濱海地區反稀釋法現場試驗研究

李月奇,陳 亮,文 磊,何健健,姚斌斌

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京，210098;2.河海大學，江蘇省巖土工程技術工程研究中心 江蘇 南京210098)

濱海地區反稀釋法現場試驗研究

李月奇1,2,陳 亮1,2,文 磊1,2,何健健1,2,姚斌斌1,2

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京，210098;2.河海大學，江蘇省巖土工程技術工程研究中心 江蘇 南京210098)

人工示蹤技術可較為準確地估算地下水滲透流速的大小，本文提出在地下水含鹽度較高的濱海地區利用淡水作為間接示蹤劑進行鉆孔內水體置換，通過電導率試驗采集電導數據并進行數據分析估算地下水滲透流速的大小，并推導了理想化條件下的地下水滲透流速的計算公式。在工程中進行了原位測試試驗，試驗結果表明該方法能較好的估算高鹽度濱海地區地下水滲透流速的大小。

濱海地區；地下水；反稀釋法；滲透流速；示蹤劑

地下水滲透流速是一個重要的水文地質參數 ，其在工程勘察、設計和施工的過程中起著重要的作用。人工示蹤技術可較為準確地估算地下水滲透流速的大小。自Drost,Moser建立同位素單井點稀釋定理計算地下水流速以后[1-2]，眾多學者在此基礎上進一步發展了示蹤測井技術， 并被廣泛應用于水文地質、工程勘察等領域， 解決了許多工程實踐問題。Sale等通過單井示蹤技術利用熒光劑作為示蹤劑解決了輕質非水相液體的地下滲透流速計算問題[3]。Pitrak等用鉆孔稀釋技術采用色素作為示蹤劑來標記流體柱進行地下水水平流速的測試計算，并通過實例證明了該技術的有效性和實用性[4]。陳建生等在此基礎上將垂向流統一考慮進去，提出了廣義稀釋模型，解決了原點稀釋理論的諸多缺陷，并運用于實際工程勘察和堤壩滲漏探測中，取得了良好的效果[5-12]。高正夏等介紹了利用同位素方法測試地下水的流速、流向的基本原理, 考慮到放射性同位素對環境的影響，目前主要使用食鹽溶液等代替放射性同位素作為示蹤劑進行單井示蹤試驗。濱海地區受海水入侵的影響，地下水含離子量很多，電導值很高，采用投放食鹽的方法已不再適用。本文通過理想模型理論分析和現場試驗相結合的方法，對濱海地區高電導值地下水的滲透流速測試方法進行了改進研究。

1 反稀釋模型理論推導

反稀釋基本模型示意圖如圖1所示，其中d為鉆孔直徑，h為被標記段水深度，Q為流入和流出鉆孔的流量，Cc(Nc)為地下水未進行洗孔置換水體前的離子濃度(電導值)，Ct(Nt)為t時刻被標記段水體的測試電導值。

1.1基本假設

1.2流速計算公式推導

對孔內標記段水體進行淡水置換后記起始濃度為Co，設經歷任意時刻t后標記段離子濃度為Ct，經歷一個短暫的微元間隔時間t，則標記段離子含量變化為：

從標記段本身考慮：

▽m=C(t+▽t)V-CtV

(1)

從水體流量守恒考慮：

▽m=-CtQ▽t+CcQ▽t

(2)

聯立(1)、(2)式，兩邊同除▽t以取極限可得：

(3)

(3)式分離變量兩邊積分后得：

(4)

其中const為一與初始條件相關的參數，代入初始條件t=0時Ct=0=C0解得const=Ln(Cc-C0)代入(4)式可得：

(5)

由物理知識有:

(6)

(6)式代入(5)得：

(7)

加上流場畸變矯正系數a可得[8]：

(8)

又由物理知識知Nt∞Ct，故得最終流速的反稀釋計算公式為：

(9)

2 現場試驗

2.1 測試區工程地質及水文地質條件概況

本次測試孔區域河網密布、溝渠交錯，有3條大型行洪河道穿境而過，11條主要干支渠分布其間，有面積24km2的大型水庫，水資源豐富。

現場試驗對三個鉆孔進行了測試，三個孔均為第四系的淺層孔，①測試孔GK1深度為19m，該孔取芯樣結果是0～2.4m為雜填土，2.4～4.8m為素填土，4.8～9.6m為粉質粘土，9.6～19m為粉細砂。②測試孔GK2深度為15m，該孔取芯樣結果是0～2.2m為雜填土，2.2～4.7m為素填土，4.7～9.2m為粉質粘土，9.2～15m為粉細砂。③測試孔GK3深度為17m，該孔取芯樣結果是0～2.5m為雜填土，2.5～5.0m為素填土，5.0～9.4m為粉質粘土，9.4～17m為粉細砂。成孔后下有孔徑75mm的透水性良好的鋼套管，測試用以確定淺層地下水的滲透流速大小。

2.2 測試方法

鉆孔用電導值1 600μs/cm左右的淡水,用大功率的汽油泵從孔底自下而上進行水體置換洗孔，洗孔的同時用DJS-1C電導電極探頭和配套的DDBJ-350電導率儀測試水體的電導值，以便判斷置換效果的好壞。GK1、GK2、GK3置換水體用水量分別為2、1.6、1.8m2。置換完畢待水位靜置恢復后開始電導率測試試驗，記錄各測試時間鉆孔各深度的電導值。

2.3 試驗結果與分析

經測試整理后得GK1孔各深度各時間點電導值如圖2所示，由圖可知該處地層測試深度范圍內5m以上為一個相對隔水層，5m以下為含水層；且無明顯垂向流。每條曲線的突變拐點隨著時間的推移逐漸向鉆孔表層移動，最終停止在含水層與相對隔水層的分界面。這是受電導率試驗時鉆孔內水位并未完全恢復影響的結果。

由公式(9)變形得：Ln|Nc-Nt|∞t 。對采集到的鉆孔電導數據處理按式上式進行線性擬合，得到擬合直線的斜率和可決系數R2,后者可用于度量曲線擬合優度，前者則用來計算地下水滲透流速大小。當曲線擬合優度較差時，應考慮偶然誤差的影響，剔除誤差較大的數據重新進行計算。經計算得該孔地下水滲透流速大小如圖2(b)所示，由圖分析可知，該測點地下水10m以下流速在3×10-6cm/s左右，10m以上受地表水影響大約在2×10-5cm/s左右。

同樣經測試整理后得GK2孔各深度各時間點電導值如圖3所示，由圖可知該處地層測試深度范圍內3m以上為一個相對隔水層，3m以下為含水層；且無明顯垂向流。每條曲線的突變拐點隨著時間的推移逐漸向鉆孔表層移動，最終停止在含水層與相對隔水層的分界面。該測點地下水10m以下流速在5×10-5cm/s左右，4～10m上受地表水影響大在3×10-4cm/s左右。

同樣經測試整理后得GK3孔各深度各時間點電導值如圖6所示，由圖可知該處地層測試深度范圍內3m以上為一個相對隔水層，3m以下為含水層；且無明顯垂向流。每條曲線的突變拐點隨著時間的推移逐漸向鉆孔表層移動，最終停止在含水層與相對隔水層的分界面。該測點地下水9m以下流速在9×10-5cm/s左右，4～10m上受地表水影響大在3×10-4cm/s左右。

由以上三孔試驗結果可知，計算結果與鉆孔芯樣的土層滲透流速的經驗值對比差別不大，說明該測試結果可信度較高，具有良好的工程適用性。

3 結論

1)現場實際情況與理想化模型之間存在差異，計算結果存在誤差，總體來說計算結果偏于保守。

2)測試結果與地層情況相吻合,該方法對高電導值地下水滲透流速測試具有良好的適應性。

3)成孔工藝，套管的選用，測試時間以及現場實際情況對測試有一定的影響，測試人員應綜合考慮。

[1]DROSTW.Groundwatermeasurementsbymeansofradioactivetracers[J].Atomenergiekerntechnik, 1986，48(2)：81-86.

[2]DROSTW,KLOTZD,KOCHA,etal.Pointdilutionmethodsofinvestigatinggroundwaterflowbymeansofradioisotopes[J].WaterResourcesResearch, 1968, 4(1): 125-146.

[3]SALET,TAYLORGR,ILTISG,etal.MeasurementofLNAPLflowusingsingle‐welltracerdilutiontechniques[J].Groundwater, 2007, 45(5): 569-578.

[4]PITRAKM,MARESS,KOBRM.Asimpleboreholedilutiontechniqueinmeasuringhorizontalgroundwaterflow[J].Groundwater, 2007, 45(1): 89-92.

[5]陳建生.同位素示蹤單井試驗研究[J].地下水, 1987.(2):19.

[6]陳建生.探測地下水參數的同位素示蹤儀及其應用[J].物理, 1989, 18(4):221-225.

[7]陳建生,董海洲.井中測定流速廣義示蹤稀釋物理模型[J].水利學報, 2002 (9): 100-107.

[8]鐘世英,陳建生, 叢波日, 等.廣義示蹤稀釋模型水平流速計算原理的再思考[J].中國水運:學術版, 2007,7(11)：126-128.

[9]葉合欣, 陳建生, 童海濱, 等.考慮示蹤劑彌散作用的滲透流速計算方法[J].水利學報, 2008, 39(2): 240-244.

[10]楊松堂, 陳建生.小浪底壩肩繞壩滲漏的綜合示蹤研究[J].西部探礦工程, 2003, 15(7): 1-3.

[11]杜國平, 陳建生. 同位素示蹤模擬地下水溶質運移速度的研究[J]. 地下水, 1995, 17(3): 121-123.

[12]高正夏, 徐軍海, 王建平,等.同位素技術測試地下水流速流向的原理及應用[J].河海大學學報: 自然科學版, 2004, 31(6): 655-658.

[13]韓慶之，陳 輝, 萬凱軍, 等. 武漢長江底鉆孔同位素單井法地下水流速, 流向測試[J].水文地質工程地質, 2003, 30(2): 74-76.

(責任編輯 李軍)

Field test study of anti - dilution method in coastal areas

LIYueqi1,2,CHENLiang1,2,WENLei1,2,HEJianjian1,2,YAOBinbin1,2

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,JiangsuNanjing210098,China. 2.JiangsuResearchCenterforGeomechanicsEngineeringTechnology,HohaiUniversity,JiangsuNanjing210098,China)

Groundwaterseepagevelocitycanbeaccuratelyestimatedbytracertechniques.ThefreshwaterwasusedasanindirecttracerinthecoastalareaofgroundwaterwithhighsalinitytotestGroundwaterseepagevelocitybyconductingtracertestandanalyzingthedatacollected.Andthen,theequationwasdeducted.Theexperimentalresultsshowthatthismethodcanestimatethegroundwaterseepageflowrateinhighsalinitycoastalarea.

anti-dilutionmethod;groundwater;seepageflowvelocity;tracer;coastalarea

1673-9469(2016)04-0047-04doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.011

2016-06-05

江蘇省自然科學基金資助項目(20155024511)；南京水利科學研究院開放基金資助項目(20155005712)

李月奇(1993-)，男，安徽阜陽人，碩士。研究方向為巖土工程。

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