CN103197039A - 一种人工流场下的野外地下水弥散试验方法 - Google Patents

Abstract

一种人工流场下的野外地下水弥散试验方法，包括以下步骤：一、布置试验组，试验组包括沿地下水流向依次布置投放孔、接收孔、抽水孔，所述投放孔、接收孔、抽水孔的深度视试验目标含水层深度而定；二、制造人工流场，在抽水孔中放入抽水设备抽水，当投放孔、接收孔、抽水孔中的水位不在明显下降，即完成了人工流场的制造；三、测定流场数据，人工流场制造完成后，在投放孔中投放示踪剂，用数据监测仪监测接收孔内水质示踪剂的浓度由上涨至回落这个周期的数据变化，并把监测数据记录下来进行数据运算。本发明采用投放孔、接收孔、抽水孔测定，在抽水孔中抽水，在投放孔中投放示踪剂，在接收孔中监测水中示踪剂含量。可以定向测定野外地下水弥散值。

Description

一种人工流场下的野外地下水弥散试验方法

技术领域

本发明涉及地下水弥散试验领域，特别是一种人工流场下的野外地下水弥散试验方法。

背景技术

弥散试验是用以分析含水介质中溶质的迁移规律，求取含水介质弥散度等参数的一种水文地质试验，是地下水溶质运移理论研究和应用中的一个重要的试验，它可以分为室内试验和野外试验两种。

室内弥散试验条件易于控制，试验数据较容易获取，成功率高。然而，以往国内外研究显示，试验求弥散度存在尺度效应，即室内弥散试验和野外弥散试验所获取的参数往往有两到三个数量级的差距。目前比较被认可的解释是，野外实际地质条件的复杂性和不均匀性使得溶质的弥散程度远远大于其在容器里的均匀介质中的弥散程度。因此，野外弥散试验的数据更能反映污染物在实际情况中的迁移扩散特征，对于准确度要求较高的一些具体问题，往往需要进行野外地下水弥散试验。

传统的野外地下水弥散试验主要应用于理论研究和纵向科研项目，其试验周期非常长（持续观测数月甚至上十年），成本高，应用性不强，不宜大范围开展和推广。

天然和人工叠加流场下弥散试验研究（环境科学学报第10卷第1期1990年3月，作者：吕贤弼刘兆昌王君连聂永丰王占生白庆中）一文中，公开了在投放孔中注水以形成人工强加流场，加快地下水的流速，在投放孔中投入示踪剂，然后在接收孔监测水质内示踪剂的变化，以提高室野外地下水弥散试验速度，但这种通过在投放孔中注水方法，地下水在压力的作用下会向四周不特定方向流动，投送的示踪剂也会被分散，影响了最终试验的效果，特别是用于测定某一方向上野外地下水弥散数值时，极为不便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供定向测定某一方向上野外地下水弥散数值的人工流场下的野外地下水弥散试验方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种人工流场下的野外地下水弥散试验方法，包括以下步骤:

一、布置试验组，试验组包括沿地下水流向依次布置投放孔、接收孔、抽水孔，所述投放孔、接收孔、抽水孔的深度视试验目标含水层深度而定；

二、制造人工流场，布置完试验组后，在抽水孔中放入抽水设备抽水，当投放孔、接收孔、抽水孔中的水位不在明显下降，试验范围内的地下水降落漏斗已经形成，即完成了人工流场的制造；

三、测定流场数据，人工流场制造完成后，抽水孔内的抽水设备继续工作的状态下，在投放孔中投放示踪剂，用数据监测仪监测接收孔内水质示踪剂的浓度由上涨至回落这个周期的数据变化，并把监测数据记录下来进行数据运算；

通过上述步骤实现野外地下水弥散试验。

步骤一中布置完投放孔、接收孔、抽水孔后，先做抽水试验。

步骤一中，投放孔、接收孔、抽水孔中心点在一条直线上。

步骤一中，投放孔、接收孔、抽水孔之间孔边缘间距为1-2米。

步骤二中抽水孔中放入抽水设备抽水前，先用光普分析仪分析投放孔、接收孔、抽水孔中的水质，以确认投放孔、接收孔、抽水孔外于同一含水层。

步骤三中，示踪剂可选荧光剂或盐，示踪剂投放前先充分溶解，并在二至十秒内把溶解的示踪剂投入投放孔内。

步骤三中，数据监测仪监测时为三小时至三十小时，每隔十五分钟人工记录一次数据监测仪数据。

步骤三中，数据监测仪把监测数据传输到移动硬盘。

步骤三中，数据监测仪可选用GGUN-FL Fluorometer野外荧光分光光度计或Solinst Levelogger三参数地下水自动监测仪。

使用监测数据记录下来进行数据运算的方法为以下步骤：

1、用监测数据记录下数据制得弥散试验的浓度曲线，根据示踪剂浓度历时曲线，确定示踪剂浓度峰值出现的时间（t_m）和浓度峰值（C_m）;

2、依下式（1）计算X，Y；

$X=\frac{{(t-t_m)}^2}{t}---\left(1\right)$

$Y=\frac{(t-t_m)}{t}+\ln \left(\frac{C_m\·t_m}{C\·t}\right)$

3、绘制X-Y散点图，可由在峰值出现前和出现后的数据各拟合一条直线，确定平均直线斜率K；

4、依据下式（2）计算纵向弥散系数D_L；

$D_L=\frac{r^2}{4t_m(K\·t_m+1)}---\left(2\right)$

5、依据下式（3）计算实际流速u；

$u=2\sqrt{D_L\·K}---\left(3\right)$

6、依据下式（4）用所有的监测数据横向弥散系数D_T，剔除一些明显不合理的值后取平均值，得到横向弥散系数D_T均值；

$D_T={\left\{{\frac{m_M/M}{2\mathrm{\πn}{C}_i{t}_i\sqrt{D_L}}e}^{-\left[\frac{{(r-u{t}_i)}^2}{4D_L{t}_i}\right]}\right\}}^2---\left(4\right)$

7、依据下式（5）计算纵向弥散度（α_L）和横向弥散度（α_T）。；

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_L=\frac{D_L}{u}& {\mathrm{\α}}_T=\frac{D_T}{u}---\left(5\right)\end{array}$

通过以上步骤求得弥散度，完成弥散试验。

本发明的难点在于，人为加快快野外地下水的流速，并控制地下水的流动方向，天然条件下地下水的流动十分缓慢，且天然地下水流场条件较复杂，无法预估适合的示踪剂监测位置。

做弥散试验的水文地质需要前期进行详细的调查，还会先做抽水试验，而且通常弥散试验就是用抽水试验的孔来做的，这样可以克服弥散试验因不正当选用抽水泵，而造成试验误差过大。

本发明提供的一种人工流场下的野外地下水弥散试验方法，投放孔、接收孔、抽水孔方式布置实验组，在抽水孔内抽水，可以改变天然条件下的水力梯度，加快地下水流速，同时也加强了地下水的主流向，以测定接收孔中可以接收到来自投放孔的示踪剂数据，从而可以方便的测定投放孔与接收孔之间的弥散数值，需要测定不同方向上地下水流动弥散数值时，只需要在该方向上重新打接收孔、抽水孔即可。

步骤一中投放孔、接收孔、抽水孔中心点在一条直线上，投放孔、接收孔、抽水孔之间孔边缘间距为1—2米，减少在溶质运移过程中的各种不确定条件，也可以提高弥散试验的效率和成功几率。

需要做弥散试验的水文地质调查，已经是程度很高的调查，会先做抽水试验，而且通常弥散试验就是用抽水试验的孔来做的，这样可以克服弥散试验因不正当选用抽水泵，而造成试验误差过大。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明中布置试验组的结构示意图。

图2为本发明中试验组试验X-Y散点峰值前直线。

图3为本发明中试验组试验X-Y散点峰值后直线。

图中：投放孔1、接收孔2、抽水孔3。

具体实施方式

实施例1：

一种人工流场下的野外地下水弥散试验方法，包括以下步骤:

一、布置试验组，试验组包括沿地下水流向依次布置投放孔、接收孔、抽水孔，并做抽水试验，所述投放孔、接收孔、抽水孔的深度视试验目标含水层深度而定，投放孔、接收孔、抽水孔中心点在一条直线上，投放孔与接收孔边缘间距为1.5米、接收孔与抽水孔边缘间距为1.7米；

二、制造人工流场，布置完试验组后，先用光普分析仪分析投放孔、接收孔、抽水孔中的水质，以确认投放孔、接收孔、抽水孔外于同一含水层，在抽水孔中放入抽水设备抽水，当投放孔、接收孔、抽水孔中的水位不在明显下降，试验范围内的地下水降落漏斗已经形成，即完成了人工流场的制造；

三、测定流场数据，人工流场制造完成后，抽水孔内的抽水设备继续工作的状态下，示踪剂可选20kg盐或50g荧光剂，示踪剂投放前先充分溶解，并在二至十秒内把溶解的示踪剂投入投放孔内，用数据监测仪监测（数据监测仪可选用GGUN-FLFluorometer野外荧光分光光度计或Solinst Levelogger三参数地下水自动监测仪）接收孔内水质示踪剂的浓度由上涨至回落这个周期的数据变化，并把监测数据记录下来进行，数据运算数据监测仪监测时为25小时，每隔十五分钟人工记录一次数据监测仪数据，接收孔内水质示踪剂的浓度明显上涨每隔五分中人工记录一次数据监测仪数据，数据监测仪同时把监测数据传输到移动硬盘，以方便用计算机进行全程运算，把人工记录的数据或移动硬盘记录的数据据制成弥散试验的浓度曲线；

获得弥散试验的浓度曲线之后，即可按照以下方法求得弥散度等参数：

1、根据示踪剂浓度历时曲线，确定示踪剂浓度峰值出现的时间（t_m）和浓度峰值（C_m）;

2、依下式（1）计算X，Y；

$X=\frac{{(t-t_m)}^2}{t}---\left(1\right)$

$Y=\frac{(t-t_m)}{t}+\ln \left(\frac{C_m\·t_m}{C\·t}\right)$

3、绘制X-Y散点图，可由在峰值出现前和出现后的数据各拟合一条直线，确定平均直线斜率K；

4、依据下式（2）计算纵向弥散系数D_L；

$D_L=\frac{r^2}{4t_m(K\·t_m+1)}---\left(2\right)$

5、依据下式（3）计算实际流速u；

$u=2\sqrt{D_L\·K}---\left(3\right)$

6、依据下式（4）用所有的监测数据横向弥散系数D_T，剔除一些明显不合理的值后取平均值，得到横向弥散系数D_T均值。

$D_T={\left\{{\frac{m_M/M}{2\mathrm{\πn}{C}_i{t}_i\sqrt{D_L}}e}^{-\left[\frac{{(r-u{t}_i)}^2}{4D_L{t}_i}\right]}\right\}}^2---\left(4\right)$

7、依据下式（5）计算纵向弥散度（α_L）和横向弥散度（α_T）。

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_L=\frac{D_L}{u}& {\mathrm{\α}}_T=\frac{D_T}{u}---\left(5\right)\end{array}$

例如，在某次试验中测得峰值浓度出现在13:41:44，浓度为67.1ppb。根据上述方法绘制散点图得到两条直线图2、图3，求得平均斜率K=0.033，从而计算得到的弥散参数见表1。

表1  弥散试验计算成果表

试验点

含水层

DL（m2/d）

DT（m2/d）

u（m/d）

αL（m）

αT（m）

ZK57

J1Z

20.02

2.89

61.7

0.32

0.047

上述的实施例仅为便于理解本发明而记载的优选技术方案，不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即除权利要求书记载的保护范围，在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种人工流场下的野外地下水弥散试验方法，其特征是包括以下步骤:

一、布置试验组，试验组包括沿地下水流向依次布置投放孔、接收孔、抽水孔，所述投放孔、接收孔、抽水孔的深度视试验目标含水层深度而定；

二、制造人工流场，布置完试验组后，在抽水孔中放入抽水设备抽水，当投放孔、接收孔、抽水孔中的水位不在明显下降，试验范围内的地下水降落漏斗已经形成，即完成了人工流场的制造；

三、测定流场数据，人工流场制造完成后，抽水孔内的抽水设备继续工作的状态下，在投放孔中投放示踪剂，用数据监测仪监测接收孔内水质示踪剂的浓度由上涨至回落这个周期的数据变化，并把监测数据记录下来进行数据运算；

通过上述步骤实现野外地下水弥散试验。

2.根据权利要求1所述的一种人工流场下的野外地下水弥散试验方法，其特征是：步骤一中布置完投放孔、接收孔、抽水孔后，先做抽水试验。

3.根据权利要求1所述的一种人工流场下的野外地下水弥散试验方法，其特征是：步骤一中投放孔、接收孔、抽水孔中心点在一条直线上。

4.根据权利要求1所述的一种人工流场下的野外地下水弥散试验方法，其特征是：步骤一中投放孔、接收孔、抽水孔之间孔边缘间距为1—2米。

5.根据权利要求1-3任一项中所述的一种人工流场下的野外地下水弥散试验方法，其特征是：步骤二中抽水孔中放入抽水设备抽水前，先用光普分析仪分析投放孔、接收孔、抽水孔中的水质，以确认投放孔、接收孔、抽水孔外于同一含水层。

6.根据权利要求1-3任一项中所述的一种人工流场下的野外地下水弥散试验，其特征是：步骤三中，示踪剂可选荧光剂或盐，示踪剂投放前先充分溶解，并在二至十秒内把溶解的示踪剂投入投放孔内。

7.根据权利要求1-3任一项中所述的一种人工流场下的野外地下水弥散试验，其特征是：步骤三中，数据监测仪监测时为三小时至三十小时，每隔十五分钟人工记录一次数据监测仪数据。

8.根据权利要求1-3任一项中所述的一种人工流场下的野外地下水弥散试验，其特征是：步骤三中，数据监测仪把监测数据传输到移动硬盘。

9.根据权利要求1-3任一项中所述的一种人工流场下的野外地下水弥散试验，其特征是：步骤三中，数据监测仪可选用GGUN-FL Fluorometer野外荧光分光光度计或Solinst Levelogger三参数地下水自动监测仪。

10.根据权利要求1-3任一项中所述的一种人工流场下的野外地下水弥散试验，其特征是监测数据记录下来进行数据运算的方法为以下步骤：

（1）、用监测数据记录下数据制得弥散试验的浓度曲线，根据示踪剂浓度历时曲线，确定示踪剂浓度峰值出现的时间（t_m）和浓度峰值（C_m）;

（2）、依下式（1）计算X，Y；

$X=\frac{{(t-t_m)}^2}{t}---\left(1\right)$

$Y=\frac{(t-t_m)}{t}+\ln \left(\frac{C_m\·t_m}{C\·t}\right)$

（3）、绘制X-Y散点图，可由在峰值出现前和出现后的数据各拟合一条直线，确定平均直线斜率K；

（4）、依据下式（2）计算纵向弥散系数D_L；

$D_L=\frac{r^2}{4t_m(K\·t_m+1)}---\left(2\right)$

（5）、依据下式（3）计算实际流速u；

$u=2\sqrt{D_L\·K}---\left(3\right)$

（6）、依据下式（4）用所有的监测数据横向弥散系数D_T，剔除一些明显不合理的值后取平均值，得到横向弥散系数D_T均值；

$D_T={\left\{{\frac{m_M/M}{2\mathrm{\πn}{C}_i{t}_i\sqrt{D_L}}e}^{-\left[\frac{{(r-u{t}_i)}^2}{4D_L{t}_i}\right]}\right\}}^2---\left(4\right)$

（7）、依据下式（5）计算纵向弥散度（α_L）和横向弥散度（α_T）。；

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_L=\frac{D_L}{u}& {\mathrm{\α}}_T=\frac{D_T}{u}---\left(5\right)\end{array}$

通过以上步骤求得弥散度，完成弥散试验。

Images