分层监测现场分级联合试验含水层参数

分层监测现场分级联合试验含水层参数

实验区概况及试验安排

1.试验区水文地质概况

华北平原第四系含水组自上而下划分为四个含水组第含水组,底界埋深40~60m,含水层多为条带状分布,颗粒细,层间无良好的隔水层,透水性较好;第ò含水组底界埋深一般120~170m,有较稳定的隔水层,水头有明显的承压性;第ó含水组,底界埋深250~350m;第含水组,底界埋深350~450m。本文研究的多层含水系统为第含水组底部含水层,第含水组与第ò含水组之间所夹弱透水层及第ò含水组顶部含水层(见图1)。其中,第含水组底部含水层主要岩性为粉细砂及亚砂土,矿化度较高,一般为咸水;第含水组与第ò含水组间弱透水层岩性为亚砂土、亚黏土和黏土互层,隔水性较差,上部为咸水,下部为淡水;第ò含水组顶部含水层岩性为细砂、亚砂土,矿化度较小,一般为淡水。

2.地下水水位2水质分层监测系

统本次试验是在衡水地下水科学试验场新建立的地下水水位2水质分层监测系统的基础上进行的。分层监测系统位于研究区咸淡水过渡带,于2011年6月-7月在试验场新打四口钻井组成的,四口新打钻井分别位于第含水组底部含水层(XK1)、第含水组第ò含水组之间弱透水层(XK2、XK3)及第ò含水组顶部含水层(XK4),其剖面及平面位置见图1。

3.分层分级联合现场试验

多层含水系统分层分级抽水试验,是以多层含水系统为研究对象,利用地下水水位2水质分层监测系统,对该系统中含水层及弱透水层分别进行抽水试验和微水试验,观测各分层观测孔水位变化,利用观测信息综合确定多层含水系统的水文地质参数。分层示踪试验是在多层含水系统分级系列抽水试验过程中,于上部含水层投放示踪剂,在下部含水层监测示踪剂浓度变化,分析计算各层弥散参数。本次分层分级联合现场试验的设计方案如下。在XK1井进行非稳定流定流量抽水试验,抽水流量为71167L/min,抽水时间为530min;待XK1及其他各井恢复到天然水位后,在XK2及XK3井依次进行微水试验,观测时间分别为1280min和1322min。试验过程均采用DIVER三参数LTC(水位、电导率、温度)探头及人工观测记录数据。待各井恢复到天然水位后,在XK1、XK2及XK3井分别投放罗丹明B、荧光增白剂及荧光素钠三种示踪剂,而后对XK4井进行非稳定流抽水试验,抽水流量48192L/min,抽水时间为5468min。试验过程中采用DIVER三参数LTC(水位、电导率、温度)探头及人工观测记录试验过程中各井水位变化;GGUN2FL野外用荧光光度计监测示踪剂浓度。

抽水及微水试验求参

综合运用解析法及数值法确定多层含水系统的渗透系数,储水系数,弥散系数等水文地质参数。

1.解析法

1)第Ñ 含水组底部含水层:综合分析认为,第I含水组底部含水层抽水试验近似满足Theis井流假设条件:等厚、均质、各向同性、含水层侧向无限延伸。本次定流量抽水试验采用标准曲线对比法[1]及基于Thies公式的直线图解法[1]求解参数。直线图解法[1]求参过程如下:作出s2lgt直线,直线的斜率m=0150,截距s0=207。

2)第Ñ 含水组与第ò含水组之间弱透水层:微水试验是利用某种方式引起井中水位瞬时变化,通过观测井中水位恢复过程估算井附近含水层水文地质参数的方法。综合分析认为,弱透水层中微水试验近似满足Hvoslev模型及Cooper模型的假设条件:均质、各向同性、无限延伸;水流通过井孔时的水头损失可以忽略。本次微水试验利用Hvoslev模型[7]解析式和基于Cooper模型的标准曲线对比法求参。Hvoslev模型给出解析式(略)式中:Kr为弱透水层渗透系数;rc为钻孔套管半径;Re为微水试验的影响半径;rw为过滤管半径;B为含水层厚度;T0为滞后时间,即当动水头Ht与初始水头H0的比值等于01368时所对应的时间。XK2、XK3井中微水试验数据处理所用参数取值见表1。选取AquiferTest软件中的Cooper模型[8]拟合弱透水层微水试验,其拟合曲线见图2。

3)第ò含水组顶部含水层:合分析认为第ò含水组顶部含水层抽水试验近似满足第一类越流系统假定条件:均质、各向同性、无限延伸;弱透水层弹性储释水忽略不计;主含水层抽水期间相邻含水层水头不变。由抽水试验观测数据可知,抽水过程中有补给源对第ò含水组底部含水层进行补给,结合XK2和XK3井观测数据,进一步可以推断出该含水层有越流补给。本次定流量抽水试验采用基于第一类越流系统的Hantush2Jacob公式的拐点法及标准曲线对比法求解参数。

2.数值模拟识别

利用数值模拟软件FEFLOW建立多层含水系统模型模拟所进行的抽水试验,根据分层观测孔观测数据进行水文地质参数识别和校正。所建模型包括四层:把第含水组其他含水层划为模型的第一层,第含水组底部含水层为第二层,第I含水组与第ò含水组之间弱透水层为第三层,第ò含水组顶部含水层为第四层。模型的研究区域为以抽水井(XK4井)为中心,半径为1km均质、各向同性的圆形区域,采用井附近密集而向边界方向逐渐稀疏的不等间距网格剖分;模拟计算起点为抽水试验开始时刻;边界条件近似处理为定水头边界。分别选用XK2、XK4井观测数据进行拟合,经过识别和校正可得各层水文地质参数(见表2),含水层及弱透水层中观测孔数据拟合曲线见图4,含水层降深拟合误差在2m之内的占80%以上,其降深拟合度大于95%;弱透水层降深拟合误差值在0105m之内的占80%以上,其降深拟合度大于90%。

示踪试验求参数

XK4井抽水前在XK1、XK2及XK3井中分别投放罗丹明B、荧光增白剂及荧光素钠三种示踪剂。由于本次是初次示踪试验,为了防止下层监测不到示踪剂,示踪剂的投放量较大,因此该试验可以看成一维稳定流动一维弥散问题。各井示踪剂浓度变化见图5。由图5可知,在示踪试验过程中,在XK3井中监测到XK2井投放的荧光增白剂示踪剂;而在XK4井中也监测到XK2井投放的荧光增白剂及XK3井投放的荧光素钠示踪剂。此外在XK2、XK3及XK4井中均监测到XK1井投放的罗丹明B(初次试验,仪器准备不足,对罗丹明B取样监测,没有连续监测)。由此可知多层含水系统之间存在一定的水力联系,示踪剂通过一定途径进入下层含水层,结合抽水试验过程中XK3井及XK4井水位及电导率的观测可知,有较大水头差的条件下多层含水系统中上层咸水有下移补给下层淡水的趋势。近年来,由于深层淡水不断开采导致深层地下水位持续下降,浅层咸水层与深层淡水层间形成较大水头差,从而可能导致上层咸水向下迁移。#p#分页标题#e#

1.直线图解法

1)XK3井数据分析

根据XK3井荧光增白剂浓度监测数据,选择4259~5325min浓度上升及5325~6021min浓度下降两段来计算弥散参数;由式(2)计算X、Y其关系曲线见图6,R1=0100238,R2=010106;根据式(4)计算弥散参数见表3。

2)XK4井数据分析

根据图5XK4井示踪剂浓度监测数据,选择1777~2002min荧光增白剂浓度下降段及1822~2032min荧光素钠浓度下降段计算弥散系数;根据式(2)计算X、Y其关系曲线见图7,R1=010894,R2=010977;根据式(4)计算弱透水层弥散参数结果见表4。

2.等斜率法

根据等斜率法原理[15],XK3井选取4400~6000min段4组数据;XK4井选取3000~4000min段5组数据计算弥散参数,其计算结果见表5。

参数小结

本次研究中,利用直线图解法、拐点法、标准曲线对比法及数值法得到含水层水文地质参数;而利用解析公式法、标准曲线对比法、数值法得到了弱透水层的渗透系数,以上各种方法求参结果,如表6、7所示。对比不同方法得到的结果,可以看出,运用解析公式求取的渗透系数K比其它两种方法的结果偏大,这是因为微水试验影响半径Rw的选择具有一定的人为性。因此,选择第含水组与第ò含水组之间弱透水层渗透系数时,应根据标准曲线对比法及数值法确定,而弥散参数的选取则根据直线图解法及等斜率法确定。将前人对华北平原水文地质参数的研究结果与本次研究成果对比(见表8)后发现,前人主要是以含水层组为整体进行研究,这些含水层组由一系列小规模含水层2弱透水层组成,因此人们求出的参数是含水层组内部多个子含水层-弱透水层单元水文地质参数的综合反映。

而本次试验对象的单元是最小的含水层或弱透水层,其内部不再含有夹层。由表8可知,本试验中第含水组底部含水层所求的渗透系数及储水系数均落在前人研究成果范围之内;而所求的弱透水层渗透系数大于前人的研究结果,原因是所用处理方法不同:前人是利用在第含水组及第ò含水组进行抽水试验求参,而本文把弱透水层看作独立的一层,对其进行微水试验求参;弥散系数求解方法也不同,前人是利用室内土柱弥散试验求解,本文是利用野外示踪试验求解;本试验所求的第ò含水组顶部含水层参数比前人研究结果相差较大,原因是第ò含水组以中细砂为主,而其顶部含水层以粉砂为主。

结论

本文以华北平原中部咸淡水过渡带多层含水系统为研究对象,建立地下水水位2水质分层监测系统,利用多层含水系统分级系列抽水试验、微水试验及分层示踪试验观测数据联合求参。综合直线图解法、拐点法、标准曲线对比法及数值模拟识别法求得的多层含水系统的水文地质参数如下:第I含水组底部含水层渗透系数为41320~71550m/d,第II含水组顶部含水层渗透系数为01142~01929m/d,利用直线图解法及等斜率法求得的弱透水层的弥散系数为01023~01428m2/d,弥散度为01010~01051m。前人对该区水文地质参数研究大多以含水层组整体为对象进行研究,因此利用多层含水系统分层系列联合试验求参,为今后水文地质参数的研究提供了新思路,也为本地区开展浅层咸水运移规律研究提供了支持。(本文图、表略)

本文作者:李亚美 成建梅 崔莉红 路万里 单位: 中国地质大学( 武汉) 环境学院