止水不良孔導致地下水串層污染的機制研究
——以衡水某試驗孔為例

李敏敏,成建梅,李　莎,郭達鵬

(中國地質大學(武漢)環境學院,湖北 武漢　430074)

止水不良孔導致地下水串層污染的機制研究
——以衡水某試驗孔為例

李敏敏,成建梅,李莎,郭達鵬

(中國地質大學(武漢)環境學院,湖北 武漢430074)

摘要：華北平原長期存在“上咸下淡”的水質格局,近年來,咸水下移問題不斷威脅深層淡水資源。根據衡水市某止水不良孔(GK井)修復前后其周邊觀測孔(XK4井)內水質變化情況,通過構建考慮鉆孔串層污染的溶質運移模型,對止水不良孔作為優勢通道引導咸水下移的機制進行了研究。結果表明:原本水力聯系微弱的相鄰含水層通過止水不良孔發生了越流,上層咸水在水頭差作用下沿井管下移,經濾水管進入淡水層,導致下層淡水迅速咸化；GK井在14個月內形成的污染暈半徑為20～75 m,導致XK4井地下淡水礦化度在5個月內升高約5倍;GK井封填后,污染物在水動力作用下發生擴散、稀釋,被污染淡水在4個月后又恢復至原有濃度。止水不良孔造成的串層污染不容小覷,應及時發現及早治理。

關鍵詞：止水不良孔;串層污染;淡水咸化;數值模擬;衡水市

華北平原是我國缺水比較嚴重的地區,水資源問題嚴重制約其經濟發展,且平原區咸水、微咸水分布廣泛,中東部地區淺層地下水幾乎全部為咸水和微咸水[1]。因咸水開發利用難度大,導致深層地下淡水超采嚴重,誘發了地下水降落漏斗、地面沉降、地下水污染等一系列環境問題[2]。20世紀70年代以來,隨著地下水開采量的大幅增加,華北平原開始出現深層淡水咸化的現象,嚴重威脅寶貴的淡水資源。

淡水咸化的原因,一方面是因為深層淡水的大量開采破壞了淺層咸水和深層淡水之間原本存在的勢能平衡和水化學場穩定[3],不斷開采的淡水層與幾乎處于原始狀態的咸水層水頭差的增大造成咸水入侵、深層地下淡水咸化[4]。地下水過量開采使深層地下水更容易接受上層及外圍咸水的補給[5]。另一方面,隨著地下水需求量的增加,機井數量快速增多,止水不嚴的廢棄機井也大量增加。明木和[6]通過衡水電測井曲線分析驗證了咸水通過壞井下滲的結論。孫國春等[7-8]以天津井水咸化為例討論了井管部分銹蝕水井、未經處理停用水井和季節使用的咸淡混合開采井造成其井水或周邊井水咸化的現象。前人利用水化學方法、水動力場分析、數理統計等手段開展研究，認為除了超量開采引起的巨大水頭差之外,廢棄井貫通含水層、由點及面地污染淡水也是淡水咸化的重要原因[1-2, 9-10]。

對于存在止水不良等問題的廢棄機井導致深層淡水污染的機制,前人多根據地下水水質進行分析推理,結論的直觀性和說服力不足。筆者根據衡水地區某試驗孔(XK4井)中地下淡水咸化實例，分析其周邊止水不良孔(GK井)對淡水水質的影響,并利用GK井附近4眼深度不同的監測井(XK1、XK2、XK3、XK4井)組成的分層監測系統的監測結果,對研究區進行數值模擬研究,以便直觀地展現上層咸水通過止水不良孔越流補給、污染下層淡水的過程,探討止水不良孔導致淡水咸化的機制。

1含水層組劃分和鉆孔分布

研究區位于衡水市北部,華北平原地下水徑流帶上。區內第四系由上而下可劃分為4個含水組[11],其中第Ⅰ含水組(Ⅰ含)底板埋深45 m左右,主要為咸水分布;第Ⅱ含水組(Ⅱ含)底板埋深120～170 m,屬微承壓、承壓水,主要為淡水分布,是該區主要的地下水開采層;第Ⅲ、Ⅳ含水組底板埋深分別在250～350 m和350～450 m。不同含水組間分布有厚度不等黏土層,其中第Ⅰ、Ⅱ含水組之間以20 m厚的黏土、亞黏土、亞砂土相隔,屬于弱透水層;其他含水組間以黏土相隔,隔水性較好。

分層監測系統位于研究區咸淡水過渡帶,由4口鉆井組成,分別位于Ⅰ含底部(XK1井)、Ⅰ含Ⅱ含之間的弱透水層(XK2、XK3井)以及Ⅱ含頂部(XK4井),止水不良孔GK井位于Ⅱ含底部。XK1井深45 m,取水段位于咸水層;XK2井深52 m,XK3井深60 m,二者取水段均位于咸淡水過帶;XK4井深70 m,取水段位于淡水層;GK井深120 m,其剖面及平面位置見圖1。

圖1　研究區剖面與平面位置

串層污染發生前,XK1、XK2井內地下水為礦化度大于5 g/L的咸水,XK3井內地下水為礦化度在1～3 g/L之間的微咸水,XK4井內地下水為礦化度小于1 g/L的淡水。筆者重點關注XK4井地下水水質變化。

2串層污染事件描述

2011年12月,研究區新打一眼深120 m的鉆井(GK井),GK井因成井工藝問題造成止水不良,該井于2013年2月被封填。2012年2月,距離GK井8 m遠的XK4井地下水礦化度開始升高,且出現較大的波動現象。XK4井地下水水位埋深、礦化度及當地降雨量隨時間變化情況見圖2。圖2中降水量由衡水市氣象站提供，礦化度和水位埋深由Solinst Levelogger Model LTC F100/M30水位水溫水質記錄儀監測。

圖2　XK4井地下水水位埋深、礦化度及衡水地區降水量隨時間變化情況

由圖2(a)地下水水位埋深變化曲線可以看出:XK4井地下水水位變化具有明顯的季節規律,水位與灌溉關系密切,受降雨影響較小。因春灌抽水的影響,4—7月是低水位期,根據抽水灌溉的時間,地下水水位埋深呈周期性波動。灌溉后地下水受到回滲、降水及河道滲漏補給等作用,水位持續上升,至翌年2—3月達到最高值。

由圖2(b)地下水礦化度變化曲線可以看出，XK4井內地下水于2012年2月發生水質惡化,至2012年6月礦化度更是升高至最初礦化度的5倍左右,水質的惡化速率與惡化程度都非常驚人;隨后,地下水礦化度在降雨、季節性抽水灌溉等因素的影響下有較大規律性波動;2013年4月地下水水質開始發生好轉,礦化度迅速降低,至2013年6月即恢復至原有水平。

XK4井內地下水水質惡化、恢復時間與GK成井、封填時間能夠較好地契合,且水質變化存在一定的滯后效應。其時間對比見表1。

表1　XK4井地下水水質變化時間與GK井成孔、封填時間對比

表2　各井地下水不同時期的礦化度與水化學類型

為了研究下層淡水水質變化與上層咸水的關系,調查對比了各監測井不同時期的水質情況,見表2。水化學類型由ICAP6300電感耦合等離子光譜儀測試得各陰陽離子濃度,通過數據處理分析所得;礦化度由便攜式電導率儀-EC3840現場測得。

由表2可以看出,I含底部含水層(XK1井)的礦化度高于其他含水層,且XK4井地下水變化后的水化學類型與上層咸水相似,故推測在有水頭差和濃度差的動力條件下,I含底部含水層地下水通過GK井“天窗”越流補給、污染了Ⅱ含頂部含水層(XK4井),導致其地下水礦化度增大。

通過以上分析,筆者認為止水不良孔(GK井)可能作為越流通道導致了串層污染的發生,使淺層咸水下移、深層淡水咸化。為了更準確地研究GK井作為越流通道對地下水影響的動態規律,直觀地展現地下水的動態變化、流場分布及污染物運移情況,筆者利用數值模擬軟件對研究區地下水流及水質進行模擬。

3止水不良孔的三維地下水溶質運移模擬

3.1水文地質概念模型

考慮深層淡水受污染范圍較小、封孔后水質恢復迅速、水文地質響應局部特征明顯,筆者截取1 500 m×1 500 m空間尺度作為模型范圍。根據區域含水層結構和鉆孔資料將模型概化為4層,并進行三角網格剖分,剖分過程考慮了止水不良井周邊加密,最終得到3 583個單元,1 847個節點(圖3)。

圖3　模型網格剖分圖

模型的邊界刻畫參考了研究區地下水流場分布。天然條件下區內地下水自西南向東北流動,模型南北邊界刻畫為零通量邊界,東西邊界為流量邊界。考慮研究區較小,模型上邊界沒有分區,統一接受大氣降雨補給;下邊界為零通量邊界;止水不良孔(GK井)設置為多層井邊界,穿透弱透水層,流量設為零。各地層水文地質參數參考李亞美等[12]現場試驗所得(表3)。各含水層初始水頭、礦化度資料通過監測獲取。

表3　模型各層參數

注:Kx為水平滲透系數;Kz為垂直滲透系數;T為導水系數;μe為彈性給水度。

3.2數學模型

根據研究區水文地質條件,其地下水流數學模型可以概化為均質各向異性非穩定地下水流數學模型,用以下數學模型來描述:

式中:x、y、z為空間位置坐標;t為時間坐標;μs為貯水率;H、H0、H1分別為水頭、初始水頭和第一類邊界水頭;Kxx、Kyy、Kzz、Kn分別為x、y、z方向和邊界法線方向的滲透系數;v為地下水流速;ε為源匯項;Ω為研究區范圍;S1、S2分別為第一類、第二類邊界。

地下水溶質運移采用對流彌散數學模型:

式中:ρ為污染物質量濃度;Dij為水動力彌散系數;ui為滲透速度;ρ0為研究區污染物初始質量濃度;ρ1為研究區第一類邊界污染物質量濃度;ni代表各方向上的外法線方向余弦;q2為彌散通量;ρ1、q2為已知函數;Γ1、Γ2分別為第一類、第二類邊界。

為便于與監測結果對比和模型簡化,該模型沒有區分各離子質量濃度的變化,而以礦化度表征地下水水質的變化情況。

模型模擬時間為2011年7月—2014年3月。結合GK井成孔與封填時間,將模擬時間分為3個階段,分別為GK井成孔前、成孔后、封填后。因GK井是地下淡水污染的可疑通道,故成孔后階段是筆者較為關注的階段。

3.3數學模型求解

研究區XK4井地下水礦化度模擬結果見圖4。由圖4可以看出,模擬結果能較好地擬合監測數據,2012年2月份之前XK4井中礦化度始終低于1 g/L,之后迅速升高,同年6月達到最大,后期礦化度受集中抽水灌溉影響不斷波動,主要體現在兩個方面:①人工抽水加強了水平徑流,對污染物起到了稀釋作用;②上下含水層加大的水頭差導致更多的咸水下移,二者共同影響了水質的變化。2013年3月后XK4井礦化度迅速下降,同年6月恢復到最初水平。

圖4　XK4井地下水礦化度模擬結果與監測結果對比

考慮GK孔成井和封堵時間與XK4井水質變化情況,水動力彌散的滯后效應得到體現。2011年12月GK井揭穿弱透水層,2013年2月XK4井中水質開始惡化;GK井于2013年2月封填,XK4井水質在2013年4月方開始好轉。實際上,GK井和XK4井平面位置連線與地下水流向近于垂直,在非灌溉期,地下水徑流緩慢,機械彌散作用微弱,分子擴散作用成為污染物運移的主要動力。因此盡管井間距只有8m,卻滯后了整整2個月。抽水灌溉期地下水流速增加,機械彌散作用增強,由GK井壁進入的咸水在水動力條件下迅速遷移擴散,污染暈沿水流方向成羽狀分布,咸水在垂直于水流方向波及范圍減小,XK4井地下水水質改善。停止開采后水平徑流減弱,伴隨上層咸水下移,XK4井水質又迅速惡化。

圖5形象地演示了上層咸水通過止水不良鉆孔GK井運移至下層淡水的過程,20 m厚的弱透水層很好地阻滯了咸水的區域下移,止水不良孔成為短時間內唯一的越流通道。

圖5　模型地下水后向流線

圖6顯示了上層咸水通過止水不良孔GK井進入下層淡水后的運移情況。由圖6可以看出,地下水礦化度在GK井附近(亦為XK4井附近)最大,隨著與GK井距離的增大,地下水礦化度逐漸降低。在地下水流動作用下,污染暈呈羽狀分布。

圖6　XK4井所在含水層地下水礦化度分布

結合試驗場地下水監測系統的監測結果和數值模擬結果可以推測:止水不良孔GK井是XK4井淡水咸化的主要原因,灌溉期大面積抽水形成的水頭差、水動力條件會促進上部咸水對淡水的越流補給及其在淡水含水層中的運移擴散,使淡水咸化范圍增大;在GK井成孔2個月后XK4井中水質開始惡化;5個月后XK4井內地下水礦化度升高約5倍,接近其上層咸水礦化度值;GK井成孔14個月后,模型底部含水層沿水流方向上的污染半徑約為75 m,垂直于水流方向的污染半徑約為20 m,污染半徑與含水層滲透性和水動力大小正相關;GK井封填后4個月左右,XK4井內地下水即恢復至原有濃度。

4結論

根據衡水地區某試驗孔(XK4井)中地下淡水咸化實例分析了其周邊止水不良孔(GK井)對淡水水質的影響,并利用GK井附近4眼深度不同的監測井(XK1、XK2、XK3、XK4井)組成的分層監測系統的監測結果,對研究區進行了數值模擬研究,得出如下結論:

a. 止水不良孔會成為越流通道,使原本沒有水力聯系或水力聯系微弱的含水層通過井管發生越流。上層地下水會在水頭差作用下沿井管下移,經濾水管進入淡水層,并在濃度差與對流作用下擴散。在止水不良孔的“天窗”作用下,深層淡水礦化度在5個月內即升高約5倍,水質與其上層咸水相似,水化學類型由L-NC變為S-NM。

b. 利用數值模擬方法對止水不良孔的“天窗”作用進行模擬,模擬結果能較好地擬合監測結果。通過模擬結果推測,一眼止水不良孔14個月的影響半徑約為20～75 m,影響范圍隨含水層滲透系數和水動力條件的增大而增大。

c. 作為點源污染,止水不良孔封填后,被污染地下水在機械彌散與分子擴散作用下,4個月左右可恢復至原有濃度。

止水不良孔的長期存在和大量分布勢必會加速衡水市，乃至華北平原淡水咸化進程,使水資源本就匱乏的華北平原陷入更大窘境。上層咸水通過井管直接注入淡水層,淡水的咸化未改變位于弱透水層的咸淡水界面埋深。“井水咸化”雖然不等同于含水層淡水咸化,但對其進行研究可揭示小范圍滲流場內地下水異常現象,促進對地下水污染的研究。筆者認為，對衡水市乃至華北平原廢棄機井進行普查、統計、修復或封填，意義重大且刻不容緩。

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Mechanism of cross strata pollution of groundwater caused by borehole with non-sealing walls: a case study of a test hole in Hengshui City

LI Minmin, CHENG Jianmei, LI Sha, GUO Dapeng

(SchoolofEnvironmentalStudies,ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074,China)

Abstract：The phenomenon of salt water distributing in the upper aquifer and fresh water distributing in the lower aquifer exists for a long time in North China Plain. Nowadays, fresh water in the lower aquifer is threatening by the downward migration of salt water. Based on the water quality change around the borehole XK4 before and after the borehole GK with non-sealing walls being repaired, the mechanism of salinization caused by the borehole with non-sealing walls was investigated by building the solute transport model considering cross strata pollution. The results show that the transfluence occurs between the adjacent aquifers, which have faint hydraulic connection, through the borehole with non-sealing walls. Salt water in the upper aquifer migrates downward along the well tube and enters into the fresh water aquifer causing the salinization. The radius of the pollution halo of the borehole GK reaches 20～75 min 14 months, and the mineralization degree of water in the borehole XK4 increases by five times in five months. After the borehole GK was filled, the pollutant diffused and diluted, and the fresh water recovered to the original concentration in four months. The cross strata pollution caused by the borehole with non-sealing walls should attract enough attention and corresponding measurements should be taken.

Key words：borehole with non-sealing walls；cross strata pollution；salinization of fresh water；numerical simulation; Hengshui City

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.003

作者簡介：李敏敏(1988—)，女，碩士研究生，研究方向為地下水數值模擬。E-mail:1206702887@qq.com 通信作者：成建梅，教授。E-mail:jmcheng@cug.edu.cn

中圖分類號：P641

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)03-0014-05

(收稿日期：2015-03-19編輯：王芳)