果豐富、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，與利用傳統(tǒng)流速儀測(cè)試相比且具有很好的適用性。充電法測(cè)定獲得了35個(gè)實(shí)際流速數(shù)據(jù)，地下水流向介于40°～65°之間，流速平均值為1.273×10-3m/s，變異系數(shù)為0.727 4，為中等變異。注水試驗(yàn)法求得平均滲流速度為2.527×10-7m/s，地下水滲流速度介于2.142×10-7～3.126×10-7m/s之間。注水試驗(yàn)法中滲透系數(shù)與裂隙發(fā)育、裂隙性質(zhì)、巖性以及充填狀況等多種因素有關(guān)，實(shí)際過(guò)水?dāng)嗝孢h(yuǎn)小于計(jì)算所用值。因此，利用充電法測(cè)定地下水滲流流動(dòng)規(guī)律在該區(qū)域具有較好的推廣性。