承壓含水層野外彌散試驗實施方法研究

袁偉 云智漢

摘? 要：以吉林某水源地評價研究為基礎，通過栓塞止水、單向閥止回及孔口壓力注入等方式進行示蹤劑投放，有效地解決了承壓含水層彌散試驗示蹤劑投放難題，并通過實時監測的方式達到了數據的高密度監測，從源頭上提高了試驗成功率以及數據精度。通過人工流場和天然流場，利用改進直線法和二元線性回歸方程法，分別對承壓含水層不同水力梯度下的彌散參數進行求解，很好地解決了水源地承壓含水層彌散系數求取問題，為承壓含水層彌散試驗的現場實施提供了成功經驗。

關鍵詞：承壓含水層;彌散試驗;實施方法;示蹤劑;水源地;改進直線法;二元線性回歸方程法;人工流場;天然流場

中圖分類號：P641.2;X523? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：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

彌散試驗是揭示地下水中溶質運移機理和獲得彌散系數等重要水質參數的可靠方法之一，也是研究地下水污染物運移必不可少的環節（蔣學敏等，2013）。彌散試驗分為室內試驗和現場試驗，相較于室內試驗，彌散現場試驗求取的參數更符合實際情況。而常見的野外彌散試驗多是針對潛水含水層實施的，對于承壓含水層彌散試驗則缺乏成功案例（蘇賀等，2014）。究其原因，一是由于受相對隔水頂板的保護，承壓含水層遭受污染的可能性小，故相較于潛水含水層，在地下水環境保護研究工作中，承壓含水層受關注程度低;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成功率較低。而實際工作中，對于以承壓含水層為保護目標的區域，準確確定承壓含水層彌散參數，是對承壓水進行保護、對污染物進行控制的基礎（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實施方法，為其他類似項目開展提供參考。

1 水源地水文地質條件

1.1 地下水類型及富水性

研究區自新生代以來，受構造運動的影響持續沉降，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構的特征，構成了上部松散巖類孔隙水與下部碎屑巖類裂隙孔隙承壓水迭置的地下水蓄水構造。根據地下水的含水介質性質及其在空間展布特征，區內地下水主要類型有第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水兩大類，松散巖類孔隙水根據其埋藏性質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、水質好，主要作為研究區飲用水源取水目的層。本次研究的新村水源地位于寧江區伯都鄉以北，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的砂巖、含礫砂巖。垂向上具有上細下粗的韻律，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，地下水位埋深17.00～24.00m;在沖積湖積平原區，地下水水位埋深較大，一般在34.00～40.00m間。根據含水層厚度、巖性和單井抽水資料，其富水性劃分見圖1。

（1）水量極豐富區（單井出水量>5000m3/d）

分布在伯都以北至農大、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，多數地區大于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，透水性好。據抽水試驗，滲透系數為15.08～32.00m/d，導水系數為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（單井出水量3000～5000m3/d）

環帶狀分布在水量極豐富區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，結構疏松，含水層透水性較好。據抽水試驗，滲透系數為5.22～15.66m/d，導水系數為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（單井出水量1000～3000m3/d）

呈半環狀分布于水量豐富區外圍北部華僑農場、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，一般厚度10～20m，局部地段小于10m。巖性為細砂巖、中粗砂巖，含水層顆粒交細，透水性相對變差，單位涌水量為3.31～558m3/h·m，單井出水量為1127.96～2718.55m3/d。

1.2 含水巖組與相對隔水層

研究區內主要含水巖組（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，三為全新統沖積層上段含水巖組。區域相對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粘土、粉質粘土分別組成的相對隔水層（圖2、表1）。

本次彌散試驗目的層為新近系大安組承壓含水層，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113m。

1.3 地下水補徑排條件

研究區內潛水主要接受大氣降水補給，地下水接受補給后，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。承壓水主要接受側向徑流補給或通過天窗接受上部含水層垂向補給，研究區內農灌機井分布眾多，多未進行分層止水，人為溝通了各含水層，這也是承壓水獲得補給的一種途徑。

新近系大安組上覆的泥巖、粉砂質泥巖分布連續且厚度較大，透水性差，構成相對隔水層，使得新近系大安組碎屑巖類裂隙孔隙含水層與上覆含水層段水力聯系較弱。大安組承壓水以接受地下水遠程徑流補給為主。在研究區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，水力聯系密切，大安組含水層接受垂向補給。此外，在研究區西南部大安-扶余斷裂（第二松花江斷裂）呈北西向通過，切斷了大安組含水層，從而使地下水通過斷層直接獲得第二松花江地表河水的補給。研究區內新近系大安組承壓水含水層深埋，上覆隔水層厚而穩定，地下水循環以水平徑流為主，總體由東南-西北向徑流，天然水力坡度較小，為1.15‰。受水源地開采影響，研究區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‰。地下水側向徑流排泄及人工開采是大安組承壓水的主要排泄方式。

2 彌散試驗實施

2.1 試驗裝置

常規的示蹤劑投放方式無法保證彌散試驗的成功實施。為解決承壓水頭影響示蹤劑投放及人工采樣監測工效低的問題，現場通過水壓栓塞將投源孔段與其上部進行封隔，并通過注入管底部安裝的止回閥防止示蹤劑受水壓影響向上運移，在孔口加壓投放的方式進行示蹤劑投放，在監測孔同層位安裝電導率監測探頭，通過直讀線纜傳輸數據的方式進行監測，成功實施了彌散試驗。試驗裝置如圖3，監測方式采用監測孔上部止水的形式，如監測孔內為混合水，則需在監測探頭上部、隔水頂板以下部位安裝隔水栓塞，以保證監測效果;若分層進行彌散試驗，在管外分層止水的前提下，可設置雙栓塞封隔，進行投源和監測，雙栓塞以壓水花管連接，示蹤劑投放方式與壓水試驗一致，監測探頭通過鉆桿等管道內部放入，至與主孔示蹤劑投放同深度進行監測。

2.2 試驗方法及步驟

（1）試驗方法

本次試驗目的層為新近系大安組承壓水含水層，采用多孔試驗方法進行，試驗選用食鹽（NaCl）作為示蹤劑，模擬溶質的運移情況。示蹤劑投放前，先測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（10min以內）投入法投入目的含水層中。

（2）試驗步驟

①將連接有水壓栓塞和末端設有單向閥的鉆桿，連同連接的高壓管一同下放至投放鉆孔內設定試驗深度。②監測探頭通過直讀數據線纜連接（孔口可接無線數據發射裝置），下放至探測監測孔的設定深度。③到達投放鉆孔含水層下的設定試驗深度后，試壓泵通過高壓管向水壓栓塞充水（可達8MPa），水壓栓塞充水完成，封隔了設定試驗深度上部的地下水。④壓力泵加壓，通過鉆桿向投放鉆孔注入示蹤溶液至設定試驗深度，鉆桿的末端的單向閥可避免示蹤溶液回流。⑤監測孔內的監測探頭實時監測電導率變化，通過直讀數據線纜傳輸數據，在孔口連接電腦直接讀取，或將數據傳輸至無線數據發射裝置，再發送數據至顯示記錄裝置，監測探頭也可同步存儲監測數據。⑥彌散試驗完成后，將水壓栓塞泄壓，收回試驗裝置。

2.3 試驗孔布設及實施

本次彌散試驗區地下水水流方向為南東-北西向。布設彌散試驗孔4孔，孔間距7m。成井后先進行洗井，使井壁孔隙暢通。為模擬水源地運營現狀，首先將SK01鉆孔作為投源井，SK01-1、SK01-2鉆孔作為監測孔，SK01-3孔作為抽水孔，抽水流量穩定在126.5m3/d。其后進行了天然流場條件下的彌散試驗。現場鉆孔布置如圖4，各孔參數見表2。

通過現場實施，成功獲取了彌散試驗監測數據。人工流場條件下彌散試驗歷時15天，監測結果顯示，SK01-2孔在第228h達到濃度峰值，SK01-1在第285h達到濃度峰值，表明地下水流速較為緩慢。天然流場條件下彌散試驗歷時16天。電導率與時間變化關系曲線見圖5、圖6。

2.4 計算方法

（1）改進直線法

采用二維彌散方程進行計算，設在無限平面上存在著達西速度q=nu的一維均勻流動。我們取平面為xy平面，并使x軸方向與流速方向一致;t=0時在原點處瞬時注入質量為m的示蹤劑，則求在上述情形下示蹤劑的濃度分布，可歸結為下列定解問題。

（1）

引入變換X=x-Vt，Y=y，（1）式可化為：

（2）

忽略分子擴散，以? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?代入上式，應用二維傅立葉變換，得：

（3）

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

在含水層為水平等厚、均質、各向同性與無限延伸的條件下，描述位于X軸上的（x0，0）點處觀測孔中的示蹤劑濃度隨時間變化過程的解析表達式為：

（4）

式中：CO為在時間t、流場中點（x0，0）處觀測孔中的示蹤劑濃度值，ML-3，為瞬時投放示蹤劑的質量，M;ne為含水層的有效孔隙度，無量綱;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，L2T-1。同理，描述位于點（x1，y1）處的觀測孔中的示蹤劑濃度隨時間變化過程的解析表達式為：

（5）

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

（2）二元線性回歸方程法

本次計算對二維地下水彌散工程的解析解進行了適當的數學變換，得到一個二元線性回歸方程。該方程的自變量和因變量中僅包含著試驗數據，回歸系數中包含著待求參數。由這些方程就可推導出縱向彌散度αL和橫向彌散度αT（蔣輝，2013）。

計算時以水流方向為X軸正方向，垂直于水流方向為Y方向。

對上面（3）式進行變換，如下：

（6）

則式（6）可改寫為

對兩組觀測孔數據聯立方程，可以解出縱向彌散度αL和橫向彌散度αT。

2.5 試驗結果

運用改進直線法和二元線性回歸方程法進行計算，獲取的彌散參數基本一致。研究區不同試驗條件下的彌散參數詳見表3。

試驗結果表明：受抽水影響，人工流場水力梯度大，其彌散參數較天然流場大。

3 結語

承壓含水層彌散試驗的難度在于示蹤劑的投放和數據監測。受承壓水頭壓力影響，常規的投源方法很難將示蹤劑投放到目標層位或投放量不足導致監測無效。同時，對埋深較大的含水層進行人工采樣監測，效率低下且數據采集量難以保證計算精度。這些因素制約著承壓含水層彌散試驗的實施。筆者結合自身工作實際需求，提出了采用栓塞止水、單向閥止回、示蹤劑加壓投放、同層位實時監測等解決方案并成功實施，取得了良好的效果。獲授權實用新型發明專利一項（ZL 2018 2 0478809.9），為地下水環境保護、評價及同類型試驗工作開展具有一定的借鑒作用和參考意義。

參考文獻

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