實驗區概況及試驗安排

1.試驗區水文地質概況

華北平原第四系含水組自上而下劃分為四個含水組第含水組,底界埋深40~60m,含水層多為條帶狀分布,顆粒細,層間無良好的隔水層,透水性較好;第ò含水組底界埋深一般120~170m,有較穩定的隔水層,水頭有明顯的承壓性;第ó含水組,底界埋深250~350m;第含水組,底界埋深350~450m。本文研究的多層含水系統為第含水組底部含水層,第含水組與第ò含水組之間所夾弱透水層及第ò含水組頂部含水層(見圖1)。其中,第含水組底部含水層主要巖性為粉細砂及亞砂土,礦化度較高,一般為咸水;第含水組與第ò含水組間弱透水層巖性為亞砂土、亞黏土和黏土互層,隔水性較差,上部為咸水,下部為淡水;第ò含水組頂部含水層巖性為細砂、亞砂土,礦化度較小,一般為淡水。

2.地下水水位2水質分層監測系

統本次試驗是在衡水地下水科學試驗場新建立的地下水水位2水質分層監測系統的基礎上進行的。分層監測系統位于研究區咸淡水過渡帶,于2011年6月-7月在試驗場新打四口鉆井組成的,四口新打鉆井分別位于第含水組底部含水層(XK1)、第含水組第ò含水組之間弱透水層(XK2、XK3)及第ò含水組頂部含水層(XK4),其剖面及平面位置見圖1。

3.分層分級聯合現場試驗

多層含水系統分層分級抽水試驗,是以多層含水系統為研究對象,利用地下水水位2水質分層監測系統,對該系統中含水層及弱透水層分別進行抽水試驗和微水試驗,觀測各分層觀測孔水位變化,利用觀測信息綜合確定多層含水系統的水文地質參數。分層示蹤試驗是在多層含水系統分級系列抽水試驗過程中,于上部含水層投放示蹤劑,在下部含水層監測示蹤劑濃度變化,分析計算各層彌散參數。本次分層分級聯合現場試驗的設計方案如下。在XK1井進行非穩定流定流量抽水試驗,抽水流量為71167L/min,抽水時間為530min;待XK1及其他各井恢復到天然水位后,在XK2及XK3井依次進行微水試驗,觀測時間分別為1280min和1322min。試驗過程均采用DIVER三參數LTC(水位、電導率、溫度)探頭及人工觀測記錄數據。待各井恢復到天然水位后,在XK1、XK2及XK3井分別投放羅丹明B、熒光增白劑及熒光素鈉三種示蹤劑,而后對XK4井進行非穩定流抽水試驗,抽水流量48192L/min,抽水時間為5468min。試驗過程中采用DIVER三參數LTC(水位、電導率、溫度)探頭及人工觀測記錄試驗過程中各井水位變化;GGUN2FL野外用熒光光度計監測示蹤劑濃度。

抽水及微水試驗求參

綜合運用解析法及數值法確定多層含水系統的滲透系數,儲水系數,彌散系數等水文地質參數。

1.解析法

1)第Ñ 含水組底部含水層:綜合分析認為,第I含水組底部含水層抽水試驗近似滿足Theis井流假設條件:等厚、均質、各向同性、含水層側向無限延伸。本次定流量抽水試驗采用標準曲線對比法[1]及基于Thies公式的直線圖解法[1]求解參數。直線圖解法[1]求參過程如下:作出s2lgt直線,直線的斜率m=0150,截距s0=207。

2)第Ñ 含水組與第ò含水組之間弱透水層:微水試驗是利用某種方式引起井中水位瞬時變化,通過觀測井中水位恢復過程估算井附近含水層水文地質參數的方法。綜合分析認為,弱透水層中微水試驗近似滿足Hvoslev模型及Cooper模型的假設條件:均質、各向同性、無限延伸;水流通過井孔時的水頭損失可以忽略。本次微水試驗利用Hvoslev模型[7]解析式和基于Cooper模型的標準曲線對比法求參。Hvoslev模型給出解析式（略）式中:Kr為弱透水層滲透系數;rc為鉆孔套管半徑;Re為微水試驗的影響半徑;rw為過濾管半徑;B為含水層厚度;T0為滯后時間,即當動水頭Ht與初始水頭H0的比值等于01368時所對應的時間。XK2、XK3井中微水試驗數據處理所用參數取值見表1。選取AquiferTest軟件中的Cooper模型[8]擬合弱透水層微水試驗,其擬合曲線見圖2。

3)第ò含水組頂部含水層:合分析認為第ò含水組頂部含水層抽水試驗近似滿足第一類越流系統假定條件:均質、各向同性、無限延伸;弱透水層彈性儲釋水忽略不計;主含水層抽水期間相鄰含水層水頭不變。由抽水試驗觀測數據可知,抽水過程中有補給源對第ò含水組底部含水層進行補給,結合XK2和XK3井觀測數據,進一步可以推斷出該含水層有越流補給。本次定流量抽水試驗采用基于第一類越流系統的Hantush2Jacob公式的拐點法及標準曲線對比法求解參數。

2.數值模擬識別

利用數值模擬軟件FEFLOW建立多層含水系統模型模擬所進行的抽水試驗,根據分層觀測孔觀測數據進行水文地質參數識別和校正。所建模型包括四層:把第含水組其他含水層劃為模型的第一層,第含水組底部含水層為第二層,第I含水組與第ò含水組之間弱透水層為第三層,第ò含水組頂部含水層為第四層。模型的研究區域為以抽水井(XK4井)為中心,半徑為1km均質、各向同性的圓形區域,采用井附近密集而向邊界方向逐漸稀疏的不等間距網格剖分;模擬計算起點為抽水試驗開始時刻;邊界條件近似處理為定水頭邊界。分別選用XK2、XK4井觀測數據進行擬合,經過識別和校正可得各層水文地質參數(見表2),含水層及弱透水層中觀測孔數據擬合曲線見圖4,含水層降深擬合誤差在2m之內的占80%以上,其降深擬合度大于95%;弱透水層降深擬合誤差值在0105m之內的占80%以上,其降深擬合度大于90%。

示蹤試驗求參數

XK4井抽水前在XK1、XK2及XK3井中分別投放羅丹明B、熒光增白劑及熒光素鈉三種示蹤劑。由于本次是初次示蹤試驗,為了防止下層監測不到示蹤劑,示蹤劑的投放量較大,因此該試驗可以看成一維穩定流動一維彌散問題。各井示蹤劑濃度變化見圖5。由圖5可知,在示蹤試驗過程中,在XK3井中監測到XK2井投放的熒光增白劑示蹤劑;而在XK4井中也監測到XK2井投放的熒光增白劑及XK3井投放的熒光素鈉示蹤劑。此外在XK2、XK3及XK4井中均監測到XK1井投放的羅丹明B(初次試驗,儀器準備不足,對羅丹明B取樣監測,沒有連續監測)。由此可知多層含水系統之間存在一定的水力聯系,示蹤劑通過一定途徑進入下層含水層,結合抽水試驗過程中XK3井及XK4井水位及電導率的觀測可知,有較大水頭差的條件下多層含水系統中上層咸水有下移補給下層淡水的趨勢。近年來,由于深層淡水不斷開采導致深層地下水位持續下降,淺層咸水層與深層淡水層間形成較大水頭差,從而可能導致上層咸水向下遷移。