楊章賢

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，安徽·合肥 230001）

20世紀(jì)80年代以來，我國(guó)諸多高校及科研院所為研究污染物在含水層中的運(yùn)移規(guī)律，在不同地區(qū)開展了大量地下水質(zhì)模擬試驗(yàn)與野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究工作，為地下水污染物運(yùn)移路徑的預(yù)測(cè)提供了參考數(shù)據(jù)。其中彌散系數(shù)研究，是研究污染物在地下水中運(yùn)移規(guī)律的重要內(nèi)容之一[1]。

淮南位于安徽省中部偏北，是我國(guó)重要的火力發(fā)電基地，因火力發(fā)電燃燒煤灰每年都有數(shù)量巨大的粉煤灰排放堆置，其中有害物質(zhì)在地表通過降水等溶濾滲入地下，對(duì)淺層地下水環(huán)境質(zhì)量形成威脅。本文以淮南市上窯鎮(zhèn)沿淮平原地區(qū)場(chǎng)地為例，以氯化鈉（NaCl）作為示蹤劑，通過野外徑向彌散試驗(yàn)，基于標(biāo)準(zhǔn)曲線配線法求解彌散系數(shù)，研究結(jié)果可為建立地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型和制訂有效的地下水污染防治措施提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

1.1 試驗(yàn)區(qū)位置

淮南市地處淮河中游，安徽省中北部，轄區(qū)東西最長(zhǎng)距離約103km，南北最長(zhǎng)距離約87km，總面積2585km2，全市戶籍人口為243萬人。市轄大通區(qū)、田家庵區(qū)、謝家集區(qū)、八公山區(qū)、潘集區(qū)5個(gè)轄區(qū)，鳳臺(tái)縣1個(gè)縣，1個(gè)社會(huì)發(fā)展綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)（毛集實(shí)驗(yàn)區(qū)），共7個(gè)縣級(jí)行政區(qū)；下設(shè)19個(gè)街道、32個(gè)鎮(zhèn)、14個(gè)鄉(xiāng)，共65個(gè)鄉(xiāng)級(jí)行政區(qū)；下設(shè)237個(gè)社區(qū)居民委員會(huì)、561個(gè)村民委員會(huì)?；茨鲜惺侵袊?guó)能源之都、華東工業(yè)之倉(cāng)、安徽省重要的工業(yè)城市。試驗(yàn)區(qū)位于淮南市區(qū)東北部，淮河南大堤?hào)|南、窯河西側(cè)，行政區(qū)劃隸屬于淮南市大通區(qū)上窯鎮(zhèn)（圖1）。

圖1 試驗(yàn)區(qū)交通位置圖Fig.1 The location of the area for the experiment

1.2 氣象水文

試驗(yàn)區(qū)地處亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)和暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)的過渡地帶，大致以淮河為界，南屬北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，北屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。多年平均氣溫15.2℃，多年平均降水量969mm，多年平均蒸發(fā)量為1646.05mm。試驗(yàn)區(qū)及其外圍均屬淮河水系，地表水體以淮河為主，次為窯河（高塘湖）和泥河。

1.3 地形地貌

試驗(yàn)區(qū)地處江淮波狀平原北部，區(qū)域地形總體西南高、東北低，自然地面標(biāo)高為16.3～24.2m，地貌類型為沖積平原，微地貌為河漫灘。

1.4 地層巖性

試驗(yàn)區(qū)為沿淮河泛濫帶，15m以淺分布地層主要為第四系全新統(tǒng)大墩組（Qhd）、第四系上更新統(tǒng)茆塘組（Qp3m），巖性為淺棕黃、灰黃色、灰色粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂。

1.5 水文地質(zhì)條件

試驗(yàn)區(qū)含水層類型為淺層孔隙潛水，主要賦存于第四系上更新統(tǒng)茆塘組（Qp3m）粉砂和粉土層中，含水層頂板埋深4.32～6.59m，底板埋深10.02～11.58m，含水砂層累計(jì)厚度1.30～6.63m，水力性質(zhì)為潛水，詳見圖2、圖3。單井涌水量多小于500m3/d，富水性弱—中等，地下水位埋深一般0.52～1.30m，水位年平均變幅0.5～1.5m。地下水中溶解性總固體小于1000mg/l，水化學(xué)類型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Na型為主。

圖2 試驗(yàn)區(qū)水文地質(zhì)平面圖Fig.2 The hydrogeological condition of the experiment area

圖3 試驗(yàn)區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig.3 The cross section of the experiment area

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)方法

（1）試驗(yàn)井布置

根據(jù)鉆探揭露的含水介質(zhì)類型及水動(dòng)力條件，此次試驗(yàn)共布置3個(gè)水文地質(zhì)井，分別為DK05井、DK06井和DK07井。三口井的鉆探深度均為15.00m，因下部為黏性土層或砂巖，因此成井深度略淺，但涵蓋了3口井的主要含水層，井底密封，含水層頂板至地表采用黏土球止水。試驗(yàn)井布置情況為：南側(cè)的DK05井為投源井，成井深度13.00m；西北側(cè)的DK07井為主流線上的觀測(cè)井，與投源井相距3.06m，成井深度13.00m；正北方向的DK06井為非主流線上的觀測(cè)井，與主井相距3.00m，與DK07井相距1.77m，成井深度13.10m（圖4）。

圖4 彌散試驗(yàn)井平面布置圖Fig.4 The locations of the wells for the dispersion experiment

（2）彌散試驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)采用氯化鈉（NaCl）作為示蹤劑，野外利用ClS-10型精密氯度計(jì)測(cè)定水樣Cl離子的變化情況。為避免干擾，試驗(yàn)過程中，每次測(cè)樣前采用蒸餾水清洗Cl離子濃度計(jì)三次。

試驗(yàn)開始前投源井DK05水位埋深為2.50m，監(jiān)測(cè)井DK06水位埋深為2.51m，抽水井DK07水位埋深為2.52m。隨后在DK07井以0.2m3/h（小流量）抽水使其形成局部穩(wěn)定的人工流場(chǎng)，此時(shí)DK07井（抽水）的地下水位埋深為2.90m，監(jiān)測(cè)井DK06水位埋深為2.67m，投源井DK05內(nèi)地下水位埋深為2.61m，抽水井和投源井水位差為0.29m，水力梯度9.5%。

彌散試驗(yàn)于7月31日下午15:00開始，試驗(yàn)前分別測(cè)得3個(gè)井中地下水Cl離子的背景濃度C0平均為35mg/L。試驗(yàn)開始后將1200g氯化鈉溶解后迅速注入DK05井，并快速攪拌使其混合均勻，取樣測(cè)得DK05投源井中Cl離子的初始濃度為5700mg/L，隨后按一定的時(shí)間間隔采樣測(cè)試各井中地下水Cl離子濃度。試驗(yàn)開始階段測(cè)試時(shí)間間隔為30min，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果逐步調(diào)整為60min。本次試驗(yàn)結(jié)束于8月3日下午18:00，試驗(yàn)時(shí)間共計(jì)4500 min，共測(cè)試水樣231組。

2.2 分析方法

（1）地下水彌散參數(shù)的計(jì)算

本次野外彌散試驗(yàn)場(chǎng)地可看作水平無限延伸等厚的二維地下水流場(chǎng)，其數(shù)學(xué)模型可視為瞬時(shí)點(diǎn)注入法測(cè)定彌散系數(shù)，則示蹤劑在地下水中運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型為：

初始條件：

邊界條件：

式中：C為在點(diǎn)（x，y）處t時(shí)刻示蹤劑濃度（mg/L），v為地下水實(shí)際平均流速（m/d），M為含水層中注入示蹤劑的質(zhì)量（g或mg），n為含水層有效孔隙度（或孔隙率），DL為縱向彌散系數(shù)（m2/d），DT為橫向彌散系數(shù)（m2/d）。

由于試驗(yàn)區(qū)地下水在含水層中處于流動(dòng)狀態(tài)，示蹤劑的彌散主要是隨地下水流的機(jī)械擴(kuò)散，分子擴(kuò)散可忽略不計(jì)，在此條件下DL、DT及上述定解問題可簡(jiǎn)化為：

其中：

式中：αL是縱向彌散度，αT是橫向彌散度，Cmax是濃度變化曲線的峰值，C0是示蹤劑的背景濃度。

（2）標(biāo)準(zhǔn)配線法

配線法是以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在一定的準(zhǔn)則下，將某次實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行擬合，而取得最優(yōu)參數(shù)的方法，在實(shí)際多年應(yīng)用中，配線法被認(rèn)為是一種能較好滿足水文頻率分析要求的估算方法。

本次試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)曲線配線法來求解彌散度。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)無因次化處理后，再與標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合，通過移動(dòng)兩曲線，直至實(shí)測(cè)的Cr-lgtr曲線與某一a值的標(biāo)準(zhǔn)曲線擬后至最佳。

3 分析與討論

3.1 彌散試驗(yàn)結(jié)果分析

本次彌散試驗(yàn)在抽水形成穩(wěn)定的人工流場(chǎng)后投入示蹤劑，由于示蹤劑注入時(shí)間相對(duì)于試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間很短，因此可以認(rèn)為是瞬時(shí)源。同時(shí)，由于所采用示蹤劑為氯化鈉（NaCl），因此在運(yùn)移過程中可不考慮吸附、降解等反應(yīng)。試驗(yàn)完成后，隨即對(duì)試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)及數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。各監(jiān)測(cè)井中Cl離子隨時(shí)間的變化過程如圖5所示。

圖5 觀測(cè)井彌散試驗(yàn)Cl-濃度—時(shí)間曲線Fig.5 The concentration of the chloride ions versus time in the observation wells

將試驗(yàn)井中不同時(shí)段實(shí)測(cè)濃度除以濃度峰值換算成無因次濃度Cr后，彌散試驗(yàn)無因次濃度—時(shí)間對(duì)數(shù)曲線，如圖6。通過配線確定a1值為40（DK07）、a2值為60（DK06），如圖7所示。

圖6 觀測(cè)井彌散試驗(yàn)無因次濃度—時(shí)間對(duì)數(shù)曲線Fig.6 The dimensionless concentration of chloride ion versus logarithmic time in the observation wells

圖7 現(xiàn)場(chǎng)彌散試驗(yàn)觀測(cè)孔標(biāo)準(zhǔn)曲線配線圖Fig.7 The fitting of the measured data and standard curve in the observation wells

3.2 彌散度計(jì)算

以投源井DK05為坐標(biāo)原點(diǎn)，DK05與抽水井DK07之間的連線為X軸，地下水流向?yàn)閄軸的正方向，與之垂直的方向?yàn)閅軸。據(jù)此測(cè)算DK07井坐標(biāo)：x1=3.06，y1=0；DK06井坐標(biāo)：x2=2.487，y2=1.678。由試驗(yàn)曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合可知（圖7），DK07井中Cl彌散曲線與a=40曲線擬合最佳，故a1=40；DK06井中Cl彌散曲線與a=60曲線擬合最佳，故a2=60。

將上述數(shù)值代入式(12)和式(13)求得縱向彌散度=0.077m，橫向彌散度=0.014m。

3.3 地下水流速計(jì)算

依據(jù)投源井中示蹤劑濃度的衰減速度可計(jì)算地下水滲流速度。公式如下：

式中：vf為滲透流速；r為投源鉆孔半徑；A為流場(chǎng)畸變校正系數(shù)，一般取0.5-2.0；N0為t=0時(shí)示蹤劑投放初始濃度；N為投放時(shí)間△t時(shí)刻示蹤劑濃度，n為含水層有效孔隙度。

本次彌散試驗(yàn)投源井直徑0.16m（半徑r為0.08m），有效孔隙度n為0.363，流場(chǎng)畸變校正系數(shù)A取1.5，將上述數(shù)值代入式(13)、式(14)，計(jì)算地下水平均滲流速度為0.118m/d，地下水平均流速為0.324m/d（表1）。

表1 不同時(shí)間地下水平均流速Table 1 The average flow rates of the groundwater at different time

3.4 地下水彌散系數(shù)計(jì)算

將試驗(yàn)求得的地下水縱向彌散度、橫向彌散度、地下水實(shí)際流速平均值等代入式(4)、式(5)，即可求得地下水縱向彌散系數(shù)為0.025m2/d，橫向彌散系數(shù)為0.005m2/d。

4 結(jié)論

（1）標(biāo)準(zhǔn)曲線配線法求解彌散參數(shù)方法簡(jiǎn)便，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，通用性較好。經(jīng)該方法求得淮南市上窯鎮(zhèn)沿淮平原地區(qū)場(chǎng)地地下水平均滲流速度為0.118m/d，地下水平均流速為0.324m/d；縱向彌散度αT=0.077m，橫向彌散度αL=0.014m；地下水縱向彌散系數(shù)為0.025m2/d，橫向彌散系數(shù)為0.005m2/d。

（2）平原區(qū)場(chǎng)地地下水水力梯度小，通過人工小流量抽水形成局部穩(wěn)定的人工流場(chǎng)，可有效縮短野外彌散試驗(yàn)時(shí)間，提高試驗(yàn)效率。