完整单井与分层单井在上海某典型水文地质条件下的抽提影响半径探究

摘要：选取上海某典型场地开展了地下水抽提影响半径探究，根据场地的实际地质特征，设计了完整单井和分层单井，并利用地下水模拟软件构建了场地水流模型，确定了两种抽提井的适用范围，为类似地区地下水抽提处理技术提供重要技术支撑。

关键词：完整单井;分层单井;影响半径

中图分类号：P641 文献标识码：A 文章编号：1674-9944 （2020） 2-0196-04

1 引言

目前异位抽提处理技术已被广泛应用于污染地下水。抽提处理技术的主要原理是真空泵产生高强度负压，通过抽提管道将地下污染区域内地下水及非水相液态污染物推动至地面储存单元中，再对混合物进行处理。该技术是根据污染羽的分布，设计抽提井的位置、深度和滤水管长度[1]。如今应用的抽提井多为完整井，即抽提井的滤水管贯穿各个岩性土层，这种布设方法忽略了地层的非均质性以及不同渗透系数，在此情况下布设的井群可能出现井间距较大或较小，最终导致地下水抽提井建设数量较多或不足。抽提井的影响半径明显受到场地的地层特征影响，如非均质性、渗透系数、含水层厚度等[2，3]。所以从实际地质特征出发，提出了分层单井的构想，即将完整井按照不同岩性分隔成两个或两个以上不连通的抽提井（纵向呈现上下独立结构），用以探究其在不同岩性含水层中的影响半径，从而达到精准化建设抽提井的目的，并降低建设成本。本研究以上海某机械厂场地潜层地下水为研究对象，在获取该场地相关水文地质参数基础上，利用GMS软件中的MODF-LOW模块，探究完整单井和分层单井两种情况下对潜层地下水的抽提影响半径。

2 试验项目介绍

场地位于滨海堆积平原上，场内中山北路以南原古河道地区地势较低，地面高程一般在3.4 m以下，中偏北部地区地势居中，地面高程一般约3. 3～3.7 m间。场地所在区域7～8月平均降水量约占年平均降水量33%，夏季平均降水量占年降水量50%以上。10～11月降水较少，一般年份秋季平均降水量仅占年降水量7%，冬季平均降水量占年降水量20%。年平均降水量

场地区域内浅部为潜水含水层，其地层特征为：O～3.3 m为杂填土，0.5～5.O m为素填土，2.3～9.3 m为粉质粘土夹粘质粉土，局部夹粘土、砂质粉土、淤泥质粉质粘土。区域内浅层潜水含水层主要补给来源为大气降水和地表水，随着季节、气候、降水量、潮汐等影响而变化。根据潜水水位测量结果可知，测量期间场地潜水水位埋深为0. 5～2.0 m，自西北向东南流动的趋势。

3 场地水文地质模型建立

3.1 地下水水流理论模型

地下水水流模拟可由常用软件GMS建立，GMS中的MODFLOW模块可以提供模拟优化模型所需的水头。根据地下水均衡原理和达西定律，结合对研究区的水文地质条件以及初始水头、边界条件，可建立三维潜水含水层地下非稳定流数学模型：

3.2 模型校验

通过专业软件建立的场地水流模型需要经过校验后才能确保其与实际情况的吻合程度，拟合率在许可范围内才能表达真实的地下水流机制[4]。由于从项目水文地质条件的分析到构建场地地下水流模型的整个过程需要进行多种概化处理，重要参数指标（如降雨入渗、渗透系数、水头边界等）采取区域量化处理，大多数采用宏观处理，缺少细致个别处置设定（场地地质构造异变、地下水位近期变化等），这些不确定性因素会导致模型只能在宏观上表达场地内水流情況，还不能精准预测，完全真实地反应场地的地下水运动。因此，本次采取反复调参，最终实现水流模型与实际监测结果最优重合。运用软件自带的校验模块，同时结合本项目的现场监测井数据，对构建的水流模型进行自动反复反演参数;当模拟结果处于实际监测数据的置信区间内，终止模型校验，确定最佳参数[5-9]。

3.3 含水层结构概化

调查区域内的水文地质条件比较清晰，根据现场踏勘及现场钻孔采样记录可知，地表以下19.1 m内的地质分层分别为填土、粉质粘土、砂质粉土、淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土和粘土，场地地层概化结果见表1，下部有较厚的粘性土隔水层。

综合考虑了评价区所在地水文地质条件等实际情况，采用规则网格、重点区域加密剖分的方法，网格分辨率为2～10.0 m。垂向上则根据不同的岩性、非饱和带/饱和带及污染物在垂向上的分布特征等进行剖分，因此该区域进行加密剖分，网格分辨率为0. 6～1.2 m，地下3m以内网格分辨率一般不大于2m，垂向上共剖分10个模型层。

3.4 模型基本参数

根据项目所在区域水文地质资料及参考相关文献，并根据现场地层钻探以及野外抽水实验结果，得到评价区水文地质参数赋值情况如表2所示。

3.5 初始条件

结合场地内84口地下水监测井处所测得的地面标高及监测的水位标高记录可知，调查场地内的地表高程为西北高、东南低，潜水水位标高在2. 8～3.3 m之间，水流方向为东南方向，水力坡度约0. 0004，水流缓慢，可以看出潜水位基本与地形相一致。

根据达西定律求得各岩层地下水流速，粉质粘土层、砂质粉土层、淤泥质粉质粘土层的地下水流速分别为1. 552×10^-12m/s、9.040×10^-10m/s、8.760×10^-12m/S。

3.6 边界条件

四周边界：模型四周近似认为是相对独立的水文地质单元，故四周边界设为定水头边界。

顶底边界：上部计算边界是地表面。由于计算区潜水含水层与第一承压含水层之间有较厚粘性土隔水层，层间基本无水力联系，本课题关心的只是潜水含水层，故将计算区内潜水含水层下稳定的隔水底板作为模拟计算的下部边界。

4 完整单井与分层单井的影响半径

对研究场地潜层地下水构建完水流模型，并进行模型验证，最终得到与实际情况相对吻合的场地水流模型。在此基础上，课题组开展了完整单井方式和分层单井方式下不同地层中地下水的有效影响半径。

4.1 完整单井方式

完整单井的滤水管开设范围为2. 85～-2.85 m，分布在填土层、粉质粘土层和砂质粉土层中（图2）。研究过程中将地层整体上进行了概化处理，即从上而下分为粘性土层和砂质粉土层，粘性土层分布范围为3. 87～0. 75 m，砂质粉土层分布范围为0.75～-3.3 m。

实验设计了一系列抽提速率（0.5 m3/d，1 m3/d，2m3 /d），探究不同抽提速率条件下场地内潜水水位变化情况。当单井抽提速率为0.5 m3/d时，粘性土层（填土层和粉质粘土层）和砂质粉土层中水位在30 d和90 d的变化情况，如图3所示。

同上实验，进行了一系列抽提速率的实验研究，得到不同抽提速率下单井对各岩性地层中水位的有效影响半径结果（有效影响半径为水位降差为0.1 m时，抽提井的影响距离），见表3。

结果表明，抽提速率从0.5 m3/d，1 m3/d到2 m3/d过程中，对粘性土层中地下水的有效影响半径变化较小（分别是2.5 m，3m和3.8 m），对砂质粉土层中地下水的有效影响半径变化呈逐渐增大（19.5 m，51.6 m和98m）。综合分析得出，完整单井对不同岩性土层中的地下水进行抽提处理时，有效影响半径受地层渗透性影响较大，不建议采用完整单井方式设计地下水抽提处理。

4.2 分层单井方式

根据研究场地的地层情况，课题组开展了分层单井实验，分层单井为互不关联的单井，其滤水管分别分布于粘性土层和砂质粉土层中（依次称为上层和下层）。上层单井滤水管段为2. 85～0. 75 m，下层单井滤水管段为0. 75～-2. 85 m（表4）。

根据完整单井实验结果，设计了本次分层单井抽提实验。上层为粘性土，渗透系数低，上层抽提速率设置为O m3/d和0.5 m3 /d;下层为砂质粉土，渗透系数相对较高，下层抽提速率设置为0.5 m3/d，1 m3 /d，2 m3/d。分层单井试验结果表明，分层单井比完整单井有利于提高上层粘性土层中潜水的有效影响半径。上层抽提速率为0.5 m3/d，下层抽提速率逐渐增大时，分层单井在下层的有效影响半径在增加，在上层的效影响半径變化不大。综上所述，完整单井和分层单井对地下水的有效影响半径明显受到地层的渗透系数影响;从精准、低成本角度思考，采用分层单井更适合本场地地下水抽提处理，且上层和下层的抽提速率为0.5 m3/d时，可以满足本场地地下水的抽提处理。

5 结论

（1）本文选取上海某典型水文地质场地，通过数据收集和整理分析场地内的气象、水位、地质和现有监测井数据等资料，确定了场地内的水文地质条件，并对其进行概化处理，利用GMS软件中的MODFLOW模块，建立了符合本场地实际地下水状况的三维水流概念模型。

（2）完整单井对不同岩性土层中的地下水进行抽提处理时，有效影响半径受地层渗透性影响较大，不建议采用完整单井方式设计地下水抽提处理。

（3）完整单井和分层单井对地下水的有效影响半径明显受到地层的渗透系数影响。针对地层岩性分布较大的场地，建议采用分层单井方式设计地下水抽提处理。

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作者简介：沈前（1989-），男，硕士，助理工程师，主要从事场地环境调查与评估、污染场地健康风险评估、污染场地土壤和地下水修复施工项目。