越流区开采条件下承压含水层易污染性机理研究——以单井开采为例.pdf

第 40 卷 第 4 期 2013 年 7 月 水文地质工程地质 HYDROGEOLOGY ＆ ENGINEERING GEOLOGY Vol． 40 No． 4 Jul． 2013 越流区开采条件下承压含水层易污染性机理研究 以单井开采为例 孟宪萌1 ， 杨 邦2 ， 白 亮3 1. 中国地质大学 武汉 环境学院， 湖北 武汉430074; 2. 海河水利委员会水文局， 天津300170; 3. 长江水利委员会水文局， 湖北 武汉430010 摘要地下水易污染性分析是合理开发利用地下水资源、 保护地下水环境的一项重要的基础性工作。长期以来针对潜 水含水层易污染性的研究进行的较为深入， 而对承压含水层易污染性的研究较为少见。同时， 易污染性评价方法又以经 验方法为主， 受人为主观因素影响较大， 因此需要通过对承压含水层污染机理进行研究， 以减少人为主观因素对评价结 果的影响。本文以单井开采承压含水层为例， 通过分析承压含水层受污染的原因， 以单位面积上越流补给量占开采量的 比重为承压含水层易污染性指数， 在建立越流区承压水向完整井稳定运动的微分方程的基础上， 得到易污染性指数的解 析表达式， 并分析了各参数对易污染性的影响， 使承压含水层易污染性评价有了一定的理论依据， 对合理开发利用承压 含水层有一定的指导意义。 关键词易污染性; 承压含水层; 稳定流; 越流补给 中图分类号P641. 8文献标识码A 文章编号 1000- 3665 2013 04- 0025- 04 收稿日期 2012- 07- 10;修订日期 2012- 12- 12 基金项目国家自然科学基金资助项目 51109192 ; 中国地质 大学 武汉 中央高校基本科研业务费专项资金 CUGL100220 ; 巨正环保基金 201203904 作者简介孟宪萌 1982- ， 男， 博士， 讲师， 主要从事水文水资 源的研究。 E- mail mengxianmeng2000 sina． com 目前， 中国城市及其周边地区的潜水含水层污染 较严重 ［1 ～4 ］， 无论从水质还是水量上均无法满足生产 生活的需求， 对深层承压水开采急剧增加， 人为加强了 承压水和潜水的水力联系， 潜水含水层中的污染物能 否通过弱透水层进入承压含水层以及如何评价承压含 水层受到污染的可能性是亟需解决的问题。现有的地 下水易污染性评价模型大多是针对潜水含水层［5 ］ ， 而 且模型多半是经验或半经验的［6 ］， 模型中的一些指标 之间存在相关性， 例如目前应用最为广泛的 DRASTIC 模型 ［7 ～9 ］仅对各影响因子的重要性赋予不同权重， 而 后加权求和， 很难反映各因素之间的非线性关系［8 ］， 一些学者 ［10 ～12 ］以该模型为基础进行修正， 但多局限于 影响因子的选取和权重确定方面， 无法描述地下水易 污染性本身的物理机制。承压含水层受到污染主要是 由于人工开采承压水导致水头下降， 可能诱发潜水含 水层中的污染物通过越流进入承压含水层， 与潜水含 水层受到污染的原因有很大的区别［13 ～14 ］。因此根据 污染物进入承压含水层的途径构建承压含水层易污染 性指数， 根据地下水流控制方程， 导出易污染性指数表 达式， 并分析其影响因素。 本文以单井开采承压含水层为例进行分析， 将单 位面积上越流补给量占开采量的百分比作为承压含水 层易污染性指数， 建立越流区承压水向完整井稳定运 动的微分方程， 得到了承压含水层易污染性指数的解 析表达式， 从理论上分析了承压含水层易污染性的影 响因素。 1越流区承压含水层污染途径分析 1. 1越流区地下水流模型概述 图 1越流区承压含水层中的开采井 Fig． 1A pumping well in leaky aquifers 承压含水层抽水时， 由于水头降低， 潜水含水层与 承压含水层之间产生水头差， 受到污染的潜水含水层 就会通过弱透水层越流补给承压含水层， 造成承压含 26孟宪萌， 等 越流区开采条件下承压含水层易污染性机理研究 以单井开采为例2013 年 水层的污染， 当越流补给量与开采量平衡时即达到稳 定状态 图 1 。首先假定 ［15 ］ 1 含水层中水流服从 Darcy 定律; 2 在水头下降的瞬间水就释放出来; 3 含水层、 弱透水层是均质、 各向同性、 无限延伸的; 4 含水层底部水平， 承压含水层等厚; 5 开采前潜水面 与承压水面重合且水平; 6 忽略弱透水层的贮水性; 7 开采过程中潜水面保持不变。 1. 2越流区承压水运动基本规律 对于稳定运动， 以柱坐标形式表示的越流区承压 含水层的基本微分方程［16 ］为 2H r 2 1 r H r H0－ H B2 0 r→ ∞， H→H0 r rw， Q 2πrwT H         r 1 式中 H 承压水水头; H0 初始水头; r 距开采井中心的距离; B 越流因素， B Tm 槡 K ; m 弱透水层厚度; K 弱透水层垂向渗透系数; T 承压含水层导水系数; rw 井径; Q 开采量。 将式 1 转化为以降深表示， 降深 s H0－ H 2s r 2 1 r s r － s B2 0 2 式 2 经过变量代换并整理后得到 r B 2 2s  r B 2 r B s  r B － r B 2 s 0 3 式 3 为零阶虚宗量 Bessel 方程， 考虑井壁及无 穷远处的边界条件［17 ］得 s Q 2πT K0 r/B rw/B K1 rw/B 4 式中 K0 rw/B 、 K1 rw/B 零阶和一阶第二类虚 宗量 Bessel 函数。 2越流区承压含水层易污染性指数推求与影 响因素分析 2. 1承压含水层易污染性指数的推求 污染物位于潜水含水层中， 由于开采承压水使承 压水头低于潜水水头时， 潜水就会通过弱透水层越流 补给承压水， 使得污染物进入承压含水层。因此， 越流 补给量占开采量的比重成为反映污染物进入承压含水 层导致其污染可能性大小的指标， 选取承压含水层易 污染性指数 η Q r QA 5 式中 Q r 距开采井距离为 r 处的越流补给量; Q 开采量; A 距开采井距离为 r 处的越流补给面积。 η 反映单位面积上越流补给量占开采量的比重。 η 越大表明承压含水层易污染性越高， 反之越低。 距开采井距离为 r 处的越流面积 A 2πrdr 图 2 ， 越流补给速率 v K s m K Q 2πT K0 r/B rw/B K1 rw/B 1 m 6 图 2开采井俯视图 Fig． 2Top view of the pumping well 由于井径 rw≤B， 根据第二类虚宗量 Bessel 函数 的性质 ［17 ］ rw/B K1 rw/B 1 7 因此 v  K Q 2πTK0 r/B 1 m 8 越流补给量 Q r v2πrdr 9 将式 8 代入式 9 Q ≈ K Q 2πTK0 r/B 1 m A Q 2πB2 K0 r/B A 10 所以承压含水层易污染性指数 η Q r QA ≈ K0 r/B 2πB2 11 2. 2承压含水层易污染性指数影响因素分析 式 11 表示的承压含水层易污染性指数， 越流因 素 B 为有限值， 当 r→∞ 时， r/B→∞， K0 r/B→0， 此 时易污染性指数趋于 0， 表明距离开采井无穷远处承 压含水层易污染性指数值为 0; 在开采井附近 r rw ， 易污染性指数最大。此外， 在距开采井一定距离 第 4 期水文地质工程地质27 时， 如果越流因素 B 越大， 易污染性指数越低。 图 3承压含水层易污染性指数 Fig． 3Confined aquifer vulnerability index 为进一步定量直观的分析易污染性指数的变化规 律， 根据式 11 绘制不同参数下承压含水层易污染性 指数图， 见图 3。由图 3 分析可知当越流因素 B 较小 时， 在开采井附近区域， 易污染性指数很高， 且易污染 性指数随距开采井距离 r 的增加迅速衰减。当越流因 素 B 很大时， 易污染性指数随距开采井距离 r 的增加 亦逐渐衰减， 但衰减的速率与越流因素 B 较小的情况 相比降低很多， 同时各处易污染性相差不大， 表明此时 的越流系统中承压含水层受到污染的可能性小， 此时 又可具体分为两种情况 当弱透水层属性 厚度 m， 垂 向渗透系数 K 导致越流因素 B 小时， 表明弱透水层具 有较好的防污性能; 当承压含水层属性 导水系数 T 导 致越流因素 B 小时， 表明承压水有较强的更新能力。 本文基于单井开采承压含水层条件下推导的易污 染性指数主要受控于越流因素 B， 通过与文献［ 18］ 进 行对比发现， 文献［ 18］ 中选取的易污染性评价指标包 含承压含水层导水系数 T 、 弱透水层厚度 m 、 垂向 渗透系数 K ， 运用叠置指数法开展评价， 而本文通过 理论推导， 将影响承压含水层易污染性的几项因素根 据物理规律有机的统一到越流因素 B 中， 较好地避免 了人为因素的影响， 为进一步开展易污染性评价奠定 了一定的理论基础。 3结论 1 当越流因素 B 较小时， 在开采井附近区域， 易 污染性指数很高， 且易污染性指数随距开采井距离 r 的增加迅速衰减; 2 当越流因素 B 很大时， 易污染性指数随距开 采井距离 r 的增加亦逐渐衰减， 但衰减的速率与小越 流因素相比降低很多， 同时各处易污染性相差不大， 表 明此时的承压含水层遭到污染的可能性很低。 本研究为承压含水层易污染性评价奠定了初步的 理论基础， 对合理开发利用承压含水层具有一定的指 导意义。 参考文献 ［1］ 姜建军． 中国地下水污染现状与防治对策［ J］ ． 环 境保护，2007，381 19 16 － 17． ［JIANG J J． Groundwater contamination and its prevention control policy in China ［J］ ．Environmental Protection， 2007， 381 19 16 －17． in Chinese ］ ［2］ 李静，梁杏，靳孟贵． 低渗透介质孔隙溶液的提取 及其应用综述［J］ ． 水文地质工程地质， 2012， 39 4 26 －31．［LI J，LIANG X，JIN M G． Review onporewaterextractiontechniquesinlow－ permeabilitymediaandtheirapplication ［J］ ． Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2012， 39 4 26 －31． in Chinese ］ ［3］ 唐克旺，吴玉成，侯杰． 中国地下水资源质量评价 Ⅱ 地下水水质现状和污染分析［ J］ ． 水资源保 护， 2006， 22 3 1 － 4． ［TANG K W，WU Y C， HOU J． Assessment of groundwater quality in China Ⅱ． Groundwater quality and pollution analysis ［J］ ． Water Resources Protection，2006，22 3 1 － 4． in Chinese ］ ［4］ 于勇， 翟远征， 郭永丽， 等． 基于不确定性的地下水 污染风险评价研究进展［J］ ． 水文地质工程地质， 2013， 40 1 115 －123．［ YU Y，ZHAI Y Z，GUO Y L，et al． Risk assessment of groundwater pollution basedonuncertainty［J ］ ．Hydrogeology＆ Engineering Geology，2013， 40 1115 － 123． in Chinese ］ ［5］ 孙才志， 潘俊． 地下水脆弱性的概念、 评价方法与 研究前景［J］ ． 水科学进展， 1999， 33 4 444 － 449． ［ SUN C Z，PAN J． Concept and assessment of groundwater vulnerability and its future prospect［ J］ ． Advances in Water Science， 1999， 33 4 444 －449． in Chinese ］ ［6］ GOGU R C，DASSARGUES A． Current trends and futurechallengesingroundwatervulnerability assessment using overlay and index s ［J］ ． Environmental Geology， 2000， 39 6 549 －559． ［7］ Aller L，Bennet T，Lehr J H，et al． A Standardized System for uating Ground Water Pollution Potential Using Hydro geological Settings［ M］ ． Oklahoma U． S． 28孟宪萌， 等 越流区开采条件下承压含水层易污染性机理研究 以单井开采为例2013 年 Environmental Protection Agency， 1987． ［8］ 陈守煜， 伏广涛， 周惠成， 等． 含水层脆弱性模糊分 析评价模型与方法［J］ ． 水利学报， 2002，7 23 － 30． ［ CHEN S Y，FU G T，ZHOU H C，et al． Fuzzy analysismodelandologyforaquifer vulnerability uation ［J］ ．Journal of Hydraulic Engineering， 2002， 7 23 －30． in Chinese ］ ［9］ 吕敦玉， 余楚， 周爱国， 等． 某油田区地下水综合防 污性能评价［ J］ ． 水文地质工程地质， 2012， 39 3 81 － 85． ［LV D Y，YU C，ZHOU A G，et al． Assessment of groundwater integrated defense ability to contamination in a certain oilfield［J］ ． Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2012， 39 3 81 － 85． in Chinese ］ ［ 10］ 孟 宪 萌，束 龙 仓，卢 耀 如．基 于 熵 权 的 改 进 DRASTIC 模型在地下水脆弱性评价中的应用［ J］ ． 水利学报，2007，38 1 94 － 99． ［MENG X M， SHU L C，LU Y R． Modified DRASTIC model for groundwater vulnerability assessment based on entropy weight［ J］ ． Journal of Hydraulic Engineering，2007， 38 1 94 －99． in Chinese ］ ［ 11］ 邓昌州， 姜吉生， 张玉敏， 等． 哈尔滨市及周边地区 地下水易污性评价［J］ ． 水文地质工程地质， 2011， 38 4 135 －139．［ DENG J Z，JIANG J S，ZHANG YM， etal．Assessmentofthegroundwater vulnerabilityinHarbinandthevicinity ［J］ ． Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2011， 38 4 135 －139． in Chinese ］ ［ 12］ 范琦，王贵玲，蔺文静，等． 地下水脆弱性评价方 法的探讨及实例［J］ ． 水利学报，2007，38 5 601 －605． ［ FAN Q，WANG G L，LIAN W J，et al． Newforuatingthevulnerabilityof groundwater［J］ ． Journal of Hydraulic Engineering， 2007， 38 5 601 －605． in Chinese ］ ［ 13］ 孟宪萌，田富强，胡和平． 越流区承压含水层特殊 脆弱性评价模型［J］ ． 清华大学学报 自然科学 版 ， 2010， 50 6 844 －847． ［ MENG X M，TIAN F Q，HU H P．Specific vulnerability assessment model for the confined aquifer in a leakage area ［ J］ ． JournalofTsinghuaUniversityScienceand Technology ， 2010， 50 6 844 －847． in Chinese ］ ［ 14］ 孟宪萌． 基于过程模拟的越流区承压含水层脆弱 性评价研究［ D］ ． 北京 清华大学，2010． ［ MENG X M． Study on process based assessment for the confined aquifer vulnerability in leakage area ［D］ ．Beijing Tsinghua University，2010．in Chinese ］ ［ 15］ Bear J． Hydraulics of groundwater ［M］ ． McGraw － Hill， 1979． ［ 16］ 薛禹群． 地下水动力学原理［M］ ． 北京 地质出版 社， 1986．［XUEYQ．Theory ofgroundwater dynamics［ M］ ． BeijingGeological Press， 1986． in Chinese ］ ［ 17］ 胡嗣柱， 倪光炯． 数学物理方法［ M］ ． 北京 高等教 育出版社， 2002． ［HU S Z，NI G J． Mathematical and physical ［ M］ ． BeijingHigher Education Press， 1986． in Chinese ］ ［ 18］ Meng X M， Tian F Q， Hu H P．Groundwater vulnerability assessment of confined aquifer case study Jining， China ［C］/ /Proceedingof4th Conference of Asia Pacific Assiciation of Hydrology and Water Resources，Beijing， 2008． Research on the mechanism of the confined aquifer vulnerability in leakage area under exploitation conditions，mplified by a single pumping well MENG Xian- meng1，YANG Bang2，BAI Liang3 1． School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan，Hubei430074，China; 2． Hydrology Bureau，Haihe River Water Conservancy Commission，Tianjin300170，China; 3． Hydrology Bureau，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan，Hubei430010，China Abstract Assessment of groundwater vulnerability to contamination is the fundamental work for scientific exploitation and utilization of groundwater resources and for groundwater environmental protection．Most 下转第 35 页 第 4 期水文地质工程地质35 Analysis of stable isotopes and hydrochemistry of rivers in Tarim Basin WANG Wen- xiang1，LI Wen- peng2，YIN Xiu- lan 3，LIU Cheng- lin4 1. School of water resources and environment，China University of Geosciences，Beijing100083，China; 2. Center for Hydrogeology and Environmental Geology Survey，CGS，Baoding，Hebei071051，China; 3. China Institute of Geo- Environment Monitoring，Beijing100037，China; 4. Institute of Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing100037，China Abstract Tarim Basin is an important energy strategic base in China＇s inland areas，hydrogen and oxygen isotopes and water chemistry characteristics study of its surface water is of great significance for regional water resources study． The paper analysed the relationship between δD and δ18O and the relationship between main ions and Cl － of river samples in Tarim Basin． The paper pointed out that the difference between δD and δ18O of samples in south Tianshan Mountains and south- west of the Basin is mainly affected by altitude effect of isotopes and the difference between δD and δ18O of samples in north Kunlun Mountains is affected both by altitude effect and continental effect．Na in Weiganhe River，Akesuhe River，Kashigaerhe River and Hetianhe River derived from the dissolution of sodium chloride and K in these rivers derived from weathering process of minerals． Ca2 and SO2 － 4 in Kashigaerhe River derived from the dissolution of gypsum． Ca2 and SO2 － 4 in Weiganhe River，Akesuhe River and Hetianhe River doesn’ t derived from high soluble minerals． Key words Tarim Basin;surface water;isotope;altitude effect;hydrochemistry;evaporate 责任编辑  张若琳 上接第 28 页 groundwater vulnerability assessment s are developed only for shallow aquifers． It is necessary to develop vulnerability assessment s for confined aquifers and analyze the influencing factors from the contamination mechanism． For this purpose，this paper takes the ratio of leakage recharge per unit area as the confined aquifer vulnerability index according to the analysis of the reason of confined groundwater contamination． The analytical solution of the confined aquifer vulnerability index is obtained by solving the partial differential equation describing the steady confined groundwater flow to a fully penetrating well． Impact of factors on the confined aquifer vulnerability index is also analyzed． This is of guiding significance to the rational development of confined groundwater resources． Key words vulnerability;confined aquifer;steady groundwater flow;leakage supplementation 责任编辑 张若琳