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科学建立地下水流和运移模型
发布时间:2020-09-18

 

摘要:使用Geotomographie公司IPG跨孔bet成像系统获取井间bet波速分布情况,使用统计学方法将bet数据与钻孔渗透系数相关联,通过调整地下水模型的水动力边界条件,使该模型与多个钻孔观测到的水头相符,使用粒子追踪来模拟示踪剂到达时间,模型计算所得的示踪剂到达时间与现场观测结果基本一致。


地下水

是指地面以下赋存于土壤和岩石空隙中的水

往往具有

水质好、分布广、便于开采等特征,

是生活饮用水、工农业生产用水的重要水源

同时,地下水具有一定的缓慢流动性

在bet孔隙中做复杂运动

地下水流的运移特性

也使得地下水成了污染物的搬运工

且具有隐蔽性、长期性和难恢复性等特点

图片来源:南水北调与水利科技

地下水怎么动?往哪动?

就成了评估污染风险的重要问题。

 

识别地下含水层的空间水动力学特性,如孔隙度和渗透系数及其相关结构等,在污染物风险评估中起着重要的作用。

德国Geotomographie公司的Thomas Fechner等在论文《A hydro-geophysical tomographic approach to model groundwater flow and transport》中,基于bet-水动力模型,成功地模拟了在德国北部的Belau试验场进行的野外示踪实验。
 

 
 

 
 

 

在小尺度上,平均沉积物性质可能不适合用于描述污染物迁移的地下构造特性,而是需要详细的含水层特征来描绘优先水流路径。此外,河流含水层沉积物的水动力学特性可能在几十年内在小距离上发生变化,只有少数高度连通且低阻的区域可能主导整个区域地下水流动状态。

为弥补疏距钻孔横向分辨率差的问题,可以采用地球物理跨孔方法以较高的分辨率来描述地下特征。将钻孔样品资料作为直接测量资料,将具有优异的垂直分辨率和“软”高分辨率的地球物理资料,如层析成像数据,作为间接测量资料,两者相结合,可以克服在获取地下环境特征以描述地下水流动与迁移溶质运移过程中所遇到的一些主要问题。

 

在此案例中,作者将井间bet层析成像数据与水动力钻孔数据相结合并建模,模拟在德国北部Belau试验场进行的野外示踪实验。

示踪剂的到达记录由不同的多级钻孔提供。钻孔bet波速、渗透系数、bet波速与孔隙度的岩石物理学关系等三者之间的基础关系被建立起来,并相结合建立了水动力地下水模型。

 

试验场地情况

Belau环境研究实验场成立于1990,其研究项目主要为浅层冰川沉积物中的小尺度流动和输运过程以及地球化学参数的波动。研究开始以来约完成了13个钻孔的钻探。

图1 钻孔位置和场地简图

钻孔被设置为多级测井(M)、全屏蔽测井(B)和测压计(D)。5个多级测井可通过永久取样装置在含水层不同深度进行取样。为了确定含水层的水动力学特性,钻探过程中每米提取600个土壤样品,并识别地质序列变化。取约300个样品测定粒度分布并计算水动力传导系数。

图2 地质构造简图(根据Scheytt 1994)

根据Piotrowski (1994),该场地的沉积层是European Elster, Saale 和 Weichsel冰期的冰川沉积物。作为一个主要的地下不整合构造,一个Elster冰期的冰川通道由北向南贯通。Bornhoeved 湖区的湖泊—Belau湖是5个湖泊之一—与该通道对齐。第四系底下沉积层可根据水动力学性质分为两个主要的含水层系统-I和II。

位于Belau东侧的Belau试验场为调查上层含水层系统I而建立,该区域由三个总厚度约40米的融水层组成。该融水层由Saale-Sander, Wankendorfer-Sander和 Kaluebber-Sander沙质沉积层构成,其中Kaluebber-Sander在该位置为不饱和层。

 

场地示踪剂实验

为描述实验场小尺度水流和输运过程,Rumohr (1995)进行了一个自然示踪剂梯度实验。示踪剂实验自1994年5月2日(零日)开始,至1995年10月共持续约200天。1小时内约1500g伊红注入至上游钻孔B9,注入位置自海拔11m至24m。起始示踪剂浓度约1g/L,下游所有多级井进行采样对示踪剂注射进行跟踪。

使用一维方法计算流速Va和纵向弥散系数D1,为说明示踪剂穿透曲线与深度的相关性,绘制与平流运输相关的示踪剂到达时间曲线。

图3 与平流输运相关的示踪剂到达时间(三角形为主峰,圆形为次峰)

 

bet-水动力联合模型

首先,采用Geotomographie的IPGbet层析成像系统,在钻孔B9和M7之间,沿平行于地下水流的方向进行了一次bet层析成像,获得了钻孔之间的bet波速度结构分布。

 

IPG跨孔bet成像系统是一款应用广泛,以高精度低故障率而业内口碑极佳的高精度的跨孔P波bet层析成像设备,适用范围探测包括但不限于:

  • 地下岩溶、古洞、空洞、埋设物、矿区采空区;
  • 查明地下构造;
  • 渗透带、水流通道和防卫,圈定破碎带位置和范围;
  • 建筑物地基、铁路公路路基等不良地质体监测、水电站、核电站选址勘查;
  • 桩基质量检测、库坝灌浆幄幕和高喷防渗板墙质量检测,水库、坝基检漏等。

图4 孔间波速结构

将高分辨率层析成像数据和水动力学钻孔数据相结合,是将地下构造的非均匀性纳入局部水文地质场地模型的基础。

接着,根据对比分析钻孔bet波速与渗透系数数据,将上一步所获得的钻空间bet波速转换成渗透系数,使用筛分析方法所获得的渗透系数“硬”数据与bet资料“软”数据相结合,并应用于层析成像,其成果即为B9和M7之间的高分辨率渗透系数结构。

图5 bet波速与Sanders-沉积层相互关系

建立了包含高分辨率数据的水动力概念模型。地下水的流向向西,往湖泊方向。如前所述,湖区附近的水动力学条件是复杂的,在对进出关注区域的水流的不同组分进行量化方面有许多不确定之处。

图6 地下水概念模型

通过bet层析成像进行研究的区域大致位于计算的地下水流动网格的中间。为将水动力学数值分配给层析成像区域以外的边缘区域,对bet波速等级进行了外推。虽然这些外部区域影响整个流态,但关注的焦点仅限于由层析成像图像覆盖的区域。根据bet波速等级分布,使用SPP方法,生成一个孔隙度分布成果和多个模式下的渗透系数场成果

图7 根据SPP模式2获得的渗透系数分布

 

试验成果

在最佳参考边界条件下,分别采用渗透系数场的十个不同模式,所得到的钻孔M10、M9和M7的示踪剂颗粒到达时间与深度的相关曲线。可以看出,计算所得的到达时间与现场观测结果符合的很好。

图8 最优边界条件下(10种模式),M10,M9和M7钻孔计算所得的示踪剂粒子到达时间。主峰为三角形,次峰为圆形,计算所得到达时间为实线

15m以上的Wankendorfer砂层运输速度最快,在这里模型再现了随海拔高度的增加到达时间越快的趋势。10到15m的Saale砂层颗粒到达时间相对很慢,特别是观测钻孔M9附近。对该区域10-15m的现场测试结果的对比表明,该区域地下水速度被高估了,导致计算所得的颗粒到达时间要远远早于现场数据。该区域对应于有较高渗透系数变化性的细沙质物质,其渗透系数潜在的小尺度波动无法用bet层析成像来解决。因此稍低的平均渗透系数可以补偿较快的模型到达时间。