實(shí)驗(yàn)區(qū)概況及試驗(yàn)安排

1.試驗(yàn)區(qū)水文地質(zhì)概況

華北平原第四系含水組自上而下劃分為四個(gè)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(xì),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(wěn)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(tǒng)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(xì)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(xì)砂、亞砂土,礦化度較小,一般為淡水。

2.地下水水位2水質(zhì)分層監(jiān)測(cè)系

統(tǒng)本次試驗(yàn)是在衡水地下水科學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)新建立的地下水水位2水質(zhì)分層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。分層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)位于研究區(qū)咸淡水過渡帶,于2011年6月-7月在試驗(yàn)場(chǎng)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(jí)聯(lián)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

多層含水系統(tǒng)分層分級(jí)抽水試驗(yàn),是以多層含水系統(tǒng)為研究對(duì)象,利用地下水水位2水質(zhì)分層監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)該系統(tǒng)中含水層及弱透水層分別進(jìn)行抽水試驗(yàn)和微水試驗(yàn),觀測(cè)各分層觀測(cè)孔水位變化,利用觀測(cè)信息綜合確定多層含水系統(tǒng)的水文地質(zhì)參數(shù)。分層示蹤試驗(yàn)是在多層含水系統(tǒng)分級(jí)系列抽水試驗(yàn)過程中,于上部含水層投放示蹤劑,在下部含水層監(jiān)測(cè)示蹤劑濃度變化,分析計(jì)算各層彌散參數(shù)。本次分層分級(jí)聯(lián)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案如下。在XK1井進(jìn)行非穩(wěn)定流定流量抽水試驗(yàn),抽水流量為71167L/min,抽水時(shí)間為530min;待XK1及其他各井恢復(fù)到天然水位后,在XK2及XK3井依次進(jìn)行微水試驗(yàn),觀測(cè)時(shí)間分別為1280min和1322min。試驗(yàn)過程均采用DIVER三參數(shù)LTC(水位、電導(dǎo)率、溫度)探頭及人工觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)。待各井恢復(fù)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(duì)XK4井進(jìn)行非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn),抽水流量48192L/min,抽水時(shí)間為5468min。試驗(yàn)過程中采用DIVER三參數(shù)LTC(水位、電導(dǎo)率、溫度)探頭及人工觀測(cè)記錄試驗(yàn)過程中各井水位變化;GGUN2FL野外用熒光光度計(jì)監(jiān)測(cè)示蹤劑濃度。

抽水及微水試驗(yàn)求參

綜合運(yùn)用解析法及數(shù)值法確定多層含水系統(tǒng)的滲透系數(shù),儲(chǔ)水系數(shù),彌散系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)。

1.解析法

1)第Ñ 含水組底部含水層:綜合分析認(rèn)為,第I含水組底部含水層抽水試驗(yàn)近似滿足Theis井流假設(shè)條件:等厚、均質(zhì)、各向同性、含水層側(cè)向無限延伸。本次定流量抽水試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比法[1]及基于Thies公式的直線圖解法[1]求解參數(shù)。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(yàn)是利用某種方式引起井中水位瞬時(shí)變化,通過觀測(cè)井中水位恢復(fù)過程估算井附近含水層水文地質(zhì)參數(shù)的方法。綜合分析認(rèn)為,弱透水層中微水試驗(yàn)近似滿足Hvoslev模型及Cooper模型的假設(shè)條件:均質(zhì)、各向同性、無限延伸;水流通過井孔時(shí)的水頭損失可以忽略。本次微水試驗(yàn)利用Hvoslev模型[7]解析式和基于Cooper模型的標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)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(shù);rc為鉆孔套管半徑;Re為微水試驗(yàn)的影響半徑;rw為過濾管半徑;B為含水層厚度;T0為滯后時(shí)間,即當(dāng)動(dòng)水頭Ht與初始水頭H0的比值等于01368時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。XK2、XK3井中微水試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理所用參數(shù)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(yàn),其擬合曲線見圖2。

3)第ò含水組頂部含水層:合分析認(rèn)為第ò含水組頂部含水層抽水試驗(yàn)近似滿足第一類越流系統(tǒng)假定條件:均質(zhì)、各向同性、無限延伸;弱透水層彈性儲(chǔ)釋水忽略不計(jì);主含水層抽水期間相鄰含水層水頭不變。由抽水試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)可知,抽水過程中有補(bǔ)給源對(duì)第ò含水組底部含水層進(jìn)行補(bǔ)給,結(jié)合XK2和XK3井觀測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)一步可以推斷出該含水層有越流補(bǔ)給。本次定流量抽水試驗(yàn)采用基于第一類越流系統(tǒng)的Hantush2Jacob公式的拐點(diǎn)法及標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比法求解參數(shù)。

2.數(shù)值模擬識(shí)別

利用數(shù)值模擬軟件FEFLOW建立多層含水系統(tǒng)模型模擬所進(jìn)行的抽水試驗(yàn),根據(jù)分層觀測(cè)孔觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)識(shí)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(qū)域?yàn)橐猿樗?XK4井)為中心,半徑為1km均質(zhì)、各向同性的圓形區(qū)域,采用井附近密集而向邊界方向逐漸稀疏的不等間距網(wǎng)格剖分;模擬計(jì)算起點(diǎn)為抽水試驗(yàn)開始時(shí)刻;邊界條件近似處理為定水頭邊界。分別選用XK2、XK4井觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,經(jīng)過識(shí)別和校正可得各層水文地質(zhì)參數(shù)(見表2),含水層及弱透水層中觀測(cè)孔數(shù)據(jù)擬合曲線見圖4,含水層降深擬合誤差在2m之內(nèi)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(nèi)的占80%以上,其降深擬合度大于90%。

示蹤試驗(yàn)求參數(shù)

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(yàn),為了防止下層監(jiān)測(cè)不到示蹤劑,示蹤劑的投放量較大,因此該試驗(yàn)可以看成一維穩(wěn)定流動(dòng)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(yàn)過程中,在XK3井中監(jiān)測(cè)到XK2井投放的熒光增白劑示蹤劑;而在XK4井中也監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)到XK1井投放的羅丹明B(初次試驗(yàn),儀器準(zhǔn)備不足,對(duì)羅丹明B取樣監(jiān)測(cè),沒有連續(xù)監(jiān)測(cè))。由此可知多層含水系統(tǒng)之間存在一定的水力聯(lián)系,示蹤劑通過一定途徑進(jìn)入下層含水層,結(jié)合抽水試驗(yàn)過程中XK3井及XK4井水位及電導(dǎo)率的觀測(cè)可知,有較大水頭差的條件下多層含水系統(tǒng)中上層咸水有下移補(bǔ)給下層淡水的趨勢(shì)。近年來,由于深層淡水不斷開采導(dǎo)致深層地下水位持續(xù)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(dǎo)致上層咸水向下遷移。