基于分布式光纖溫度示蹤探測(cè)裂隙巖體地下水滲流特征*

符韻梅 董艷輝 謝月清 周志超 王禮恒 張 明⑥

(①中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中國(guó)科學(xué)院頁巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029，中國(guó))

(②中國(guó)科學(xué)院地球科學(xué)研究院，北京 100029，中國(guó))

(③中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049，中國(guó))

(④南京大學(xué)，地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023，中國(guó))

(⑤核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029，中國(guó))

(⑥國(guó)家原子能機(jī)構(gòu)高放廢物地質(zhì)處置創(chuàng)新中心，北京 100029，中國(guó))

0 引 言

近年來，深部地質(zhì)工程逐漸成為研究熱點(diǎn)，高放核廢料的深部地質(zhì)處置、深部裂隙油氣藏儲(chǔ)層的勘探與開發(fā)、二氧化碳的地質(zhì)封存、頁巖氣開發(fā)中的水力壓裂等深部工程使得裂隙巖體地下水滲流及溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律的試驗(yàn)和理論研究得到了廣泛的重視(王駒等，2006；郭永海等，2007；吳宇，2010；汪勇，2013；琚宜文等，2014；李馨馨等，2019)。相對(duì)于孔隙介質(zhì)，由于裂隙本身發(fā)育情況和空間分布的非均質(zhì)性，裂隙巖體中的地下水滲流場(chǎng)分布及溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律也具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性(Bonnet et al.，2001；宋曉晨等，2004；祝云華等，2008)。斷裂帶及大裂隙作為地下水流動(dòng)及溶質(zhì)運(yùn)移的“高速”通道，往往對(duì)裂隙巖體中流場(chǎng)及溶質(zhì)的分布起到?jīng)Q定性的作用(Caine et al.，1996；Tsang et al.，1998；Illman et al.，2009)。認(rèn)識(shí)場(chǎng)地尺度下裂隙巖體中地下水的滲流特征(流速、流向、滲流路徑)，是預(yù)測(cè)裂隙巖體中地下水流動(dòng)行為的基本前提，也是目前裂隙巖體地下水滲流規(guī)律試驗(yàn)及理論研究中的重大問題之一(Neuman，2005)。

在實(shí)際場(chǎng)地中，一般通過跨孔流量試驗(yàn)、水力響應(yīng)試驗(yàn)，或溶質(zhì)示蹤試驗(yàn)認(rèn)識(shí)裂隙介質(zhì)中鉆孔地下水的滲流特征(Paillet，1998；Williams et al.，2002；Illman et al.，2009)。在場(chǎng)地的某幾個(gè)鉆孔中進(jìn)行抽水、注水或投入示蹤劑，在其他鉆孔中進(jìn)行采樣及觀測(cè)，基于獲取的水力響應(yīng)信息或溶質(zhì)濃度變化認(rèn)識(shí)地下水在裂隙介質(zhì)中的主要滲流路徑，對(duì)場(chǎng)地裂隙網(wǎng)絡(luò)的滲透特性進(jìn)行研究(Yeh et al.，2000；Sharmeen et al.，2012)。示蹤試驗(yàn)也可以對(duì)場(chǎng)地中地下水的對(duì)流速度或溶質(zhì)擴(kuò)散速率進(jìn)行定量化的研究(Becker et al.，2003)。雖然跨孔流量或水力試驗(yàn)、溶質(zhì)示蹤試驗(yàn)等方法可以較好地識(shí)別出裂隙介質(zhì)中地下水的流動(dòng)，但這些方法往往要求安裝多個(gè)分層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或頻繁地采樣，后續(xù)分析測(cè)試所需的時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本也十分高昂。為了定位鉆孔中的連通裂隙，跨孔的水力實(shí)驗(yàn)往往需要在一個(gè)或多個(gè)鉆孔中安裝地下水分層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以便在固定的深度段進(jìn)行抽注水；溶質(zhì)示蹤試驗(yàn)通常也要求對(duì)地下水進(jìn)行分層采樣，對(duì)多個(gè)深度段以某一時(shí)間間隔進(jìn)行重復(fù)取樣分析；這些往往是實(shí)際場(chǎng)地中限制研究分辨率的主要因素。因此，為了更好地觀測(cè)識(shí)別裂隙介質(zhì)中的地下水滲流特征，應(yīng)該考慮一種成本低，易于操作，且能實(shí)現(xiàn)連續(xù)性監(jiān)測(cè)(時(shí)間及空間上的)天然示蹤方法。

溫度作為地下水的天然示蹤劑，早已被研究人員引入水文地質(zhì)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用(Anderson，2005；Saar，2011)。光纖技術(shù)的發(fā)展使得溫度測(cè)量技術(shù)由溫度探頭的點(diǎn)式測(cè)量發(fā)展到分布式光纖溫度傳感器(Distributed Temperature Sensors，DTS)的連續(xù)測(cè)量，極大地?cái)U(kuò)展了溫度監(jiān)測(cè)的空間和時(shí)間連續(xù)性，也在水文地質(zhì)研究中開辟了更寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域(Shanafield et al.，2018)。由于能實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨率、連續(xù)性強(qiáng)的溫度監(jiān)測(cè)，DTS近年來逐漸被研究人員用于場(chǎng)地尺度下裂隙巖體中的地下水滲流特征的識(shí)別研究，并在該方向展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景(Bense et al.，2013)。就裂隙巖體而言，裂隙或周邊圍巖的溫度場(chǎng)分布可能會(huì)受到地下水流的擾動(dòng)，使鉆孔中的垂向溫度剖面出現(xiàn)異常，這些異?？捎糜谧R(shí)別裂隙的分布及地下水的流動(dòng)狀態(tài)?；阢@孔垂向溫度剖面的異常變化，對(duì)地下水的滲流特征進(jìn)行識(shí)別，定位鉆孔中連通裂隙的位置，獲取水頭、流速、流向等水力響應(yīng)信息，甚至可據(jù)此進(jìn)一步推測(cè)連通裂隙的水力性質(zhì)(傳導(dǎo)系數(shù))，分析鉆孔之間的水力聯(lián)系模式(Bense et al.，2016)。

近年來，盡管國(guó)外基于分布式光纖測(cè)溫技術(shù)已經(jīng)開展了大量的裂隙巖體地下水滲流特征識(shí)別研究(Freifeld et al.，2008；Tyler et al.，2009；Klepikova et al.，2011；Read et al.，2015；Sellwood et al.，2015；de La Bernardie et al.，2018；Maldaner et al.，2019)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有文獻(xiàn)主要應(yīng)用該技術(shù)對(duì)地表水-地下水交互作用進(jìn)行研究(黃麗等，2012；劉傳琨等，2014；沈曄，2014)，鮮少該技術(shù)在裂隙地下水滲流特征識(shí)別研究方面的應(yīng)用。

本研究結(jié)合分布式光纖測(cè)溫技術(shù)與交叉水力試驗(yàn)原理，在低滲巖體鉆孔中開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，利用分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)與水位計(jì)探頭，對(duì)試驗(yàn)過程中鉆孔地下水水位、溫度的變化進(jìn)行同步觀測(cè)，獲取鉆孔溫度-深度剖面對(duì)水力變化的響應(yīng)。然后通過建立數(shù)值模型，模擬試驗(yàn)鉆孔及周邊巖體的滲流-傳熱過程，對(duì)鉆孔中地下水的滲流特征(流速及滲流路徑)進(jìn)行了識(shí)別研究。研究成果可為我國(guó)高放廢料處置選址及地下實(shí)驗(yàn)室工程提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)為基于分布式光纖測(cè)溫的裂隙介質(zhì)滲流場(chǎng)非均質(zhì)性研究提供借鑒。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)場(chǎng)地位于甘肅省北山地區(qū)，地理位置為甘肅省河西走廊以北，屬內(nèi)蒙古額濟(jì)納旗及甘肅肅北縣。甘肅北山地區(qū)是我國(guó)高放廢物地質(zhì)處置庫(kù)場(chǎng)址首選預(yù)選區(qū)，其中新場(chǎng)地段是我國(guó)首座地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址所在地，該地段花崗巖體較為完整，基巖滲透性很低，巖體風(fēng)化或構(gòu)造發(fā)育的節(jié)理、裂隙和斷裂是地下水儲(chǔ)存和徑流的主要空間通道，地下水的賦存及徑流條件表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非均質(zhì)及各向異性(Wang et al.，2018)。選取位于該地段花崗巖中的BSQ02及BSQ03鉆孔(以下簡(jiǎn)稱B2及B3)作為本次試驗(yàn)鉆孔開展溫度-水力試驗(yàn)，以識(shí)別鉆孔中可能存在的導(dǎo)水裂隙。

B2孔深78m，水位計(jì)測(cè)得該鉆孔水位埋深為地表下24.75m；B3孔深75m，水位計(jì)測(cè)得水位埋深為地表下24.25m，兩鉆孔直線距離約為18m。據(jù)鉆探資料，B2與B3鉆孔中均分布有多條裂隙(圖1)。其中B2鉆孔中50～60m深度的兩條裂隙距離很近，統(tǒng)一編號(hào)為B2-4；B3鉆孔50m深度處有多條相鄰裂隙分布，統(tǒng)一編號(hào)為B3-3。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案及參數(shù)

為了監(jiān)測(cè)鉆孔中地下水位及水溫的變化，鉆孔同時(shí)布設(shè)了分布式光纖及水位計(jì)。分布式光纖將用于監(jiān)測(cè)孔口(地表)至鉆孔底部的垂向溫度變化。水位計(jì)布設(shè)于鉆孔底部，用于監(jiān)測(cè)抽水試驗(yàn)過程中地下水位的變化，獲取底部斷裂帶流入(或流出)的地下水溫度。

本次共進(jìn)行了兩組現(xiàn)場(chǎng)的溫度-水力試驗(yàn)，由于試驗(yàn)場(chǎng)地花崗巖滲透性較低，區(qū)域性的滲透系數(shù)量級(jí)約為10-8m·s-1(Wang et al.，2018)，難以開展抽水試驗(yàn)，因此以提水試驗(yàn)作為替代。第1組為B2單孔溫度-水力試驗(yàn)，即在B2中進(jìn)行提水實(shí)驗(yàn)時(shí)，僅同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該孔中的溫度-深度曲線的變化，未監(jiān)測(cè)B3孔的水位和溫度變化；第2組為B2-B3跨孔的溫度-水力試驗(yàn)，即在B3中進(jìn)行提水實(shí)驗(yàn)，同時(shí)監(jiān)測(cè)B2及B3孔中的水位與溫度變化。

兩組試驗(yàn)均按照預(yù)觀測(cè)階段、提水階段、恢復(fù)性觀測(cè)階段3個(gè)試驗(yàn)階段依次進(jìn)行。其中預(yù)觀測(cè)階段主要目的是了解鉆孔在提水前的背景深度-溫度剖面。在確保測(cè)溫儀器監(jiān)測(cè)正常，讀取數(shù)值不發(fā)生異常跳動(dòng)后，即可開始預(yù)觀測(cè)獲取鉆孔背景溫度值。預(yù)觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度根據(jù)試驗(yàn)時(shí)實(shí)際情況確定。單孔試驗(yàn)中只需獲取B2鉆孔背景溫度，預(yù)觀測(cè)階段持續(xù)5min；而跨孔試驗(yàn)中需同時(shí)獲取B2及B3兩個(gè)鉆孔背景溫度，因此將預(yù)觀測(cè)階段延長(zhǎng)至10min。提水階段是指提水開始至結(jié)束這一時(shí)期，主要目的是對(duì)鉆孔中地下水位造成水力擾動(dòng)。而恢復(fù)性觀測(cè)階段的主要目的，是對(duì)鉆孔水位、溫度的恢復(fù)過程進(jìn)行觀測(cè)。

B2孔中開展的單孔溫度-水力試驗(yàn)共持續(xù)129min。前5min為預(yù)觀測(cè)階段，只進(jìn)行背景監(jiān)測(cè)；第5～98min為提水階段，共提水53.722L，平均流量為0.572L·s-1；第98～129min為恢復(fù)性觀測(cè)階段。

跨孔溫度-水力試驗(yàn)同時(shí)在B2、B3鉆孔中進(jìn)行。在兩個(gè)鉆孔中均布設(shè)水位計(jì)探頭及分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，在B3鉆孔中進(jìn)行提水試驗(yàn)的同時(shí)，監(jiān)測(cè)B2及B3的水位變化及溫度-深度曲線變化?？缈自囼?yàn)共持續(xù)210min。前10min為預(yù)觀測(cè)階段，對(duì)兩個(gè)鉆孔的地下水溫度進(jìn)行背景監(jiān)測(cè)；第11～103min在B3鉆孔中進(jìn)行了提水試驗(yàn)，共提水69.882L，平均流量為0.572iL·s-1；第103～210min為恢復(fù)性觀測(cè)階段。

2 數(shù)值試驗(yàn)

B2鉆孔及周邊花崗巖可被視作以鉆孔中心為軸的圓柱體。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在模型中將鉆孔及周邊巖體概化為以r為半徑的二維軸對(duì)稱平面模型，r=0處為鉆孔中心軸，r=r0處為鉆孔與巖體的交界面，r=R0處為模型巖體的邊界(圖2)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)引起的鉆孔水力條件改變?cè)阢@孔中體現(xiàn)為上升流。

模型考慮了巖體中的熱傳導(dǎo)過程以及鉆孔中的熱對(duì)流過程，因此穩(wěn)定流狀態(tài)下鉆孔中的熱運(yùn)移過程可以用以下方程刻畫(Klepikova et al.，2011)：

(αiT)-vT=0

式中：T為溫度，下標(biāo)i={Fluid，Rock}表明取值域，αi=ki/ρiCi為熱擴(kuò)散系數(shù)(m2·s-1)；ki為熱傳導(dǎo)系數(shù)[W·(m·K)-1]；ρi為密度(kg·m-3)；Ci為比熱容[J·(kg·K)-1]。鉆孔中的流速為拋物線分布，遵從以下公式：

式中：r為某點(diǎn)距鉆孔中心的距離；r0為鉆孔半徑；vmax為鉆孔中最大流速，位于鉆孔中心點(diǎn)。由于鉆孔外的花崗巖體被視為不可滲透介質(zhì)，流速為0，因此基巖中只考慮熱傳導(dǎo)過程。

模型模擬段為B2鉆孔中斷裂帶至地表(深度約60m)。模型外邊界r=R0處認(rèn)為已不受試驗(yàn)影響，此處的溫度-深度剖面受地溫梯度控制：

TRock|r=R0=T0+γz

式中：γ為地溫梯度；T0為地表處的定溫度TRock|z=0=T0。根據(jù)前人研究(Klepikova et al.，2011)，R0的取值應(yīng)大于鉆孔溫度變化能對(duì)地表溫度造成影響的距離半徑(即R0大于該影響半徑時(shí)，鉆孔中的溫度變化不會(huì)影響地表的溫度分布)。巖體底邊界為熱流量邊界Q|z=H=-kRockγ，鉆孔底邊界處(z=H)的地下水溫度TH|z=H根據(jù)水位計(jì)的溫度示數(shù)取值。模型中鉆孔的底邊界還設(shè)定了流量邊界，對(duì)斷裂帶處地下水的流入或流出進(jìn)行刻畫，地下水的流入溫度從現(xiàn)場(chǎng)未開展提水試驗(yàn)時(shí)的溫-深曲線中獲取。鉆孔與巖體的交界處為熱連續(xù)邊界。

根據(jù)上述概念模型，鉆孔中同時(shí)存在滲流與傳熱兩個(gè)物理場(chǎng)，地下水的流動(dòng)導(dǎo)致了溫度的改變。滲流過程與傳熱過程之間以鉆孔中的地下水流速v為接口進(jìn)行耦合。因此，本研究基于以上概念模型在COMSOL Multiphysics中建立數(shù)值模型，以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲取的鉆孔溫度-深度曲線作為擬合目標(biāo)，反演估算鉆孔中的地下水流速，對(duì)可能的滲流裂隙位置進(jìn)行識(shí)別定位。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

圖3展示了單孔現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中B2孔溫度-深度剖面隨時(shí)間的變化過程。圖中0～5min為預(yù)觀測(cè)階段，展示了鉆孔未經(jīng)擾動(dòng)下的背景溫度-深度剖面；第5～98min展示了溫度-深度剖面在提水條件下的響應(yīng)；第98min至結(jié)束為停止提水后溫度-深度剖面的恢復(fù)過程。

隨著提水試驗(yàn)的進(jìn)行，B2孔中地下水位逐漸下降。提水結(jié)束時(shí)地下水降幅約為1.85m(由1691.34m降至1689.49m)。在為期半小時(shí)的恢復(fù)性觀測(cè)中地下水位又恢復(fù)至1690.07m。從圖3中可看出，在預(yù)觀測(cè)階段，進(jìn)入地下水位以后(24.75m深度以下)的溫度約為13.5～14.5℃，較為穩(wěn)定。在提水試驗(yàn)剛開始的一段時(shí)間(第10～50min)，鉆孔中的溫度-深度曲線雖然隨時(shí)間有所波動(dòng)，但不同深度的地下水溫度波動(dòng)趨勢(shì)相似，未見明顯差異。隨著提水試驗(yàn)的進(jìn)行(第50～70min)，鉆孔中的地下水溫度先少許下降，后恢復(fù)原溫度；在提水試驗(yàn)的后半段至結(jié)束，B2鉆孔35～40m深度以下的地下水溫度隨著地下水位的降低而持續(xù)下降，在提水試驗(yàn)結(jié)束時(shí)較提水前降低約1～3℃(如圖3b中代表55m深度處的溫度-時(shí)間曲線)，而該深度以上的地下水溫度基本維持不變(如圖3b中代表30m深度處的溫度-時(shí)間曲線)，使得鉆孔溫度-深度曲線出現(xiàn)了明顯的分段現(xiàn)象(見圖3c中代表98min的溫度-深度曲線)。在98～129min的恢復(fù)性觀測(cè)階段，隨著地下水位的逐漸上升，鉆孔中的溫度有所恢復(fù)，至觀測(cè)結(jié)束時(shí)，溫度較提水結(jié)束時(shí)上升0.2～1℃，但仍未恢復(fù)至提水前。

根據(jù)圖3中溫度-深度剖面的變化推測(cè)，B2鉆孔在30～40m深度處可能存在一條與外界相連的導(dǎo)水裂隙，由于提水試驗(yàn)造成鉆孔中水位持續(xù)下降，外界地下水從此處裂隙流入鉆孔補(bǔ)給，導(dǎo)致該深度出現(xiàn)了溫度分段的現(xiàn)象。因此，B2鉆孔中地下水可能具有兩種來源，且兩種來源地下水的溫度不同。

圖4及圖5分別為跨孔現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中B2、B3鉆孔溫度-深度剖面隨時(shí)間的變化過程。圖中第0～10min為預(yù)觀測(cè)階段，展示了鉆孔未經(jīng)擾動(dòng)下的背景溫度-深度剖面；第10～103min為溫度-深度剖面在B3鉆孔提水條件下的響應(yīng)；第103～210min為停止提水后溫度-深度剖面的恢復(fù)過程。

在B3鉆孔中開展的提水實(shí)驗(yàn)中，隨著B3孔中的水位下降(降幅約1.9m)，B2的地下水位也逐漸下降(降幅約0.62m)，說明兩鉆孔之間具有水力聯(lián)系。但是，兩鉆孔中的溫度-深度剖面并沒有隨提水實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行發(fā)生明顯的變化。不同深度點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線的變化趨于一致，不同時(shí)間點(diǎn)的溫度-深度曲線也沒有出現(xiàn)分段現(xiàn)象，說明跨孔試驗(yàn)未能引起鉆孔地下水明顯的溫度變化。

3.2 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果

以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果為依據(jù)，對(duì)鉆孔半徑r0、地表溫度T0及鉆孔底部斷裂帶地下水溫度TH進(jìn)行取值?；◢弾r體、地下水流體的傳熱相關(guān)參數(shù)參考COMSOL常見材料庫(kù)進(jìn)行設(shè)置?；谄渌瑯拥靥幮聢?chǎng)地段，但位于完整花崗巖體的鉆孔的溫度-深度曲線，地溫梯度取值為0.15(℃/100m)。考慮到鉆孔模擬段的長(zhǎng)度(地表至斷裂帶以上，共60m)，模擬巖體厚度R0取值為2m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)單孔試驗(yàn)獲取的溫度-深度剖面隨時(shí)間的變化，將鉆孔中地下水的滲流區(qū)分為兩個(gè)階段，第1階段為預(yù)觀測(cè)及提水前期(第5～70min)，該階段鉆孔地下水溫度在垂向的分布沒有明顯區(qū)別，各深度點(diǎn)地下水溫度隨時(shí)間的變化趨于一致。第2個(gè)階段是提水后期及恢復(fù)階段(第70min至結(jié)束)，伴隨地下水位的持續(xù)降低，鉆孔中可能出現(xiàn)了其他來源地下水(溫度不同于原地下水)的流入，導(dǎo)致溫度-深度曲線出現(xiàn)了分段現(xiàn)象。針對(duì)兩個(gè)階段不同的地下水滲流特征，本研究建立了兩個(gè)數(shù)值模型，分別反演第1階段及第2階段的滲流過程。

第1階段的數(shù)值模型以圖2的概念模型為基礎(chǔ)：來自底部斷裂破碎帶的地下水充斥著鉆孔內(nèi)部，是鉆孔地下水的主要補(bǔ)給源，從其他導(dǎo)水裂隙流入的地下水非常微弱，可以忽略。該模型以圖3第5min(提水試驗(yàn)開始時(shí))的鉆孔溫度-深度曲線為擬合目標(biāo)函數(shù)，對(duì)地下水流速進(jìn)行反演。

第2階段的數(shù)值模型在圖2概念模型的基礎(chǔ)上，假設(shè)外源地下水從鉆孔深度40m處的裂隙(即圖1中B2-2裂隙)流入鉆孔。該處流入的地下水來源于花崗巖體，溫度與同一深度的花崗巖體溫度一致，入流流速為vf。該模型以圖3第98min時(shí)(提水結(jié)束時(shí))的溫度-深度曲線為擬合目標(biāo)，對(duì)入流裂隙處的地下水流速進(jìn)行反演。

圖6為鉆孔地下水面(z=25m)以下至斷裂破碎帶(z=60m)的觀測(cè)溫度-深度曲線與數(shù)值模擬結(jié)果的擬合對(duì)比圖。由圖中可看出，雖然模擬結(jié)果較現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)曲線波動(dòng)幅度較小，但符合鉆孔中溫度垂向分布的趨勢(shì)。數(shù)值模型獲得最佳擬合后的各項(xiàng)物性參數(shù)取值及最終反演結(jié)果見表1。

表1 數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)取值及反演結(jié)果一覽表Table 1 List of parameters and results of numerical model

4 討 論

基于上述現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及數(shù)值模擬結(jié)果，B2鉆孔中可能存在兩個(gè)地下水補(bǔ)給來源。根據(jù)單孔試驗(yàn)中B2溫度-深度剖面隨時(shí)間變化的云圖，提水試驗(yàn)初期，地下水位有所下降，鉆孔中不同深度地下水溫度基本一致，此時(shí)鉆孔中的地下水可能主要來源于底部的斷裂破碎帶。在提水試驗(yàn)后期，B2中的地下水位持續(xù)下降，直至低于周邊花崗巖體裂隙的地下水位，此時(shí)周邊的地下水可通過導(dǎo)水裂隙流入鉆孔，流入地下水與斷裂破碎帶地下水溫度的差異導(dǎo)致溫度-深度曲線出現(xiàn)了分段現(xiàn)象。分段現(xiàn)象出現(xiàn)在35～40m深度處，而根據(jù)鉆孔柱狀圖，B2鉆孔在該深度存在裂隙B2-2，因此推斷裂隙B2-2是地下水流入鉆孔的滲流通道。位于裂隙B2-2深度以下的B2-3(40～50m深度段)及B2-4裂隙(50～60m深度段)也有可能存在外源地下水的流入，但可能流速較低，或流入地下水與鉆孔原地下水溫度差異不大，造成的溫度異常被B2-2引起的異常信號(hào)所覆蓋。但這種可能需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證，是下一步的研究工作，本文不作深入討論，只考慮外源地下水從裂隙B2-2中流入鉆孔。

以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，建立滲流-傳熱數(shù)值模型進(jìn)一步反映了B2孔中的地下水滲流特征。根據(jù)模型反演結(jié)果，鉆孔中地下水的平均流速為0.01m·s-1，斷裂破碎帶地下水溫度TH小于裂隙流入地下水溫度Tf，兩者之間的溫度差ΔT為0.7℃。此時(shí)從裂隙B2-2中流入的地下水可能來自與裂隙同一深度或更深處的花崗巖體，反演獲取的入流流速為1×10-5m·s-1。需要注意的是，數(shù)值模擬雖然能定量反演識(shí)別出鉆孔的地下水滲流特征，定位導(dǎo)水裂隙，但模型的反演結(jié)果是具有多解性的。數(shù)值模擬反演出的地下水流動(dòng)只是B2孔中一種可能的滲流狀態(tài)，是地下水平均流速，裂隙入流地下水溫度與入流流速耦合的結(jié)果。進(jìn)一步的定量識(shí)別需要在目前的試驗(yàn)方案中加入其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)，以對(duì)模型的反演結(jié)果進(jìn)行約束：如在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中加入流速儀，在獲取溫度-深度剖面的基礎(chǔ)上對(duì)異常點(diǎn)位進(jìn)行流速監(jiān)測(cè)(如B2的40m深度)，則能對(duì)模型反演估算的入流地下水溫度進(jìn)行約束；或考慮在異常點(diǎn)以水位計(jì)同時(shí)監(jiān)測(cè)地下水的壓力和溫度變化，以水位計(jì)數(shù)據(jù)作為擬合目標(biāo)，進(jìn)一步提高數(shù)值模擬反演估算鉆孔地下水流速的精確性。

跨孔的溫度-水力試驗(yàn)證實(shí)了B2與B3之間的水力聯(lián)系，B3鉆孔中開展的提水試驗(yàn)引起了B2鉆孔地下水位的降低，推測(cè)兩鉆孔地下水通過底部均存在的斷裂破碎帶相連。但B2并未出現(xiàn)類似單孔試驗(yàn)中溫度-深度曲線分段的現(xiàn)象。這可能是跨孔試驗(yàn)與單孔試驗(yàn)不同的水力條件造成的。在單孔試驗(yàn)中，B2的地下水位降幅達(dá)到了1.85m，而跨孔試驗(yàn)中B2的水位降幅僅為0.62m。在這種情況下，B2鉆孔受到提水試驗(yàn)影響的深度較小，地下水位仍然高于或基本等同于周邊花崗巖體中的地下水，經(jīng)由裂隙流入的地下水量很少，鉆孔主要被來源于底部斷裂帶的地下水充斥，所以溫度-深度剖面相對(duì)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)溫度異常點(diǎn)或異常段。因此，今后若開展進(jìn)一步研究，應(yīng)加大提水流量使B2或B3孔中地下水位大幅降低，通過觀測(cè)B3孔中溫度-深度曲線是否也出現(xiàn)溫度分段現(xiàn)象，該現(xiàn)象出現(xiàn)的深度等，進(jìn)一步分析B3與外源地下水的聯(lián)系，以及B3與B2中是否存在其他導(dǎo)水裂隙相互連通，對(duì)鉆孔間的地下水滲流路徑進(jìn)行進(jìn)一步識(shí)別。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)我國(guó)高放廢物處置庫(kù)預(yù)選區(qū)、首個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址北山新場(chǎng)的花崗巖鉆孔(BQ02及BSQ03)開展研究，通過基于分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)溫度-水力試驗(yàn)及數(shù)值模擬，對(duì)裂隙巖體中地下水滲流特征進(jìn)行了識(shí)別，主要得到以下結(jié)論：

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)單孔溫度-水力試驗(yàn)結(jié)果，B2鉆孔地下水可能存在多個(gè)不同溫度的補(bǔ)給源。在提水試驗(yàn)過程中，隨著地下水位的不斷下降，鉆孔35～40m深度的地下水溫度逐漸下降，造成溫度-深度曲線的分段現(xiàn)象，這可能是周邊花崗巖體中地下水經(jīng)該處B2-2裂隙流入鉆孔造成的。

(2)以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用COMSOL Multiphysics建立的B2鉆孔滲流-傳熱數(shù)值模型反映了鉆孔中的地下水滲流特征。以鉆孔溫度-深度曲線為擬合項(xiàng)，數(shù)值模型反演估算得地下水平均流速為0.01m·s-1，鉆孔底部斷裂帶的地下水溫度TH小于裂隙B2-2流入地下水溫度Tf，兩者之間的溫度差ΔT為0.7℃。B2-2裂隙地下水入流流速為1×10-5m·s-1。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中引入流速儀或水位計(jì)，加強(qiáng)對(duì)溫度異常點(diǎn)(或異常段)的監(jiān)測(cè)或?qū)⒂兄诩s束數(shù)值模擬反演結(jié)果的多解性。

(3)以現(xiàn)場(chǎng)溫度-水力試驗(yàn)對(duì)裂隙巖體中地下水滲流進(jìn)行觀測(cè)研究時(shí)，應(yīng)盡可能利用大流量的提水(或抽水)試驗(yàn)造成大幅度的水力擾動(dòng)。若水力擾動(dòng)不足以引發(fā)鉆孔中水力條件的改變，則溫度-深度曲線很有可能不會(huì)發(fā)生明顯變化，難以識(shí)別鉆孔中地下水的滲流特征。

(4)由于裂隙結(jié)構(gòu)及其分布的強(qiáng)烈非均質(zhì)性，裂隙巖體中滲透流速的準(zhǔn)確測(cè)量十分困難。本文通過基于分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)溫度-水力試驗(yàn)及數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)了對(duì)裂隙巖體中地下水滲流特征的定量識(shí)別。該研究表明分布式測(cè)溫技術(shù)與數(shù)值模擬的結(jié)合應(yīng)用有助于加深對(duì)裂隙巖體場(chǎng)地地下水滲流及熱運(yùn)移規(guī)律的理解，在涉及裂隙地下水的深部地質(zhì)工程如高放核廢物地質(zhì)處置選址、地?zé)豳Y源開發(fā)等實(shí)際問題中具有廣闊的應(yīng)用前景。