大井小泵法在地下水分层取样中的应用

冯起才，张成军，李本富

( 黑龙江省第六地质勘查院，黑龙江 佳木斯市 154000 )

0 引言

地下水是重要的水资源组成部分，但是由于地下结构具有不同的含水层，其水位、水质以及各种水文地质参数均不相同，对于厚大的第四系砂砾石孔隙含水层，其上部、中部及底部，或局部夹黏土透镜体的含水层上部和下部，由于含水介质的不同，水质以及各种水文地质参数均不相同，如何获得厚大第四系砂砾石孔隙含水层各层位地下水的水质情况，且经济环保，是本研究的重点方向[1-2]。

李颖智等人[3]提出了区域地下水污染调查取样点布设量化分配方法，基于层次分析法构建量化分配模型，以背景控制因素和潜在污染因素建立分配因子组合，运用指数标度量化定性因子、标度函数计算定量因子，通过矩阵运算获取每个分配单元的样品预分配数量；在单元内，按照分段控制、条件优选的方法提高取样点针对性和代表性，利用构建的分配方法，以拉萨河流域地下水水质调查为案例进行了取样点布设分配应用，确定了各单元样品分配数量。张洁[4]提出了基于模糊逻辑法的葫芦岛市地下水水质状况评价，选取葫芦岛市12个地下水采样点，取样36份并对主要水质指标浓度进行测试，根据测试结果、采用模糊逻辑分析工具计算各样点处的地下水水质状况指数。结果表明，基于模糊逻辑法的地下水水质评价方法具有操作简单、精细化程度高等优点，具有较高的推广价值。但是以上两种抽水取样法对地下水的流动状态改变非常大，导致水层水质的检验精准度较差，因此本文设计一种大井小泵法的地下水分层取样方法。通过建造监测井，进行分层抽样采集，完成采样后需要对水样进行相关性分析，为了掌握该地区总体水质变化，采用均值化进行处理，并通过分层抽样的方法来研究地下水质的特征，完成地下水分层取样。实验结果表明，与传统取样法相比，本文设计的大井小泵法的地下水分层取样得到的样品检测值最接近标准样品，解决了传统方法存在的问题。

1 大井小泵法的地下水分层抽水取样法的研究

大井小泵法分层抽水取样首先要建造监测井，然后设计方法进行分层抽样采集。人类对地下水的影响存在垂向差异性，对浅部地下水影响最大，对深部影响较小，对具有隔水性质的黏土层下部的地下水影响更小，农药、化肥及垃圾等对地下水的影响范围、影响深度、影响程度等研究都具有重要意义，分层取样是这些研究的最基本方法。对采集的样品进行检验分析，主要分析项目包括氨氮、砷、铁、锰及主要阴阳离子。本文的技术路线见图1。

在该技术路线的基础上，对本文大井小泵法的地下水分层抽水取样法进行设计。

图1 技术路线Fig.1 Technical route

1.1 监测井建井

为了更好地获得地下水水质的三维分布情况，便于大井小泵法分层抽水取样，对取样地的前期环境进行评估，采用巢式监测井技术做进一步的调查[5]。监测井的横向结构示意图见图2。

图2 监测井横向结构示意图Fig.2 Schematic diagram of lateral structure of the monitoring well

监测井自上而下共设置4个采样层，第一采样层设置在非饱和区，第二采样层位于含水层地下水水位以下的38 cm处，第三层采样层位于含水层中部的圆砾和卵石层中，第四层采样层位于含水层底板以上10 cm处。本文的采样位置位于第四层采样层，厚大第四系砂砾石孔隙含水层各层位地下水流动状态基本上为层流，地下水流向垂直于等势线，只有在人为大量开采地下水时，形成降落漏斗，地下水流动状态出现紊流现象，或由于水泵抽水改变了地下水等势线的分布，在水泵周围出现紊流现象，导致水质分析的误差较大。

巢式监测井是在一个钻孔中分别将多根不同长度的监测管下至选定的监测层位，通过分层填砾和止水，再进行单井分层抽水，使不同的监测井在同一个钻孔中完成，最终达到分层采样和监测的目的[6-7]。监测井的纵向结构示意图见图3。图3中的监测井为举例示范，具体的采样深度需要根据实际的场地水质状况进行调整。

图3 监测井纵向结构示意图Fig.3 Schematic diagram of longitudinal structure of the monitoring well

1.2 采集并分析水样

在采集水样的过程中，首先要选取抽水取样试验孔，分层取样孔过滤器位置要与小泵量分层抽水取样位置对应，过滤器长度为2 m，采用内管径为75 mm的中空螺旋钻，进入已经建立好的监测井中。为了确保采集到的水样具有周边含水层代表性，在取样前需要进行洗井工作，以防止因井体中地下水长期处于顶空状态而发生变化[8-9]。为使采集到的地下水样品更具代表性，采用美国环保署推荐的慢速洗井技术。采样时，对pH、电导率、溶解氧、水温、氧化还原电位、浊度等相关参数进行现场监测，待抽出的地下水各项现场水质参数趋于稳定后，利用小泵量水泵(2 m3/h)进行地下水样品的采集。

完成采样后需要对水样进行相关性分析，为了掌握该地区总体水质变化，采用均值化进行处理，相关公式见式(1)：

(1)

(2)

(3)

式(3)中，n为样本数，n-2表示指标的自由度，当存在：

t=t0.05(n-2)

(4)

若t<0.05，则否定原有假设，否则不足以在这个检验中否定相关系数为0的原假设[14-15]。至此完成大井小泵法的地下水分层取样研究。

2 实验

为了验证本文设计的大井小泵法的地下水分层取样的有效性，需要设计对比实验，对抽取得到的地下水样品进行检测分析，根据其中的成分组成，判断不同取样方法的准确性。

2.1 实验准备

选择一片水层厚度大且含水层单位涌水量大的区域，依托某水源地勘察项目选取该项目7个抽水试验井中的4个进行“大井小泵法”抽水取样，4个抽水试验井编号分别为XZK1、XZK2、XZK3、XZK4，各井情况见表1。

各井单位涌水量大小关系为XZK3>XZK4>XZK2>XZK1，XZK4号孔含水层具有二元结构，其他孔含水层为厚大含水层，对选择的4个实验井分别采用文献 [3]、文献 [4] 两种传统方法和本文方法分别抽水取样并编号，文献 [3] 方法的取样泵量为180 m3/h，文献 [4] 方法的取样泵量为20 m3/h，本文方法的取样泵量为2 m3/h。现场实验见图4。

表1 抽水取样试验井情况Table 1 Parameters of pump sampling test well

图4 现场实验图

参考某水源地勘察项目各水源井水质特征，选取实验项目氨氮、总铁、锰3项对抽取的水样按照地下水水质检测方法及标准进行水质分析，并与各个实验井中经过严格分层取样得到的标准样进行对比，并分析实验结果。

2.2 氨氮检测结果比较与分析

在氨氮检测中，三种方法抽取的样品检测结果见表2。

以严格分层取样得到的样品的氨氮检测结果作为参考标准，对比三种取样方法得到的样品氨氮检测值，经过计算可以得知，文献 [3] 样品在4个实验井中抽取的样品氨氮检测结果与标准样品平均相差0.17 mg/L，文献 [4] 样品在4个实验井中抽取的样品氨氮检测结果与标准样品平均相差0.09 mg/L，本文方法抽取的样品在4个实验井中抽取的样品氨氮检测结果与标准样品平均相差0.04 mg/L。

表2 氨氮检测对比结果Table 2 Comparison result of ammonia and nitrogen test

2.3 总铁检测结果比较与分析

在总铁检测中，三种方法抽取的样品检测结果见表3。

以严格分层取样得到的样品的总铁检测结果作为参考标准，对比三种取样方法得到的样品总铁检测值，经过计算可以得知，文献 [3] 样品在4个实验井中抽取的样品总铁检测结果与标准样品平均相差3.12 mg/L，文献 [4] 样品在4个实验井中抽取的样品总铁检测结果与标准样品平均相差1.34 mg/L，本文方法抽取的样品在4个实验井中抽取的样品总铁检测结果与标准样品平均相差0.44 mg/L。

表3 总铁检测对比结果Table 3 Comparison result of total iron detection

2.4 锰含量检测结果比较与分析

在锰检测中，三种方法抽取的样品检测结果见表4。

以严格分层取样得到的样品的锰含量检测结果作为参考标准，对比三种取样方法得到的样品锰检测值，经过计算可以得知，文献[3]样品在4个实验井中抽取的样品锰检测结果与标准样品平均相差0.23 mg/L，文献[4]样品在4个实验井中抽取的样品锰检测结果与标准样品平均相差0.14 mg/L，本文方法抽取的样品在4个实验井中抽取的样品锰检测结果与标准样品平均相差0.08 mg/L。

表4 锰含量检测对比结果Table 4 Comparison result of manganese content detection

2.5 结论

通过上述的三种检测实验可以明显地看出，使用本文设计的大井小泵法的地下水分层抽水取样法得到的样品检测值最接近标准样品，通过分析三种方法的水泵泵量可知，随着取样水泵泵量的增大，样品分析项目含量的偏差越大。在氨氮检测中，本文方法得到样品的误差比前两种方法分别减少0.13 mg/L、0.05 mg/L；在总铁检测中，本文方法得到样品的误差比前两种方法分别减少2.68 mg/L、0.9 mg/L；在锰含量检测中，本文方法得到样品的误差比前两种方法分别减少0.15 mg/L、0.06 mg/L，验证了本文设计的方法取样样品检测含量数据更加精准。

3 结语

通过上述的三种检测实验可以明显的看出，使用本文设计的大井小泵法的地下水分层抽水取样法得到的样品检测值最接近标准样品，通过分析三种方法的水泵泵量可知，随着取样水泵泵量的增大，样品分析项目含量的偏差越大，在氨氮检测中，本文方法得到样品的误差比前两种方法分别减少0.13 mg/L、0.05 mg/L；在总铁检测中，本文方法得到样品的误差比前两种方法分别减少2.68 mg/L、0.9 mg/L；在锰含量检测中，本文方法得到样品的误差比前两种方法分别减少0.15 mg/L、0.06 mg/L，验证了本文设计的方法取样样品检测含量数据更加精准。

综上，本文设计的大井小泵法的地下水分层取样得到的样品检测值最接近标准样品，提高了检验精准度，对污染源和治理地下水污染提供了有效依据。