地下水弥散测定方法的分析

地下水弥散测定方法的分析

杨贺荣1 ,赵菲2 ,王宁2

1.河北建研工程技术有限公司  河北石家庄 050021

2.河北建研建筑设计有限公司  河北石家庄 050021

摘要：地下水对人类的生产和生活都有较大影响，研究地下水的性质具有十分重要的意义。本文主要对地下水弥散测定方法进行总结和分析，分别介绍了野外试验和室内试验测定弥散系数的主要步骤，并通过对比分析阐述了两种测试方法的优缺点。

关键字：地下水  纵向弥散系数  横向弥散系数  示踪剂

1、引言

水是人类赖以生存和发展的重要资源。而伴随着社会各方面的飞速发展，水的污染问题日趋严重。垃圾填埋场滤出液的渗漏、海水入侵、核废物处置以及人们日常生活废水和工厂废水的排放等，对现在的水资源造成了严重的污染。因此，研究污染物伴随水运动的性质和特点并设法阻止污染的发展，成为当今水资源保护的重要内容。

污染物溶质在水中的运动包括：对流、扩散、弥散、吸附、浓缩、分离、互溶、相变、氧化、乳化、泡沫化等多种形式。基于各因素对当今污染问题的影响程度及研究手段的限制，国内外学者主要对流、弥散和吸附进行研究。本文主要对地下水弥散测定方法进行分析。

2、试验方法

地下水弥散试验包括野外试验和室内试验，其中野外试验为天然流场，室内试验为人工流场。野外试验与工程实际更接近，但试验难度更大，不易取得理想的试验结果；室内试验更易操作，更易取得理想的试验结果，但与实际地层情况有差异，所得试验数据与实际情况存在误差。以下对各试验方法分别进行介绍。

2.1野外试验

2.1.1试验测井布置

根据区域内地下水的基本特征和地层特性，采用机械或人工形式成孔，测孔深度应满足试验要求。在试验区内布置不少于3口试验井，其中一口为主孔井（又称投源井），为保证捕捉到来自投源井的示踪晕和提高试验精度，应在地下水主流线及其两侧与主孔不同距离并与主孔同心的圆弧上布置监测井。一般布置1～3层，每层布置1~3口监测井（图1）。由主流线上监测井、投源井与侧面监测井构成的夹角，一般不宜大于15°。

图1

2.1.2示踪剂选择及浓度配置

示踪剂有化学示踪剂、燃料示踪剂、颗粒示踪剂、微生物示踪剂、天然或人工放射性示踪剂，考虑到示踪剂的获取难度及对环境的影响，常选用食盐（NaCl）作为示踪剂，浓度配置可按每升水5克盐计。

2.1.3投源及观测取样

在投源井中投放适量食盐，并于12小时后采取第一个样，以后每天分别采取2次（间隔12小时），期间可按不同变化情况适当增加或减少采样次数，观测时间不应少于7天，详细记录每次采样的地点、时间、实测示踪剂浓度等。

2.1.4数据分析

根据试验结果绘制“示踪剂弥散曲线图”，正常图形如图2所示，呈正态分布。

图2

2.1.5地下水弥散系数计算

地下水弥散系数大小主要受水文地质条件影响，一般地下水空隙速度大，则弥散系数大。以下计算，按天然流场二维弥散试验进行相关计算和分析。

对于水动力弥散中机械弥散起主要作用时，扩散效应可忽略不计，则弥散系数可表示为：

DL=αLu          （1）

DT=αTu          （2）

式中：DL——纵向弥散系数

DT——横向弥散系数

αL——纵向弥散分配指数

αT——横向弥散分配指数

u——孔隙速度，通过弥散试验曲线相关参数取得

αL、αT由弥散曲线与标准弥散曲线配线后，并根据观测井相关数据求得。

2.2室内试验

室内弥散试验，可模拟不同地层中地下水的弥散情况，根据计算方法不同，可分为一维、二维和三维等3种试验方法。本文主要分析二维试验方法。

2.2.1试验装置

室内二维弥散试验主要装置可采用自制的渗流槽，渗流槽可采用硬质塑料板制作，尺寸可根据所模拟的不同地层和水流情况进行相应的调整，尽量使模拟试验情况与实际地下水弥散情况相近。

室内二维弥散试验附属装置还需有稳定供水箱、出流水量调节装置和测流装置。附属装置须满足试验过程中数据记录的精度要求。

2.2.2试样采取

根据模拟地层情况，采取相应地层的岩土试样进行试验。试验前，应采取原状土样进行室内试验，并取得物理力学参数统计值。若是砂土或碎石土，可采取扰动样进行室内试验。

2.2.3试验场布置

试验前均匀地将试样装入渗流槽，若能采取原状土样，可采用原状土样进行试验；若不能采取原状土样，则以干密度值控制密实程度，尽量采用与岩土天然状态相当的密实度。

试样装入渗流槽时，应同时布置好示踪剂注入孔和观测孔，这些井孔均应按滤水管要求打孔和包网缠丝，并贯穿整个试验土层。井孔布置可参考图3，为相关科研人员进行试验时，试验场布置示意图。

图3

2.2.4示踪剂选择

示踪剂及其量的选择，以易溶、吸附性很微弱，同时不影响弥散、方便观测且不影响渗透流场为原则。常选用食盐（NaCl）作为示踪剂，并根据试验需要选择相应的浓度。

2.2.5试验观测及数据整理

试样装好后，对渗流槽进行长时间连续供水，一方面可形成符合达西定律的稳定流，另一方面可充分冲洗试样中的易溶物质，使其水质保持稳定，从而达到弥散试验的要求。

通过观测孔测得试验数据，将这些数据分别根据其峰值浓度Cmax换算为相对浓度cr，绘制cr~lgtr曲线。

2.2.6弥散系数计算

选择实测曲线与标准曲线拟合程度较好的2条曲线，计算参数αL、αT，并依据公式（1）、（2）计算纵向和横向弥散系数。

3、结论

（1）天然流场二维弥散试验，可操作性较强，结果符合实际，对地下水环境有影响的项目进行环境影响评价工作时，可采用该方法。

（2）利用较大规格的渗流槽，在室内进行二维弥散试验，可确定横向弥散系数和纵向弥散系数，与野外现场弥散试验相比，具有费用低、容易控制、便于操作等优点。

（3）无论是野外试验，还是室内试验，示踪剂的选择都极为重要，从经济和安全性考虑，食盐（NaCl）均为首选，但考虑到一些特殊的地下水情况，也可选择具有放射性的碘元素作为示踪剂。

（4）试验过程中，数据的采集非常重要，要保证所采集数据的真实性和可靠性。同时，在处理数据和计算的过程中，也要保证数据计算的准确性。

参看文献：

（1）刘永祺、丁厚灿、董晓辉、王红磊、方自力.地下水弥散试验研究.四川环境，1998年第17卷第3期：63-65；

（2）张明泉、曾正中、高洪宣、吴克俭.室内二维弥散试验研究.兰州大学学报（自然科学版），1993，29（4）：274-278；

（3）丁家平  李樟苏.地下水弥散系数的野外试验新方法.水利学报，1998年8月，第8期：38-42；

（4）梁秀娟、肖长来、梁熙枫、盛洪勋、刘耀莹、张文静.室内模拟试验确定河流纵向扩散系数研究.水资源保护，2006年9月第22卷第5期：32-35。

（5）祁敏.佳木斯地区地下水弥散实验研究.水文地质工程地质，1996年第6期：48-51。

（6）陈建峰、王政友.大同地区地下水弥散实验研究.地下水，2002年11月第22卷第4期：168-169。