承压含水层野外弥散试验实施方法研究

袁伟 云智汉

摘  要：以吉林某水源地评价研究为基础，通过栓塞止水、单向阀止回及孔口压力注入等方式进行示踪剂投放，有效地解决了承压含水层弥散试验示踪剂投放难题，并通过实时监测的方式达到了数据的高密度监测，从源头上提高了试验成功率以及数据精度。通过人工流场和天然流场，利用改进直线法和二元线性回归方程法，分别对承压含水层不同水力梯度下的弥散参数进行求解，很好地解决了水源地承压含水层弥散系数求取问题，为承压含水层弥散试验的现场实施提供了成功经验。

关键词：承压含水层;弥散试验;实施方法;示踪剂;水源地;改进直线法;二元线性回归方程法;人工流场;天然流场

中图分类号：P641.2;X523     文献标识码：A     文章编号：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

弥散试验是揭示地下水中溶质运移机理和获得弥散系数等重要水质参数的可靠方法之一，也是研究地下水污染物运移必不可少的环节（蒋学敏等，2013）。弥散试验分为室内试验和现场试验，相较于室内试验，弥散现场试验求取的参数更符合实际情况。而常见的野外弥散试验多是针对潜水含水层实施的，对于承压含水层弥散试验则缺乏成功案例（苏贺等，2014）。究其原因，一是由于受相对隔水顶板的保护，承压含水层遭受污染的可能性小，故相较于潜水含水层，在地下水环境保护研究工作中，承压含水层受关注程度低;二是由于受承压水头的影响，示踪剂投放难度大，承压含水层弥散试验成功率较低。而实际工作中，对于以承压含水层为保护目标的区域，准确确定承压含水层弥散参数，是对承压水进行保护、对污染物进行控制的基础（刘岩磊等，2014）。本文介绍了吉林某水源地承压含水层弥散试验实施方法，为其他类似项目开展提供参考。

1 水源地水文地质条件

1.1 地下水类型及富水性

研究区自新生代以来，受构造运动的影响持续沉降，沉积了巨厚的中新生界沉积层，为地下水赋存提供了有利条件。由于含水层具有多元结构的特征，构成了上部松散岩类孔隙水与下部碎屑岩类裂隙孔隙承压水迭置的地下水蓄水构造。根据地下水的含水介质性质及其在空间展布特征，区内地下水主要类型有第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水两大类，松散岩类孔隙水根据其埋藏性质又分为潜水和承压水（袁伟等，2019）。

其中，大安组砂岩、含砾砂岩裂隙孔隙含水层防污性能好，水量丰富、水质好，主要作为研究区饮用水源取水目的层。本次研究的新村水源地位于宁江区伯都鄉以北，西距松花江约5km，有供水水源井14口，成井深度在190～210m，开采新近系大安组承压水，供水量3.06×104m3/d。大安组含水层岩性为弱胶结的砂岩、含砾砂岩。垂向上具有上细下粗的韵律，横向上岩相变化不大，含水层厚度22.10～45.70m，自东南向西北厚度增大，除沉积边界厚度变薄外，一般厚30～40m。上覆28.50～49.00m厚大的泥岩隔水层，含水层顶板埋深135.50～148.00m，底板深度170.10～187.80m。在河谷冲积平原区，地下水位埋深17.00～24.00m;在冲积湖积平原区，地下水水位埋深较大，一般在34.00～40.00m间。根据含水层厚度、岩性和单井抽水资料，其富水性划分见图1。

（1）水量极丰富区（单井出水量>5000m3/d）

分布在伯都以北至农大、东至刘家窝棚，西到第二松花江一带，近呈东偏北、西偏南条带状分布，为地下水汇集中心。含水层厚度一般在30m以上，多数地区大于40m，其中新村水源含水层厚度37.98～50.50m，平均厚42.15m。岩性为中粗砂岩、含砾砂岩和砂砾岩，弱胶结，透水性好。据抽水试验，渗透系数为15.08～32.00m/d，导水系数为612.25～1215.36m2/d，单位涌水量为11.90～34.50m3/h·m，单井出水量为5711.06～16561.65m3/d，影响半径为1294.0～1829.0m。

（2）水量丰富区（单井出水量3000～5000m3/d）

环带状分布在水量极丰富区外围的伯都以南至于家、东至西伊尔丹西、北到河西村、西抵第二松花江地带。含水层厚度一般为30～40m，局部大于40m，在伯都以南，厚度变薄，约10～30m。岩性为含砾砂岩和砂砾岩，结构疏松，含水层透水性较好。据抽水试验，渗透系数为5.22～15.66m/d，导水系数为222.29～257.92m2/d，单位涌水量为7.17～8.95m3/h·m，单井出水量为3441.33～4295.59m3/d，影响半径为251.80～670.16m。

（3）水量较丰富区（单井出水量1000～3000m3/d）

呈半环状分布于水量丰富区外围北部华侨农场、东部韩家窝堡、南部大洼地带。含水层厚度一般为20～40m，局部地段有大于40m，在于家以南地区，一般厚度10～20m，局部地段小于10m。岩性为细砂岩、中粗砂岩，含水层颗粒交细，透水性相对变差，单位涌水量为3.31～558m3/h·m，单井出水量为1127.96～2718.55m3/d。

1.2 含水岩组与相对隔水层

研究区内主要含水岩组（层）：一为大安组含水岩组（水源地取水目的层），二为白土山组含水岩组，三为全新统冲积层上段含水岩组。区域相对隔水层亦主要有三层，即嫩江组、大安组泥岩和荒山组淤泥质粘土、粉质粘土分别组成的相对隔水层（图2、表1）。

本次弥散试验目的层为新近系大安组承压含水层，钻孔揭露的该含水层地下水位埋深为35m，而含水层顶板埋深为148m，承压水头达113m。

1.3 地下水补径排条件

研究区内潜水主要接受大气降水补给，地下水接受补给后，由高向低，总体呈北偏东向径流，排泄至松花江。受人工开采影响，新民村西、常家村一带形成降落漏斗，地下水从漏斗边缘向中心径流。承压水主要接受侧向径流补给或通过天窗接受上部含水层垂向补给，研究区内农灌机井分布众多，多未进行分层止水，人为沟通了各含水层，这也是承压水获得补给的一种途径。

新近系大安组上覆的泥岩、粉砂质泥岩分布连续且厚度较大，透水性差，构成相对隔水层，使得新近系大安组碎屑岩类裂隙孔隙含水层与上覆含水层段水力联系较弱。大安组承压水以接受地下水远程径流补给为主。在研究区外东南的社里大岗子一带、西北部大安市一带，第四系孔隙潜水含水层与新近系大安组含水层叠置，大安组含水层接受孔隙潜水补给;西南乾安深井子一带，大安组隔水顶板变薄，并有大面积缺失形成天窗，白土山组、泰康组、大安组含水层直接接触，水力联系密切，大安组含水层接受垂向补给。此外，在研究区西南部大安-扶余断裂（第二松花江断裂）呈北西向通过，切断了大安组含水层，从而使地下水通过断层直接获得第二松花江地表河水的补给。研究区内新近系大安组承压水含水层深埋，上覆隔水层厚而稳定，地下水循环以水平径流为主，总体由东南-西北向径流，天然水力坡度较小，为1.15‰。受水源地开采影响，研究区中部形成地下水降落漏斗，地下水由降落漏斗周边流向中心，水力坡度变大，为6.33‰～12.27‰。地下水侧向径流排泄及人工开采是大安组承压水的主要排泄方式。

2 弥散试验实施

2.1 试验装置

常规的示踪剂投放方式无法保证弥散试验的成功实施。为解决承压水头影响示踪剂投放及人工采样监测工效低的问题，现场通过水压栓塞将投源孔段与其上部进行封隔，并通过注入管底部安装的止回阀防止示踪剂受水压影响向上运移，在孔口加压投放的方式进行示踪剂投放，在监测孔同层位安装电导率监测探头，通过直读线缆传输数据的方式进行监测，成功实施了弥散试验。试验装置如图3，监测方式采用监测孔上部止水的形式，如监测孔内为混合水，则需在监测探头上部、隔水顶板以下部位安装隔水栓塞，以保证监测效果;若分层进行弥散试验，在管外分层止水的前提下，可设置双栓塞封隔，进行投源和监测，双栓塞以压水花管连接，示踪剂投放方式与压水试验一致，监测探头通过钻杆等管道内部放入，至与主孔示踪剂投放同深度进行监测。

2.2 试验方法及步骤

（1）试验方法

本次试验目的层为新近系大安组承压水含水层，采用多孔试验方法进行，试验选用食盐（NaCl）作为示踪剂，模拟溶质的运移情况。示踪剂投放前，先测定各井中静止水位和本底浓度，然后将185kg NaCl溶解配制成高浓度ρ0（ρ0=ρ（NaCl）=100g/L）NaCl 溶液，采用瞬时（10min以内）投入法投入目的含水层中。

（2）试验步骤

①将连接有水压栓塞和末端设有单向阀的钻杆，连同连接的高壓管一同下放至投放钻孔内设定试验深度。②监测探头通过直读数据线缆连接（孔口可接无线数据发射装置），下放至探测监测孔的设定深度。③到达投放钻孔含水层下的设定试验深度后，试压泵通过高压管向水压栓塞充水（可达8MPa），水压栓塞充水完成，封隔了设定试验深度上部的地下水。④压力泵加压，通过钻杆向投放钻孔注入示踪溶液至设定试验深度，钻杆的末端的单向阀可避免示踪溶液回流。⑤监测孔内的监测探头实时监测电导率变化，通过直读数据线缆传输数据，在孔口连接电脑直接读取，或将数据传输至无线数据发射装置，再发送数据至显示记录装置，监测探头也可同步存储监测数据。⑥弥散试验完成后，将水压栓塞泄压，收回试验装置。

2.3 试验孔布设及实施

本次弥散试验区地下水水流方向为南东-北西向。布设弥散试验孔4孔，孔间距7m。成井后先进行洗井，使井壁孔隙畅通。为模拟水源地运营现状，首先将SK01钻孔作为投源井，SK01-1、SK01-2钻孔作为监测孔，SK01-3孔作为抽水孔，抽水流量稳定在126.5m3/d。其后进行了天然流场条件下的弥散试验。现场钻孔布置如图4，各孔参数见表2。

通过现场实施，成功获取了弥散试验监测数据。人工流场条件下弥散试验历时15天，监测结果显示，SK01-2孔在第228h达到浓度峰值，SK01-1在第285h达到浓度峰值，表明地下水流速较为缓慢。天然流场条件下弥散试验历时16天。电导率与时间变化关系曲线见图5、图6。

2.4 计算方法

（1）改进直线法

采用二维弥散方程进行计算，设在无限平面上存在着达西速度q=nu的一维均匀流动。我们取平面为xy平面，并使x轴方向与流速方向一致;t=0时在原点处瞬时注入质量为m的示踪剂，则求在上述情形下示踪剂的浓度分布，可归结为下列定解问题。

（1）

引入变换X=x-Vt，Y=y，（1）式可化为：

（2）

忽略分子擴散，以                         代入上式，应用二维傅立叶变换，得：

（3）

式中：DL 为纵向弥散系数，DT为横向弥散系数，αL为纵向弥散度，αT为横向弥散度，u 为地下水流速，M为瞬时投放示踪剂质量，取185kg，m 为含水层有效厚度，取22.1m，n 为有效空隙率，t 为时间。

在含水层为水平等厚、均质、各向同性与无限延伸的条件下，描述位于X轴上的（x0，0）点处观测孔中的示踪剂浓度随时间变化过程的解析表达式为：

（4）

式中：CO为在时间t、流场中点（x0，0）处观测孔中的示踪剂浓度值，ML-3，为瞬时投放示踪剂的质量，M;ne为含水层的有效孔隙度，无量纲;m为含水层的厚度，L;u为地下水流速，LT-1;DL为含水层的纵向弥散系数，L2T-1。同理，描述位于点（x1，y1）处的观测孔中的示踪剂浓度随时间变化过程的解析表达式为：

（5）

式中：DT为含水层的横向弥散系数，L2T-1，其它符号意义同前（郭建青等，2011）。

（2）二元线性回归方程法

本次计算对二维地下水弥散工程的解析解进行了适当的数学变换，得到一个二元线性回归方程。该方程的自变量和因变量中仅包含着试验数据，回归系数中包含着待求参数。由这些方程就可推导出纵向弥散度αL和横向弥散度αT（蒋辉，2013）。

计算时以水流方向为X轴正方向，垂直于水流方向为Y方向。

对上面（3）式进行变换，如下：

（6）

则式（6）可改写为

对两组观测孔数据联立方程，可以解出纵向弥散度αL和横向弥散度αT。

2.5 试验结果

运用改进直线法和二元线性回归方程法进行计算，获取的弥散参数基本一致。研究区不同试验条件下的弥散参数详见表3。

试验结果表明：受抽水影响，人工流场水力梯度大，其弥散参数较天然流场大。

3 结语

承压含水层弥散试验的难度在于示踪剂的投放和数据监测。受承压水头压力影响，常规的投源方法很难将示踪剂投放到目标层位或投放量不足导致监测无效。同时，对埋深较大的含水层进行人工采样监测，效率低下且数据采集量难以保证计算精度。这些因素制约着承压含水层弥散试验的实施。笔者结合自身工作实际需求，提出了采用栓塞止水、单向阀止回、示踪剂加压投放、同层位实时监测等解决方案并成功实施，取得了良好的效果。获授权实用新型发明专利一项（ZL 2018 2 0478809.9），为地下水环境保护、评价及同类型试验工作开展具有一定的借鉴作用和参考意义。

参考文献

蒋学敏， 邵景力， 张兆吉， 等， 2013. 地下水水动力弥散系数的野外试验研究——以内蒙古某矿区为例[J]. 干旱区资源与环境， （10）： 176-180.

蒋辉， 2013. 弥散参数计算方法分析[J]. 勘察科学技术， （3）： 9-12.

苏贺， 康卫东， 曹珍珍， 等， 2014. 潜水含水层水动力弥散试验研究[J]. 水土保持通报， （2）： 83-85.

刘岩磊， 王庆来， 2014. 不同流场情况下地下水弥散试验方法分析[J]. 地下水， （2）： 12-14.

袁伟， 王成锋， 云智汉， 等， 2019. 利用压力脉冲试验评价某水源地防污性能[J]. 长春工程学院学报， （2）： 44-47， 98.

郭建青， 周宏飞， 王洪胜，等， 2014. 分析二维水动力弥散试验数据的改进直线解析法[J]. 勘察科学技术， （1）： 14-17.