大武水源地断裂带关键水动力参数确定及污染防治对策

包锡麟，费宇红，李亚松，曹胜伟

(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061；2.中国地质大学(北京)，北京 100083)

大武水源地断裂带发育，不同地段或深度连通性和渗透性差异较大。因工业生产与常年开采，水源地存在水质恶化的趋势。目前在水源地金岭断裂带堠皋地段已采取强排方式(即水力屏障)控制岩溶地下水污染，但由于水源地地下水的运移规律认识不足，治理效果有待进一步提高。精准掌握开采背景下不同深度岩溶地下水径流速度和渗透系数，才能在该水源地断裂带岩溶水污染段有针对性地优化水力屏障等治理措施，为大武水源地进一步节约成本、高效治理地下水污染提供依据。因此，获取原位可靠的岩溶地下水流向流速信息，对于开展断裂带污染段关键水动力参数研究具有十分重要的意义[1]。

水源地水质治理修复效果与水文地质参数确定的精确程度密切相关[2]。地下水实际流向流速，即质点流向流速，是岩溶水污染治理中最为关键的水动力参数。它不仅指明岩溶水污染的来源和去向，还关系治理措施的关键技术或优化方案选定[3]。传统抽水试验确定的渗透系数，反映的是开采层位多层含水组的混合渗透能力，难以反映不同深度的实际流向流速[4]。目前，比较成熟的地下水流向流速测量方法有示踪法[5-6]、自然电位物探法[7]和充电物探法[8-9]等，但都需要大量的前期准备与持续的观测，且易受外部条件干扰。示踪法如荧光剂[10]、同位素[11]和粒子示踪剂法[12-13]，在测定时无法及时获取结果，且多为揭示整个含水层混合的流向流速。国际上新兴的井孔胶体探测技术，由Peter M Kearl在20世纪90年代提出，近年来投入商业使用[14-15]，此技术是利用高倍光学放大镜，捕获天然状态下地下水流动中裹挟的中性胶体粒子[16]，连续拍摄影像，通过应用优势流理论和地质统计学方法确定地下水实际流向流速[17-18]，不仅可以原位、即时探测，而且精确度更高[19]。2016年，北京地铁穿河冻结工程中采用该技术探测地下水实际流向流速[20]，确定了施工地层的渗透性，为施工提供了参考。

目前应用井孔胶体探测技术研究地下水流态较多，而应用于识别和确定断裂带水动力参数、指导岩溶地下水污染治理的研究较少。本文基于井孔胶体探测技术，以大武岩溶水源地金岭断裂带的堠皋地段为研究区，布设7眼探测孔，获得21个优势流层位岩溶地下水流向流速的探测数据，计算了开采背景下断裂带污染段岩溶水的实际流向、径流速度和渗透系数等水动力参数，进行了岩溶水污染水力屏障治理指导的应用研究，为该水源地污染优化治理提供了重要依据。

1 研究区与试验概况

1.1 研究区概况

大武水源地位于山东省淄博市某大型石油化工基地(图1a)，为特大型岩溶地下水水源地。该区南部高北低，南部为低山-丘陵，出露奥陶系上统马家沟群(O1-2m)石灰岩，地表及地下岩溶发育；北部为山前倾斜平原，第四系覆盖层较薄，向北厚度增大。水源地内分布有金岭断裂、边河断层和王寨断层等，均为平推正断层，对地层分布和地下水运动具有一定控制作用。大气降水入渗和淄河渗漏补给是该水源地主要补给来源，目前水源地以人工集中开采为主要排泄途径。大武水源地开发利用程度较高，20世纪90年代开采量达5.2×105m3/d，在主要开采区形成多个地下水水位降落漏斗；至2001年引黄工程以来，开采量仍为4.0×105m3/d。试验期间，局部依然存在地下水漏斗，地下水水位标高低于0 m[21-22]。

试验选择在大武水源地的金岭断裂带堠皋地段(图1b)。堠皋地段曾是大武水源地岩溶地下水污染最为严重的区域[23]，该区地层剖面示意图，见图2。20世纪80年代中期，3.0×106t乙烯工程在堠皋地段落成，由于管道多处损坏等原因，有机、无机污染物渗入了该地段地下水含水系统[24]。目前，该地段采用水力屏障方法治理岩溶地下水污染[25]，试验研究区内设置水力截获强排井(简称“水力屏障井”，编号SW98)。

图2 研究区地质剖面图Fig.2 Geological cross section

1.2 试验过程

在流向流速探测试验中，主要用AquaVision胶体探孔器，由精密磁通门罗盘，140倍光学放大镜，高强度背光灯和高分辨率镜头组成；外部用不锈钢外壳包裹[26]。探孔器长89 cm，直径44 mm，其最大探测深度305 m，流速测定范围为0～30 mm/s。它通过观测地下水中天然存在的中性胶体粒子，获取地下水实际流向流速信息。首先控制镜头在预设时间内，将观察到的胶体粒子看作质点，进行拍照捕捉、放大和数字化。将第一个数字化的图像与下一个图像比较，一个矢量线连接同一质点的两个时刻所在位置，得出相应的质点运动方向和速度。罗盘通过捕获图像时所示的磁向，校准实际胶体粒子的运行轨迹，记录其流向流速结果，最终通过统计确定地下水的流速及流向[27](图3)。在一个稳定的流场中，当井孔内水位不发生变化时，流入井孔的流量Q入在单位时间内与流出井孔的流量Q出是平衡的，即Q入=Q出。地下水运动时，含水介质性质虽发生改变，但近似作为质点的胶体粒子运动轨迹和状态没有发生变化，所以认为该仪器测得的流速为地下水的实际流速。

图3 井孔胶体流向流速探测结果示意图Fig.3 Schematic diagram of flow velocity and direction detection using colloidal borescope注：图中0°即为向北运动，90°为向东运动

井孔胶体探测技术基于地下水优势流理论，最早应用于油气藏开发工作中[28-29]。在油田开采后期，需要向地下注水，使得低渗透储层中的石油被带出，当注入水长期冲刷、剥蚀后会形成差异渗流，形成地下水优势流[30]。在本试验中，优势水流区是最能代表该层流向流速的位置。为确定代表该层地下水流向流速的最佳探测位置，需要依据已掌握的钻孔水文地质资料，分析含水层位置及水流特征，将胶体探孔器放置于该层水流区的中心位置测量，然后向水流区顶、底板位置测量，通过比较，确定优势水流区位置。在测量之前需洗井，减少井壁杂质对探测影响。当仪器监测的地下水流保持30 min以上稳定流动时，则认为探测仪器在地下水的优势水流区域内；当仪器监测的地下水流不稳定时，需上提或下放仪器，调整探测层位位置，直到观测到稳定流保持30 min以上为止。

试验利用研究区已有钻孔资料的水位观测孔，布设了7眼探测孔，分布于SW98的上游与下游，分别为上游的SW74、SW75、SW95，下游的SW86、SW88、SW99和WK04。在开展不同层位(深度)岩溶地下水流向流速探测之前，7眼探测孔都进行过专项抽水试验，计算获得了各探测孔全层渗透系数。整个流向流速探测试验，2018年3月15日开始，2018年4月13日结束。试验期间研究区未降雨，且开采稳定。

2 关键水动力参数分析

2.1 流向流速

本次试验获取了7眼探测孔的21组优势流层位数据，其中SW74探测孔5组、SW88探测孔4组、SW75和WK04探测孔各3组，以及SW86、SW95和SW99探测孔各2组(表1)。探测孔位置分布与试验结果见图4。

7眼探测孔流速较快的层位对应奥陶系八陡组下部(O2-3b)至奥陶系阁庄组(O2g)上部地层，分别为WK04的110 m、SW74的168 m、SW75的74 m、SW86的145 m、SW88的85 m、SW95的70 m和SW99的110 m(表1)。这是大武水源地金岭断裂带堠皋地段岩溶地下水的主径流层位，是该地段地下水强烈开采的层位，也是与地下水污染途径密切相关和污染治理的重点层位。

表1 各探测孔胶体探测流向流速试验结果表

图4 研究区7眼探测孔实际水流方向及其与岩溶地下水动力场流向之间关系Fig.4 Relationship between the runoff direction of 7 exploratory boreholes and the groundwater dynamic field in the study area注：地下水等水位线依据2018年枯水期50余眼开采井统测地下水位绘制。

假定地下水径流方向为东，通过投影计算，得到各探测孔地下水径流方向的径流速度(表1中投影换算的径流速度)。可以发现：

(1)7眼探测孔计算确定的地下水径流方向的径流速度为52.56～129.54 m/d。存在最大径流速度的探测孔位于金岭断裂右盘、距断层0.24 km处的SW86孔，探测深度145 m，径流速度为129.54 m/d，对应地层为奥陶系八陡组(O2-3b)粉晶灰岩，表征金岭断裂影响的强渗透性。

(2)远离水力屏障开采井的SW88孔、WK04孔的实际水流流向与地下水径流流向基本相同，地下水径流方向的流速分别为53.72 m/d和67.64 m/d，对应探测深度分别为85 m和259 m，地层分别为奥陶系八陡组上部(O2-3b)和奥陶系五阳山组(O2w)，表明两个层位岩溶含水层组尚未受到金岭断裂的显著影响，岩溶地下水运动方向仍主要受地势和地层产状等因素控制。

(3)SW74孔、SW95孔和SW99孔探测到实际水流方向，明显不同于地下水径流流向，探测最大流速方向分别为196.15°、284.29°和265.4°，对应探测深度分别为168，65，110 m，对应地层分别为奥陶系阁庄组上部(O2g)、奥陶系八陡组下部(O2-3b)，说明金岭断裂的影响显著。由图4可以发现，治理污染的水力屏障开采井(SW98)强烈影响SW74孔、SW95孔和SW99孔的地下水流方向。从SW99探测孔的探测结果看出，污染段下游的未污染的岩溶水被本来为上游的SW98开采井排出; SW95的探测结果显示，断层西侧的地下水未受到开采井影响，污染有向西扩散的可能，说明开采治理不合理。

2.2 关键参数的确定

渗透系数(K)是大武水源地金岭断裂带堠皋污染段岩溶地下水污染治理、水力屏障开采井布局和开采强度优化调整的关键参数之一。应用本次胶体探测结果，依据达西定律计算了7眼探测孔的21个优势流层位岩溶水含水介质渗透系数。依据7眼探测孔成井时的抽水试验资料计算了渗透系数，进行对比分析。计算对比认为，抽水试验获得的渗透系数与基于胶体探测地下水质点速度获得的渗透系数较为接近。但SW75与SW95的两组渗透系数差异较大。经分析发现，SW75与SW95为1993年同一时段成井，钻孔资料中地层编录的部分较为粗略，抽水试验计算时使用的含水层厚度值过大，导致计算后的渗透系数过小。其他5孔的探测结果计算渗透参数范围与抽水试验计算的渗透系数相符。

经流向流速分析与关键参数确定，可以认为大武水源地金岭断裂带堠皋污染段的岩溶水污染治理优化调整深度为169 m以浅层位，此层位既为奥陶系八陡组下部(O2-3b)至奥陶系阁庄组(O2g)上部地层流速较快的层位，也为渗透系数较大的层位。该层水动力条件复杂，受生产、断层、水力屏障等多重因素影响。

3 岩溶水污染治理对策

3.1 断裂对水源地影响的非单一层位性

大武水源地金岭断裂带堠皋地段是该水源地岩溶水污染最为严重的区域，自1988年以来，由于苯、氨氮等污染，该段地下水水质长期处于Ⅴ类水。目前SW98孔作为岩溶地下水污染治理的水力屏障开采井，其上游段的SW74、SW75孔岩溶水实际流速方向与SW98水力屏障开采井的汇水方向基本相同，分别为109.63°和117.29°(表2和图5)。SW74孔的径流流速和渗透系数分别为69.80 m/d和246.37 m/d，SW75孔的值分别为52.56 m/d和77.72 m/d，对应深度分别为169 m和74 m。呈现出金岭断裂影响下SW74、SW75孔所在区域岩溶地下水穿越金岭断裂带向东，补给下游开采井的强渗透-径流能力，而且分别发生在不同层位(74 m和169 m)，表现出金岭断裂对大武水源地地下水非单一层位的影响。

3.2 水力屏障井混合开采的治理不利性

介于SW75孔与SW98孔之间的SW95孔，其径流速度最大的层位流向为284.29°，换算的径流流速和渗透系数分别为-50.37 m/d和271.98 m/d，对应深度65～70 m。SW95孔不仅实际水流方向与SW74、SW75 孔的实际水流方向和SW98水力屏障开采井的汇流方向相反，而且，径流流速和渗透系数也明显大于SW75探测孔的相应参数。由此表明，SW98水力屏障开采井采用的全裸孔抽排控制岩溶地下水污染的方式，未能高效控制浅部(70 m深度以浅)侧向流入该水源地的易污染水源。从距金岭断裂约1.03 km处的SW99探测孔的岩溶地下水水流方向、径流流速和渗透系数来看，整体的水流方向与区域地下水流向相反，且其径流流速和渗透系数分别达49.38 m/d和199.62 m/d(对应深度110 m)。表明SW98水力屏障井在80～110 m层段的开采强度过大(与潜水泵位置有关)，以至造成大武水源地核心区岩溶地下水倒流，导致水源地核心区水质较好的中深层岩溶地下水被输排。而金岭断裂带附近浅部水质较差的水源侧向流入水源地状况尚未得到高效控制。

表2 研究区探测孔不同深度岩溶地下水含水层渗透系数差异特征

图5 探测孔不同探测深度的岩溶地下水流向分布特征Fig.5 Distribution of flow direction of groundwater with different exploratory holes and different depths

3.3 优化水力屏障井抽排层段及开采强度

为优化水力屏障井的治理效果，应调整其抽排层段与开采强度，需加强断裂带上游段70 m以浅的侧向流入水量的抽排开采强度，减小80～110 m深度的抽排强度。其中应增大70 m以浅的抽排强度，至SW95正西方向上的径流流速明显小于50.30 m/d，使得金岭断裂带对SW95影响减小；减小80～110 m的抽排强度，使得SW99正西方向的径流流速明显小于 49.38 m/d，避免未受污染的岩溶水倒流。由此，不仅可以提高大武水源地堠皋污染段岩溶水污染治理效果，而且还会降低治理成本和规避不必要的优质岩溶水资源浪费。

4 结论

(1)研究区含水层强径流层位(即易污染段)位于奥陶系八陡组下部(O2-3b)至奥陶系阁庄组(O2g)上部地层，65 m以浅的侧向流入补给是该水源地岩溶地下水污染的主要来源。

(2)水源地金岭断裂带附近岩溶地下水具有多元质点流向，不同区段或层位的水流方向和速度差异较大：断裂带以西的SW74的169 m层位、SW75的74 m层位实际水流流向与径流流向相符，揭示了断裂带的导水性以及对水源地的非单一层位影响； SW99实际水流流向与地下水径流流向相反，指明了水力屏障井混合层位开采的不利。

(3)应加强70 m以浅的抽排强度，使得SW95正西方向上的径流流速明显小于50.30 m/d，减小金岭断裂带强导水影响；减小80～110 m深度的抽排强度，使SW99正西方向上径流流速明显小于49.38 m/d以避免水质较好的地下水倒流。

致谢：感谢中国地质科学院博士生导师张光辉研究员对本论文的悉心指导和修改；感谢山东省地质调查院杨丽芝研究员的悉心指导，朱恒华所长，刘春华、刘治政副所长、淄博市水资源管理办公室边农方处长对大武水源地调查与试验进行的技术指导；感谢济南大学刘迪、李军来同学的野外工作支持。