2021-4-9 | 地质学论文
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。