曹 楠, 張志鵬,孫 東,周亞萍,熊雨霞

(1. 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心，成都 610081;2. 四川省華地環(huán)境科技有限責任公司，成都 610081;3. 四川省環(huán)境保護地下水污染防治工程技術(shù)中心，成都 610081)

前 言

近年來，隨著“綠水青山，就是金山銀山”的生態(tài)文明建設(shè)理念的提出，政府加大了對水土污染防治技術(shù)的研究。水文滲透系數(shù)作為研究地下水污染遷的重要參數(shù)，普遍使用抽水試驗獲取[1～5]。該試驗是經(jīng)典獲取水文地質(zhì)參數(shù)的方法，但有以下問題有待解決[6-7]，其一，試驗周期較長、效率低[8]，遇到突發(fā)地下水污染事件時，不能快速、準確獲取小范圍的水文地質(zhì)參數(shù)[9-10]；其二，在污染場地內(nèi)開展抽試驗，會擾動加速污染羽的遷移擴散[11]；其三，試驗可能改變局部地下水流場，人為擴大污染羽范圍[12]；其四，抽水試驗排出的水是否會引起二次污染的問題研究較少。

為了解決抽水試驗的問題，研究了微水試驗是否具備耗時短、效率高、影響半徑小的特點[13]，是否是一種可以最大程度的減少對含水層擾動的替代辦法[14-15]。

從資料收集入手，查閱獲取水文地質(zhì)參數(shù)的技術(shù)方法[16-17]，利用室內(nèi)模擬地下水含水層裝置，建立地下水模擬井，并在井中布設(shè)自動化水質(zhì)和水位監(jiān)測探頭，監(jiān)測抽水試驗和微水試驗過程中的地下水流場、化學場動態(tài)變化，評價兩種試驗類型對地下水流場、化學場的改變情況及獲取滲透系數(shù)的準確性，探索替代傳統(tǒng)水文地質(zhì)試驗獲取水文地質(zhì)參數(shù)的可能性。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

主要儀器設(shè)備：電導率儀(DDB-303A)15只，定制3m長電導率電極15只；水位計(In-Situ Rugged TROll 100)2只，水位計(In-Situ Rugged TROll 200)1只；特制重錘1個；三維模擬試驗裝置尺寸為3.0m×1.0m×1.2m。

1.2 實驗材料

主要材料：氯化物，化學純；石英砂20～40目、石英砂10～20目、石英砂40～60目，粘土及泥沙等材料。

1.3 試驗方案

三維模擬試驗裝置內(nèi)共放置14根長度為1.3m的PVC管，井管直徑為5cm，PVC管從下往上均勻布設(shè)2mm細眼至1m處，在PVC外圍用紗布井鉆眼處包裹起來，防止砂礫進入。

裝置內(nèi)由底部到頂部的填料依次為黏土層(0～10cm)、石英砂(10～90cm)、黏土層(90～100cm)，其中石英砂選擇10～20目、20～40目混合均勻填放至槽內(nèi)，每次填放10cm高度，兩端放水淹沒填埋介質(zhì)，待介質(zhì)均勻沉淀后再繼續(xù)填放，反復(fù)操作直至填放高度為1m。填放時注意石英砂與隔板接觸面用紗布包裹，以免石英砂或粘土堵住過水孔，模擬實驗裝置詳見圖1。

圖1 模擬裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of analog device

1.3.1 系統(tǒng)概況

從三維模擬裝置進水口通水，調(diào)節(jié)兩側(cè)水箱高度，左側(cè)水位高度為1m，右側(cè)水位高度為0.9m，讓水流過整個裝置12h，形成穩(wěn)定的含水層。

1.3.2 試驗條件優(yōu)化

抽水試驗中將抽水速率定為0.2、0.4、0.6、0.8L/min，記錄井內(nèi)水位下降速率，選擇抽水速率與回水速率基本一致的速率作為抽水速率。通過抽水試驗，獲取該系統(tǒng)的含水層滲透系數(shù)，實驗重復(fù)3～5次，驗證該條件下獲取參數(shù)的重現(xiàn)性。

微水試驗中將水位計放入待測井中，選擇重錘投放高度為10cm、20cm、30cm、40cm，讀取水位及數(shù)據(jù)，選取引起水位計讀數(shù)變化最大的高度進行微水試驗，獲取該系統(tǒng)的含水層滲透參數(shù)，實驗重復(fù)3～5次，驗證該條件下獲取參數(shù)的重現(xiàn)性。

1.3.3 背景時間確認

整個系統(tǒng)不進行抽水試驗和微水試驗時，污染物隨水流到達各監(jiān)測井的時間成為背景時間。用以對比抽水試驗和微水試驗時污染物到達實驗井的時間。

將水位計放入抽水井中，電導率儀放入1#～13#中，每個井放置1根電導率儀記錄電導率值。

通過蠕動泵向14#內(nèi)投入飽和NaCl溶液，加入后開始計時，記錄其余13處監(jiān)測井中電導率上升時的時間作為各井的背景時間，重復(fù)完成2～3次。

1.3.4 對化學場影響程度試驗

在2#、3#、4#、13#井進行抽水和微水試驗，利用最優(yōu)試驗條件進行試驗。記錄微水試驗和抽水試驗實驗井周邊監(jiān)測井中電導率升高的時間，并與背景時間對比。

1.3.5 滲透系數(shù)驗證試驗

在1#-14#井進行抽水和微水試驗，每個監(jiān)測井試驗3～5次，取平均值獲得各井滲透系數(shù)。

1.4 試驗?zāi)Ｐ?/p>

1.4.1 單孔穩(wěn)定流抽水試驗

單孔穩(wěn)定流抽水試驗，當利用抽水孔的水位下降數(shù)據(jù)計算滲透系數(shù)時，Q～s(△h2)關(guān)系曲線呈直線時[18]，公式為：

(1)

式中：K-滲透系數(shù)(m/d)；

Q-出水量(m3/d)；

H-潛水含水層厚度(m)；

h-潛水含水層在抽水試驗時的厚度；

R-影響半徑(m)；

r-抽水孔過濾器的半徑(m)。

1.4.2 多井抽水試驗

單孔穩(wěn)定流抽水試驗，當利用觀測孔中的水位下降數(shù)據(jù)計算滲透系數(shù)時，若觀測孔中的值s(或△h2)在s(或△h2)-lgr關(guān)系曲線上能連成直線，公式為：

(2)

式中：s1、s2-在s～lgr關(guān)系曲線的直線段上任意兩點的縱坐標值(m)；

1.4.3 微水試驗Hvorslev模型

Hvorslev在1951年通過大量試驗后發(fā)現(xiàn)井內(nèi)水位迅速變化后水位恢復(fù)的速度和時間成指數(shù)關(guān)系，水位恢復(fù)的時間與地層的滲透系數(shù)有關(guān)，恢復(fù)速率與井孔的結(jié)構(gòu)有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，Hvorslev針對承壓完整和非完整井的過阻尼微水試驗提出一種半解析的方法[19-20]。Hvorslev模型井結(jié)構(gòu)示意圖詳見圖2。

圖2 Hvorslev模型井結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Well structure diagram of hvorslev model

針對承壓含水層中的地下水，Hvorslev發(fā)現(xiàn)當井孔中的地下水位瞬時改變后，流出或流進井孔的水流量與井孔附近含水層滲透系數(shù)之間的關(guān)系可表示為：

(3)

經(jīng)過計算變形后，水平滲透系數(shù)公式：

(4)

其中形狀因子F 根據(jù)過濾管與含水層的相對位置可分為3種情況，只要求得F 就可以求得滲透系數(shù)。結(jié)合本次試驗，選擇完整井，過濾管穿透整個飽和含水層。當過濾管的長度大于過濾管有效半徑8倍時，即L/rwe>8，Hvorslev形狀因子通過如下公式計算。

(5)

其中：R-微水試驗的影響半徑。

在計算第三種形狀因子公式中，需要估算微水試驗的影響半徑R，查閱國外學者研究，取過濾管的長度或200rwe。

將式(5)帶入式(4)后，得到Hvorslev模型公式為：

(6)

其中：R-微水試驗的影響半徑，為200rwe；

基本時間間隔TL，ln(ht/h0)≈-1，所對應(yīng)的時間。

1.4.4 微水試驗Bouwer-Rice模型

H.Bouwer和R.C.Rice建立的均質(zhì)潛水含水層沖擊試驗?zāi)Ｐ褪菓?yīng)用最廣的潛水完整井沖擊試驗計算模型之一[21-22]。該模型假設(shè)含水層介質(zhì)是不可壓縮的、均質(zhì)各向同性的，試驗過程中，含水層的厚度近似保持不變。潛水井模型建立的示意圖見圖3。

圖3 Bouwer&Rice模型潛水井示意圖Fig.3 Well structure diagram of Bouwer & Rice model

由于本次實驗是瞬時向測井投放重錘引起水位變化，相對于整個測井中的水量來說很少，對測井中的水頭改變不明顯，對測井周圍的含水層也不會產(chǎn)生明顯的影響，不會產(chǎn)生越流補給的現(xiàn)象，因而可以假設(shè)地下含水層在沖擊試驗進行的整個過程中水位保持不變，該潛水井模型的理論推導如下：

試驗中注入井中的水流運動過程滿足變形后的Thiem公式：

(7)

式中：h(t)為測井中水位的位置水頭(m)；H(t)為測井中水位的標準水頭(m)。

結(jié)合初始條件：t=0時，H(t)=H0；以及在t時刻，H=H(t)，可以得到K的表達式：

(8)

式中：rc為井套管有效半徑m；

rw井中心到填礫的距離m；

B為測井中濾管的長度m；

Re為微水沖擊實驗的有效半徑，取經(jīng)驗值200rw；

t為測試時間(s)；

H0和H(t)為初始時刻和t時刻的壓力水頭(m)。

2 實驗結(jié)果

2.1 條件優(yōu)化

2.1.1 抽水速率優(yōu)化

抽水速率分別為0.2L/min、0.4L/min、0.6L/min、0.8L/min觀測水位變化，見圖4。從圖中可見，隨著流量增大，水位降深也在增加。鑒于試驗器材，降深變化不明顯影響觀測數(shù)據(jù)的準確性，因此本次試驗采用降深為10cm左右(大致為含水層厚度的1/6)的抽水速率進行試驗?zāi)M。

圖4 抽水速率與降深關(guān)系圖Fig.4 Pumping rate and drawdown

2.1.2 重錘高度優(yōu)化

微水試驗中選擇不同投放高度10cm、20cm、30cm、40cm釋放重錘，水位曲線變化見圖5。從圖中可以看到隨著重錘的高度增加，水位變化幅度隨之增大，但在實際觀測中，當重錘投放高度超過40cm時，雖然水位變化最為明顯，但落錘的一瞬間，受到水面與井管之間距離的影響，會有大量水飛濺溢出井口，后期在利用微水試驗計算滲透系數(shù)時，重錘投放高度超過40cm時重復(fù)試驗計算得到的滲透系數(shù)偏差最大，因此，選擇投放高度為30cm。

圖5 重錘投放高度優(yōu)化試驗圖Fig.5 Condition optimizationof slug test

2.2 對化學場影響程度試驗

對整個系統(tǒng)進行試驗，確定污染物到達各井時間作為背景時間，記錄抽水試驗和微水試驗對污染物遷移時間的改變。

實驗結(jié)果見表1，從實驗結(jié)果來看，抽水試驗會顯著加快污染物的擴散，并改變地下水在區(qū)域上的流場。對2#、3#、4#、13#監(jiān)測井進行抽水，均會縮短污染物到達2#的時間。對3#進行抽水試驗時，對面的4#、7#、9#會出現(xiàn)不同程度污染物到達時間變長的情況。同時對4#進行抽水時，對面的3#、6#、8#也會出現(xiàn)污染物到達時間變長的情況。上述兩組試驗說明抽水試驗不僅會加快污染物遷移的速率，還會改變局部地下水流場。

表1 井位電導率變化時間一覽表Tab.1 The list of conductivity and time variation (min)

2.3 滲透系數(shù)驗證試驗

三維模擬試驗完成了單孔抽水試驗和有觀測孔的抽水試驗，每口監(jiān)測井均完成了3次試驗，取平均值。從表2中分析單孔抽水實驗1#～14#滲透系數(shù)范圍為6.4～13.3m/d，有觀測孔的抽水試驗1#～14#滲透系數(shù)范圍為9.0～21.3m/d，微水試驗Hvorslev模型1#～14#滲透系數(shù)范圍為15.0～29.9m/d，微水試驗Bouwer&Rice模型1#～14#滲透系數(shù)范圍為10.5～22.4m/d，三維模式試驗槽中滲透系數(shù)在6～30m/d這個范圍內(nèi)，試驗結(jié)果看，槽內(nèi)介質(zhì)填充較均一，但也在局部存差異性。從圖6中可知2#的滲透系數(shù)在不同模型計算下，滲透系數(shù)均明顯高于其他監(jiān)測井，這點是由于2#周邊孔隙度大，存在局部強透水段。

表2 水文地質(zhì)試驗滲透系數(shù)一覽表Tab.2 The list of permeability coefficient by hydrogeological test (m/d)

圖6 監(jiān)測井測定滲透系數(shù)關(guān)系圖Fig.6 Permeability coefficient of monitoring well

抽水試驗(觀測孔)的滲透系數(shù)與微水試驗中Bouwer&Rice模型獲得的滲透系數(shù)基本一致。而單孔抽水試驗與微水試驗Hvorslev模型滲透系數(shù)相差較遠。以抽水試驗(觀測孔)的滲透系數(shù)的對數(shù)為橫坐標，其余模型的滲透系數(shù)值取對數(shù)擬合一元線性回歸方程結(jié)果見圖7和表3可知，Bouwer&Rice模型與抽水試驗(觀測孔)相關(guān)系數(shù)R2為0.951 0，從相關(guān)性來比較微水試驗Bouwer&Rice模型>微水試驗(Hvorslev模型)>抽水試驗單孔。因此Bouwer&Rice模型更適合于潛水含水層滲透系數(shù)的獲取。

表3 線性關(guān)系一覽表Tab.3 The list of linear relationship parameter

圖7 不同模型滲透系數(shù)一元線性回歸關(guān)系圖Fig.7 Linear regression of permeability coefficient in different models

3 結(jié) 論

3.1 利用三維模擬裝置，以飽和氯化鈉溶液作為污染源觀察監(jiān)測井中電導率變化情況，通過與背景時間對比發(fā)現(xiàn)在相對高滲(中-粗砂)含水層中采用抽水實驗會引起化學場及流場改變，加劇污染羽擴散，加快污染物的遷移；而采用微水試驗對周邊流場影響范圍有限，對污染羽擴散的影響小。

3.2 本文創(chuàng)新性的采用水位計驗證流場變化，用飽和氯化鈉溶液作為污染源，以污染物到達各監(jiān)測井的時間作為參考，證實了抽水試驗加快污染物遷移速率，改變地下水流向的猜想。

3.3 對比抽水試驗和微水試驗獲取的滲透系數(shù)，抽水試驗獲得的滲透系數(shù)與微水試驗中采用Bouwer&Rice模型(潛水模型)獲得的滲透系數(shù)進行線性擬合相關(guān)系數(shù)R2為0.951 0。表明微水試驗在潛水相對高滲介質(zhì)中(中-粗砂)亦可替代抽水試驗獲取滲透系數(shù)參數(shù)。

3.4 對比抽水試驗和微水試驗所需時間，三維模擬試驗裝置中抽水試驗穩(wěn)定需要480min，而微水試驗時間在7～12min便可得到結(jié)果，表明微水試驗在完成時間方面優(yōu)勢明顯，具有推廣應(yīng)用價值。

3.5 通過研究證實微水試驗相比傳統(tǒng)抽水試驗獲取滲透系數(shù)所需時間更短、對含水層擾動更小、所需設(shè)備簡單。在調(diào)查地下水污染場地，可優(yōu)先選擇微水試驗，同時微水試驗在反應(yīng)含水層結(jié)構(gòu)的非均一性方面更具有明顯優(yōu)勢。