吉林省长山水源地主要含水层野外弥散试验研究

张小文　袁伟　王川

摘 要：地下水作为吉林长山镇的主要供水水源，其水质安全至关重要。而随着近些年人民生活水平的提高、工农业的发展、区内油田开采等人类活动的加剧，地下水污染问题变得越来越严峻。为保障长山水源地的正常运行以及周边人民的供水安全，本文开展了当地主要含水层（第四系潜水、第四系承压水以及新近系泰康组承压水）弥散试验，利用投源孔消散和观测孔接收两种方法计算弥散参数，并对不同含水层、不同试验方法的计算结果进行比对分析。结果表明：研究区承压含水层纵向弥散系数为0.095～0.127 m2/d，横向弥散系数0.012～0.083 m2/d;潜水含水层纵向弥散系数为0.323～0.419 m2/d，横向弥散系数0.073～0.168 m2/d。证实利用气压双栓塞可以有效解决承压含水层示踪剂投放和接收难度大的问题，并达到利用一套试验孔得到多层含水岩组弥散参数的目的。

关键词：弥散试验;承压含水层;长山水源地;气压栓塞

Abstract： Groundwater is used as the main source of water supply for Changshan Town， Jilin， which quality safety is of paramount importance. But in recent years， with the improvement of people's living standard， the development of industry and agriculture， and the intensification of human activities such as the exploitation of oilfields in the region， the problem of groundwater pollution has become increasingly serious. In order to ensure the normal operation of the Changshan water source and the safety of the water supply of the surrounding people， this article conducted dispersion tests of the main aquifers in the local area （Quaternary phreatic water， Quaternary confined water， and Tertiary confined water）. Two methods are used to calculate the dispersion parameters， and the calculation results of different aquifers and different test methods are compared and analyzed. The results show that the longitudinal dispersion coefficient of the confined aquifer in the study area is 0.095 ～ 0.127 m2/d， the lateral dispersion coefficient is 0.012 ～ 0.083 m2/d; the longitudinal dispersion coefficient of the phreatic aquifer is 0.323 ～ 0.419 m2/d， and the lateral dispersion coefficient is 0.073 ～ 0.168 m2/d. It is proved that the use of double air pressure embolism can effectively solve the problem of the difficulty of putting and receiving the tracer in the confined aquifer， and achieve the purpose of obtaining the dispersion parameters of the multi-layer aquifer using a set of test wells.

Keywords： dispersion test; confined aquifer; Changshan water source; air pressure embolism

0 引言

长山水源地位于吉林省前郭县长山镇内，主要开采第四系承压水以及新近系承压水，是长山镇及周边农村居民的主要饮用水来源。然而随着近些年工农业的发展和人类活动的增加，各种人类活动产生的污染物质直接或间接作用于地下水。周边油田开发过程中钻井封闭不严产生套外返水、石油运输和贮存过程中跑漏油现象、村外没有防渗处理的垃圾堆放点等，均对区内地下水水质造成严重威胁。为保障水源地的正常运行以及周边人民的供水安全，有必要对区内地下水进行溶质运移模拟研究（刘金锋，2017;张小文等，2018;Zhang et al.，2019）。

弥散试验作为揭示地下水溶质运移机理和获取弥散系数等参数的关键环节（蒋学敏等，2013），众多国内外学者对其试验方法、参数计算、示踪剂选择等方面做出了大量的有益探索（Sauty，1980;Dai et al.，2004a;张嘉等，2010;Rolle et al.，2012;罗奇斌等，2015），在很大程度上帮助了决策者进行地下水污染防控措施的制定，但仍然遗留了一些问题需要我们继续深入研究：1）承压含水层中地下水由于水量充足、交替缓慢、具有承压性，弥散示踪剂投放和接收难度较大，相关研究较少。有关学者利用传统分级成井方法进行承压含水层的弥散试验，成本较高、操作复杂，且示踪剂投放效果没有得到根本改善。2）受人类不合理开发地下水和野外条件的复杂性影响，区域地下水整体流向往往跟试验场地局部流向有所差异，试验孔布设及弥散参数计算方法选择的微小差异可能导致试验结果的大相径庭。相关学者抽水制造人工流场进行弥散试验的方法避免了这个问题，但是对水力梯度较低的天然流场下的弥散试验，此问题未得到有效解决（吕贤弼等，1990;袁伟等，2019）。基于此，本文以吉林长山水源地为例，利用气压双栓塞法开展了当地主要含水层（第四系潜水、第四系承压水以及新近系泰康组承压水）弥散试验，从投源孔消散和观測孔接收情况两个角度获取了可靠的弥散参数。一定程度上解决了承压含水层示踪剂投放和接收难度大的问题，并达到利用单个试验孔得到多个含水层弥散参数的目的，大大节约了时间、经费成本，也为下一步模拟污染物在地下水中的运移状况、合理规划管理当地水资源提供技术支持。

1 研究区概况与试验方法

1.1 研究区概况

长山镇地处松嫩河谷平原，位于吉林省松原市前郭尔罗斯蒙古族自治县，始建于1980年，下辖6个行政村，全镇人口近5万人。在研究区北侧嫩江由西向东流过，并与研究区东侧由南而向北流的第二松花江汇合，形成松花江。 区内交通便利，为连接东北三省和内蒙古地区的重要交通枢纽和物流中心，便利的交通条件也为该地区经济的发展提供了可靠的保证，长山热电厂、长山化肥厂、吉林油田新立采油厂三大中省直企业坐落在镇区之内。交通位置见图1a。

研究区地处冲积、湖积平原区，自新生代以来，受构造运动的影响持续沉降，沉积了巨厚的新生界沉积层，为地下水赋存提供了有利条件。区内主要含水岩组：一为新近系大安组含水岩组，主要由砂岩、砂砾岩组成，顶板高程-10～-80 m，该含水岩组是区内新近系碎屑岩类裂隙孔隙水主要含水岩组，但受设备限制本次钻探未钻入此层;二为新近系泰康组含水岩组，含水层顶板高程10～80 m，层厚10～90 m;三为第四系白土山组、荒山组、顾乡屯组冲湖积含水岩组，含水层顶板埋深30～60 m。区域隔水层主要为新近系泥岩、泥质粉砂岩和第四系淤泥质黏土、粉质黏土分别组成的相对隔水层。地下水的补给、径流和排泄条件受气象、水文、地质、地貌和人为因素的控制，其中大气降水入渗是地下水最主要的补给来源，地下水接受补给后，由高向低径流，总体上为长山镇呈北北东向嫩江一带径流，地下水除径流排泄外，区内居民生活、生产用水所需的人工开采是地下水的主要排泄方式。根据收集资料及本次调查结果，长山水源地地下水开采至今已有33年，开采历史长、开采量大，已导致区内地下水水位迅速下降，出现明显的降落漏斗。

弥散场地位于长山镇西库里村南部，处于水源地长期开采导致的降落漏斗内部，地下水流向与区域整体流向不同，区域地下水流向自南向北往嫩江一带径流，弥散场地地下水流向由北向南往长山水源井方向径流。因此布设SK1、SK2、SK3孔与长山水源地水源井处于一条直线上，此为地下水主径流方向，用于观测纵向弥散，在侧向布设SK4用来观测横向弥散，共4口井孔用于试验。综合考虑研究区开采现状以及各孔水位等情况（表1），选择SK2号钻孔投放示踪剂作为投源井，SK1、SK3、SK4作为观测孔，现场钻孔布置如图1b，弥散场地水文地质剖面见图2，弥散试验各钻孔参数见表1 。

1.2 示踪剂类型及投放量的确定

理想的示踪剂应该满足以下条件：无毒或毒性很小，试验浓度不会危害人体健康;灵敏度较高，检测方便;在一定的时空范围，具有化学稳定性;价格便宜容易获得等。因此本文选用食盐（NaCl）作为示踪剂，模拟溶质的运移情况。示踪剂投放量参考相关文献（陈崇希等，1996;Dai et al.，2004b;云智汉，2014），选用了考虑因子较多的计算公式进行估算。以投源井为中心，最大井间距离为半径，计算示踪剂投放量的公式为：

G=π*R2*H*α*β*Cp

式中：R为影响半径，m;H为含水层厚度，m;α为分散常数因子，一般为0.0153;β为优势流浓度修正系数，0.1;Cp为示踪剂峰值浓度，mg/L（取示踪剂本底值的100倍）。

结合区域资料，含水层厚度一般为3～50 m，本次计算取50 m，氯离子含量约为20～150 mg/L，故示踪剂最大峰值浓度取本底值的100倍为15000 mg/L，观测井与投源井最大距离H为7.02 m，将上述参数带入公式得出示踪剂的投放量为177.6 kg，为保证能够观测到明显的浓度变化，并结合以往的试验经验，确定本次弥散试验每层投放示踪剂量为200 kg。

1.3 试验原理及方法

本次弥散试验采用一孔投源、多孔观测的试验方法，试验前，检验各孔成井质量、止水效果，统一测定场内各孔静止水位、电导率背景值，校核试验仪器设备，然后将食盐溶解配制成高浓度NaCl溶液，采用瞬时投入法（10 min内）投入目的含水层中。为解决承压含水层水头过高、示踪剂难以完全投入到目的含水层的难题，本次试验采用气压栓塞将目的含水层封隔，再将示踪剂通过压力泵完全注入目的含水层，试验装置运行如图3所示。在单个试验孔中，揭穿所有目的含水层，对应的含水层安置滤水管，隔水层安置实管，进行不同含水层弥散试验时，采用气压栓塞隔断目的含水层与其他层位间的水力联系，在目的含水层位进行弥散试验，这样无需在做不同含水层弥散试验时重新成井，节省了大量的人力物力。

本次试验根据监测地下水中电导率变化代替NaCl浓度变化，监测设备采用加拿大Solinst公司生产的LTC Levelogger EDGE 三参数（温度、水位、电导率）地下水自动记录仪。示踪剂投放后，采用LTC记录仪监测投源孔及各个观测孔的电导率变化，监测频率设定为5 min，监测深度与投放示踪剂的深度保持一致，现场试验直到投源孔电导率恢复背景值、观测孔中电导率从起始值达到峰值并且逐渐降低到初始值即终止试验。最后减去场地电导率背景值，通过室内测定的地下水电导率值与NaCl浓度的关系，将电导率值换算成浓度值进行下一步的弥散参数计算。

1.4 弥散参数计算

该弥散试验为瞬时点状注入示踪剂的二维弥散问题。设在平面上无界的均质等厚各向同性含水层中存在着达西速度q=nu的均匀流动，我们取平面为xy平面，并使x轴方向与流速方向一致;t=0时在原点处瞬时注入质量为M的示踪剂，单位厚度内注入的质量为m，注后即停，从而发生了二维弥散。则天然流场条件下的二维弥散试验，该数学模型可表述为（Shuwei et al.，2013;於红等，2016）：

2 试验结果

本次弥散试验均在天然流场条件下进行，在每层弥散试验过程中，各孔均采用气压栓塞封隔目标含水层进行示踪剂的投放及浓度变化的观测。2019年7月2日开始新近系泰康组承压含水层弥散试验，历经36 d在观测孔SK3中达到浓度峰值。2019年8月10日开始第四系潜水含水层弥散试验，历时19 d，观测到主径流方向SK03孔中电导率的完整波動，横向SK4号孔中达到浓度峰值。2019年8月29日开始第四系承压水试验，历经33 d在观测孔SK3中达到浓度峰值，同时观测到SK4号孔新近系泰康组承压含水层出现电导率高值。下面利用观测结果进行分析计算各层水动力弥散参数。

2.1 第四系潜水含水层

弥散试验场地第四系潜水含水层主要为上更新统顾乡屯组冲积层，岩性为细砂、粉细砂，结合区内钻孔资料及抽水试验等成果，含水层厚度取T=3 m，孔隙度取n=0.3，投盐量M=200 kg，渗透系数取K=18 m/d，水力梯度I=0.011。则可根据达西定律计算地下水流速，也可根据投源孔到主径流方向观测孔距离和示踪剂从投源孔到观测孔的时间（一般选取观测孔中示踪剂初值与峰值出现时间的中间值）近似估算流速，得到地下水流速u=0.63 m/d。

从投源孔示踪剂消散情况来看（图4），40 h之后SK2号孔地下水电导率基本恢复至背景值，通过室内试验测得的LTC 探头测定下NaCl溶液浓度与电导率的关系曲线，则可以换算出相应时刻下示踪剂溶液的浓度值。即可根据投源孔的消散情况得到Ln（C（t）×t）-t关系（图5），由于试验初受人为干扰较大，不能反映真实的含水层消散情况，因此本次研究对4 h之后的数据曲线利用SPSS进行线性回归分析，拟合结果F（t）=4.617-0.2442 t，结合含水层基本参数，由公式（4）可得纵向弥散系数DL=0.419 m2/d，横向弥散系数DT=0.073 m2/d。

另一方面从观测孔接收情况来看，观测到主径流方向SK03号孔电导率176 h后升高至峰值，400 h后基本降至背景浓度，考虑到时间成本，观测到横向SK04号孔电导率升高至峰值即停止本次潜水含水层弥散试验，对SK04号孔电导率由峰值降至背景的曲线进行人工拟合。绘制各观测孔电导率浓度变化曲线，见图6。

根据试验资料，SK03孔在第176 h达到电导率峰值954.1 us/cm，根据观测到的SK03孔电导率-时间数据资料，计算X、Y值，结合 SPSS数据回归分析得到斜率R值。其中，SK02孔与SK03孔距离x=4.76 m;tm=176 h=7.33 d;R=0.192，则有：纵向弥散系数

2.2 第四系承压含水层

弥散试验场地第四系承压含水层主要为下更新统粗砂、中粗砂，结合区内钻孔资料及抽水试验等成果，含水层厚度取T=20 m，孔隙度取n=0.3，投盐M=200 kg，渗透系数取K=40 m/d，水力梯度I=0.002。结合投源孔与主径流方向观测孔距离及观测孔中盐浓度峰值到达时间近似得到地下水流速u=0.28 m/d。

根据投源孔的消散情况（图7），得到Ln（C（t）×t）-t关系（图8），结合含水层基本参数，由公式（4）可得DL=0.097，DT=0.012。

另一方面从观测孔接收情况来看，历经33 d在观测孔SK03中达到浓度峰值，绘制了观测孔电导率浓度变化曲线，见图9。

根据试验资料，SK03孔在第870 h达到电导率峰值821.9 us/cm，SK02孔与SK03孔距离x=4.76 m;tm=798 h=33.25 d;R=0.024，则有：

在弥散试验期间，横向观测孔SK04的电导率未发生明显变化，即没有观测到横向弥散引起的电导率变化，根据前人弥散试验成果以及经验判断，场地横向弥散系数取值大致应为纵向弥散系数的1/5，即横向弥散系数DT经验推断值为0.215 m2/d。

2.3 新近系承压含水层

弥散试验场地第四系承压含水层主要为泰康组粗砂、中粗砂，结合区内钻孔资料及抽水试验等成果，含水层厚度取T=50 m，孔隙度取n=0.3，投盐M=200 kg，渗透系数取K=44 m/d，水力梯度I=0.002。结合投源孔与主径流方向观测孔距离及观测孔中盐浓度峰值到达时间近似得到地下水流速u=0.308 m/d。试验过程中持续观测SK2投盐孔的电导率变化情况，见图10。

则根据投源孔的消散情况，得到Ln（C（t）×t）-t关系（图11），结合含水层基本参数，由公式（4）可得DL=0.127，DT=0.018。

另一方面從观测孔接收情况来看，历经36 d在观测孔SK03中达到浓度峰值。此外在9月30日对第四系承压含水层弥散试验做完后，进行了各观测孔各层位电导率观测，发现SK04号孔新近系泰康组承压含水层出现电导率高值，持续观测发现有电导率降低趋势，近似认为80 d时横向观测孔SK04达到浓度峰值。绘制观测孔电导率浓度变化曲线，见图12。

根据试验资料，SK03孔在第870 h达到电导率峰值796.2 us/cm，SK02孔与SK03孔距离x=4.76 m;tm=870 h=36.25 d;R=0.0156，则有：DL=0.1008 m2/d。

根据SK04号孔数据计算横向弥散系数，SK04孔坐标为（4.54，5.35），tm=80 d，则有：

2.4 计算方法及结果对比

投源孔消散法仅需要一个井孔即可确定弥散参数，有着钻孔成本低、试验耗时短、计算过程简便等优点。但必须查明场地内水文地质条件，明确含水层厚度、地下水实际流速及有效孔隙度等参数，且投源井要求为完整井，井孔直径尽可能小，在较大井径情况下，计算模型假设条件不成立，所得弥散参数与真值偏差较大。

观测孔接收法利用投源孔投放示踪剂，多个观测孔进行观测，可利用多种参数求解方法计算出较可靠的弥散参数和地下水流速。但在水力坡度较小、水流方向不明的情况下试验较难进行;此外，为同时测定纵向弥散参数和横向弥散参数，需要在不同方向设置钻孔，试验难度与试验成本较高。

整理两种方法计算的区内各含水层弥散参数（表2），对比发现：

（1）利用投源孔消散法计算得到的纵向弥散系数（DL）大于观测孔接收法计算所得，而横向弥散系数（DT）明显有投源孔消散法小于观测孔接收法的现象，即投源孔消散法计算得到DL/DT值明显大于观测孔接受法所得。这主要由于地下水流向影响，所布设的钻孔方向与场地内地下水流向有一定偏差。为保证弥散试验的精度，观测孔应严格位于地下水流向上，否则将因观测孔偏离流向而使计算结果产生较大误差。有研究表明，当观测孔与流向夹角为7°时，其观测浓度仅为流向上观测浓度的40 %左右，由此求得的弥散系数的误差可达到10 %左右，当观测孔与流向夹角为14°时，弥散系数的误差可达到30 %（Dai et al.，2007;徐玉佩，1993;杨奇越，2018）。而计算所得的纵向弥散系数偏小，横向弥散系数偏大，说明SK2至SK3方向与地下水径流方向并非完全重合，正确的地下水主径流方向应为SK2至SK3与SK4中间某点的方向。

潜水含水层弥散系数整体大于承压含水层，第四系承压含水层和新近系承压水含水层弥散系数相差不大，两种方法得到的地下水流速也显示出潜水大于承压水的现象。结合研究区水文地质资料，潜水含水层埋藏浅、厚度小，地下水循环交替相对较快，示踪剂更快到达观测孔，且示踪剂浓度也明显高于承压水。反之，承压含水层厚度大、水力梯度小、径流交替缓慢，弥散系数较小，因而投放相同质量的示踪剂，到达观测孔中用时更长且浓度更低，甚至出现第四系承压水实验中横向观测孔未观测到示踪剂的现象。

3 结论

（1）本次弥散试验采用气压栓塞将目的含水层封隔进行示踪剂的投放和浓度观测，有效的解决了承压含水层示踪剂投放和接收难度大的问题，并利用一套试验孔得到多层含水岩组弥散参数，节省了大量的人力物力。计算结果表明：研究区承压含水层纵向弥散系数为0.095～0.127 m2/d，横向弥散系数0.012～0.083 m2/d;潜水含水层纵向弥散系数为0.323～0.419 m2/d，横向弥散系数0.073～0.168 m2/d。

（2）不同含水层弥散试验结果表明：研究区潜水含水层弥散系数整体大于承压含水层，投放相同质量的示踪剂，相较于潜水含水层，承压水试验中示踪剂到达观测孔中用时更长且观测到的浓度更低。野外弥散试验时，不同水文地质条件下投放示踪剂的质量、观测孔与投源孔的距离也应不同，含水层厚度大、水径流交替慢则对应投放更多量的示踪剂，以及布设更近的观测井。

（3）不同方法计算弥散参数结果表明：投源孔消散法须满足明确场地内水文地质参数、井孔直径尽可能小等条件，而观测孔接收法在水力坡度较小、水流方向不明的情况下试验较难进行，由于本次试验布设的钻孔与地下水流向有所偏差，投源孔消散法計算得到的DL/DT值明显大于观测孔接受法计算结果。

参考文献：

陈崇希，李国敏，1996. 地下水溶质运移理论及模型[M]. 武汉地质学院出版社.

蒋学敏，邵景力，张兆吉，等，2013. 地下水水动力弥散系数的野外试验研究：以内蒙古某矿区为例[J]. 干旱区资源与环境，27（10）：176-180.

刘金锋，2017. 吉林市城区饮用水地下水应急水源地的研究[D].长春： 吉林大学.

罗奇斌，康卫东，郭康，等，2015. 西宁市贵德县河滨公园林场第四系含水层弥散试验研究[J]. 现代地质，29 （2）：245-251.

吕贤弼，刘兆昌，王君连，等，1990. 天然和人工叠加流场下弥散试验研究[J]. 环境科学学报，10（1）：27-35.

钱会，马致远，李培月，2012. 水文地球化学[M]. 2版.北京：地质出版社.

王运国，毕春玲，高秀清，1991. 地下水水动力弥散问题中弥散度的单孔确定方法研究[J]. 吉林地质（2）：50-60.

徐玉佩，1993. 水动力弥散系数野外试验方法的初步研究[J]. 武汉水利电力大学学报（3）：276-284.

杨奇越，2018. 几种含水层弥散参数求解方法的对比研究[D]. 西安：长安大学.

於红，郭康，罗奇斌，等，2016. 定边东北部潜水含水层野外弥散试验[J]. 环境化学，35（3）： 575-580.

袁伟，云智汉，2019. 承压含水层野外弥散试验实施方法研究：以吉林某水源地为例[J]. 城市地质，14（3）：74-80.

云智汉，2014. 深层孔隙型热储地热尾水回灌堵塞机理及示踪技术研究：以咸阳回灌二号井为例[D]. 西安：长安大学.

张嘉，王明玉，2010. 纵向弥散作用与渗透介质非均质性定量关系的模拟研究[J]. 地学前缘，17（6）：152-158.

张小文，何江涛，刘丹丹，等，2018. 滹沱河冲洪积扇浅层地下水水质外界胁迫作用分析[J]. 水文地质工程地质，45（5）：48-56.

Dai Z， Ritzi R W， Huang C， et al.， 2004a. Transport in heterogeneous sediments with multimodal conductivity and hierarchical organization across scales[J]. Journal of Hydrology， 294（1）： 68-86.

Dai Z， Samper J， 2004b. Inverse problem of multicomponent reactive chemical transport in porous media： Formulation and applications[J]. Water Resources Research， 40（7）： 294-295.

Dai Z， Wolfsberg A， Lu Z， et al.， 2007. Upscaling matrix diffusion coefficients for heterogeneous fractured rocks[J]. Geophysical Research Letters， 34（7）： L07408.

Rolle M， Hochstetler D， Chiogna G， et al.， 2012. Experimental Investigation and Pore-Scale Modeling Interpretation of Compound-Specific Transverse Dispersion in Porous Media[J]. Transport in Porous Media， 93（3）： 347-362.

Sauty J， 1980. An analysis of hydrodispersive transfer in aquifers[J]. Water Resources Research， 16（1）： 145-158.

Shuwei Q， Xiujuan L， Changlai X， et al.， 2013. Solving for Dispersivity in Field Dispersion Test of Unsteady Flow in Mixing Flow Field： Mass Transport Modeling[J]. Procedia Earth and Planetary Science， 7（Complete）： 709-712.

Zhang X， He J， He B， et al.， 2019. Assessment， formation mechanism， and different source contributions of dissolved salt pollution in the shallow groundwater of Hutuo River alluvial-pluvial fan in the North China Plain[J]. Environmental Science & Pollution Research， 26（35）： 35742-35756.