CN107808228A - 一种低渗透性土层的地下水抽提有效性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低渗透性土层的地下水抽提有效性评价方法，该评价方法首先分别定义并计算待修复场地的有效抽提率δ和有效持水率S，之后根据计算获得的有效抽提率δ以及有效持水率S，评价地下水抽提的有效性，评价原则如下：地下水抽提的有效性与有效抽提率δ成正比关系；地下水抽提的有效性与有效持水率S成反比关系。本发明的优点是:为低渗透土层的地下水抽提技术有效性提出了评价方法，该方法所涉及的参数充分考虑了软土地区的地层特点及地下水赋存规律，对低渗透土层的抽提作业工程，尤其是污染地下水修复工程有重要指导意义；同时，借助有效抽提率及有效持水率可以比较在不同土层中的抽提有效率，从而指导工程设计。
Description
技术领域
本发明属于环境岩土工程技术领域，具体涉及一种低渗透性土层的地下水抽提有效性评价方法。
背景技术
地下水抽提技术是岩土工程技术领域中的传统技术，广泛应用于基坑工程、地基处理工程等方面。通过将地下水从含水层抽出，可以降低地下水水位、土体含水量，使地基土强度提高、压缩性降低，从而满足工程建设的需要。土体的渗透性、固结（压密）程度和地下水位变化等是重要的衡量指标。常规抽提技术侧重于通过一次性抽长时间抽提降低土体含水量、提高土体的密实度，由于土体排水固结将导致土体的渗透性也有所降低。
但近年来由于污染场地治理的需要，部分地下水抽提工程更加注重污染物去除的效率，以及对污染物空间分布范围的控制，一般需经过多次抽提，并对单次抽提效果有较高要求。同时，受水文地质条件、含水层介质与污染物之间相互作用的影响，该技术应用后易于出现拖尾和反弹现象，大幅延长抽提运行时间。
以上海地区浅部潜水含水层为代表的低渗透土层中结合水占比较高，给水度低、持水度高，渗透性差，且易于吸附污染物。近年来上海地区已开展的少量尝试性应用表明，传统的抽提技术有效性评价并不适用于该类场地，提出适用于低渗透性土层的地下水抽提有效性评价方法十分必要。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种低渗透性土层的地下水抽提有效性评价方法，该评价方法通过定义并分别计算待修复场地的有效抽提率δ以及有效持水率S，从而有效评价低渗透性土层的地下水抽提有效性，继而指导地下水抽提系统在低渗透土层污染地下水的修复。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种低渗透性土层的地下水抽提有效性评价方法，其特征在于所述评价方法包括以下步骤：
（1）计算待修复场地的有效抽提率δ，计算式为：
式中：
δ为待修复场地的有效抽提率，无量纲；
μ为待修复场地内含水层给水度，无量纲；
n为待修复场地的土样孔隙度，无量纲；
ng为待修复场地的强结合水部分所占孔隙度，无量纲；
（2）计算待修复场地的有效持水率S，计算式为：
式中：
S为待修复场地内含水层抽提后的有效持水率，无量纲；
μ为待修复场地内含水层给水度，无量纲；
n为待修复场地的土样孔隙度，无量纲；
ng为待修复场地的强结合水部分所占孔隙度，无量纲；
（3）根据计算获得的有效抽提率δ以及有效持水率S，评价地下水抽提的有效性，评价原则如下：地下水抽提的有效性与有效抽提率δ成正比关系；地下水抽提的有效性与有效持水率S成反比关系。
所述含水层给水度μ是指所述含水层中地下水位下降单位体积时，在外力作用下释放出来的水体积，其计算公式为：
式中：
△Vw为所述含水层地下水位下降后，在外力作用下释放出的水体积，单位为L3；
V为待修复场地内土样的总体积，单位为L3。
所述含水层给水度μ是指所述含水层中地下水位下降单位体积时，在外力作用下释放出来的水体积；所述含水层给水度μ的取值等同于在抽提后含水量处于稳定状态时的有效孔隙度ne，有效孔隙度ne的计算公式为：
式中：
w为待修复场地内土样的含水量，无量纲；
wg为待修复场地内强结合水的含量占干土重的百分比，wg=0.885wp，wp为黏性土的塑限含水量，无量纲；
ρwt为待修复场地内地下水在t℃下的密度，单位为M/L³；
ρs为待修复场地内土样的土粒密度，单位为M/L³；
ρwe为待修复场地内强结合水的平均密度，单位为M/L³。
所述土样孔隙度n是指所述土样中所有孔隙空间体积之和与所述土样体积的比值，其计算公式为：
式中：
Vw为待修复场地内土样中孔隙水的体积，单位为L3；
V为待修复场地内土样的总体积，单位为L3。
所述强结合水部分所占孔隙度ng的计算公式为：
式中：
ρwe为待修复场地内强结合水的平均密度，单位为M/L³；
ρwt为待修复场地内地下水在t℃下的密度，单位为M/L³；
ρs为待修复场地内土样的土粒密度，单位为M/L³；
wg为待修复场地内强结合水的含量占干土重的百分比，wg=0.885wp，wp为黏性土的塑限含水量，无量纲；
w为待修复场地内土样的含水量，无量纲。
本发明的优点是：为低渗透土层的地下水抽提技术有效性提出了评价方法，该方法所涉及的参数充分考虑了软土地区的地层特点及地下水赋存规律，对低渗透土层的抽提作业工程，尤其是污染地下水修复工程有重要指导意义；同时，借助有效抽提率及有效持水率可以比较在不同土层中的抽提有效率，从而指导工程设计。
附图说明
图1为本发明实施例2中待修复的地下水污染场地的典型地质剖面图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
实施例：本实施例具体涉及一种低渗透性土层的地下水抽提有效性评价方法，在地下水污染场地的修复工程中，通过抽提可排出的地下水包括溶解污染物的重力水和部分吸附污染物的弱结合水，强结合水部分不溶解或吸附污染物不能通过抽提方式去除。受污染地下水抽提效果的好坏，可直观反映在受污染含水层可抽出地下水水量与总含水量之间的关系上，为此，基于水位地质相关理论，本实施例系统地提出衡量适用于低渗透性土层抽提有效性的参数，通过应用本实施例中的评价方法，可系统评价地下水抽提的有效性，原则上，有效抽提率及有效持水率是反应抽提有效性最直观的参数，对污染场地抽提来说，应充分认识到地下水中可抽提部分为重力水和弱结合水成分，工程中应尽可能采取措施提高土体的有效抽提率和有效孔隙度、减小有效持水率。
本实施例中的地下水抽提有效性评价方法具体包括以下步骤：
（1）定义并计算有效抽提率δ
对孔隙度为n、强结合水部分所占孔隙度为ng的饱和土，当抽提给水度为μ时，定义可抽出部分地下水与除强结合水之外的地下水体积之比为有效抽提率δ；其具体的计算公式如下：
式中：
δ为待修复场地的有效抽提率，无量纲；
μ为待修复场地中含水层的给水度，无量纲；
n为待修复场地的土样孔隙度，无量纲；
ng为待修复场地的强结合水部分所占孔隙度，无量纲。
（2）定义并计算有效持水率S
抽提后土体中仍剩余部分弱结合水和滞留重力水，该部分地下水所占体积与抽提前重力水与结合水的总体积之比，即为有效持水率S；其具体的计算公式如下：
式中：
S为待修复场地内含水层抽提后的有效持水率，无量纲；
μ为待修复场地内含水层给水度，无量纲；
n为待修复场地的土样孔隙度，无量纲；
ng为待修复场地的强结合水部分所占孔隙度，无量纲。
（3）根据步骤（1）和（2）中分别计算获得的有效抽提率δ和有效持水率S，评价地下水抽提的有效性，评价原则如下：
地下水抽提的有效性与有效抽提率δ成正比关系，即，有效抽提率越高，地下水抽提的有效性也越好；
地下水抽提的有效性与有效持水率S成反比关系，即，有效持水率越高，地下水抽提的有效性也越差。
以下对上述所提及的各个参数或在计算过程中所使用到的参数进行一个具体的说明：
（A）土的含水量w
一般用含水量描述土体的含水性，即土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示，即：
式中：
w为土的含水量，无量纲；
mw为土体中水的质量；
ms为土体中土粒的质量；
对位于地下水位以下的土体，通常视为饱和状态，土体中孔隙全部被孔隙水填充，此时的含水量为饱和含水量。
（B）孔隙度n和有效孔隙度ne
土样孔隙度n表示待修复场地内土样中所有孔隙空间体积之和与土样体积的比值，称为该土样的孔隙度或总孔隙度，具体的计算式如下：
式中：
Vw为待修复场地土样中孔隙水的体积，单位为L3；
V为待修复场地土样的总体积，单位为L3。
对饱和土而言，孔隙度越大则土的含水量也将越高；
有效孔隙度ne是指土样中互相连通的、在一般压力条件下允许孔隙水在其中流动的孔隙体积之和Vpw与土样总体积V的比值, 具体的计算式如下：
式中：
ne表示土样有效孔隙度，无量纲；
Vpw为土样中孔隙水的体积，单位为L3；
V为待修复场地土样的总体积，单位为L3。
显然，黏性土的有效孔隙度ne小于孔隙度n，砂土的有效孔隙度ne与孔隙度n大体相等，粉性土的有效孔隙度ne则介于黏性土和砂土之间。
假设土体经抽提后的含水量减少量为△w，由于强结合水部分无法通过抽提排出，故△w极限值为w- wg，此时有效孔隙度ne可用下式计算：
式中：
w为土的含水量，无量纲；
wg为强结合水的含量占干土重的百分比；
ρwt为待修复场地内的地下水在t℃下的密度，单位为M/L³；
ρs为待修复场地内干土土样的土粒密度，单位为M/L³；
ρwe为待修复场地内的强结合水的平均密度，单位为M/L³，具体的为1.3 M/L³。
（C）强结合水部分所占孔隙度ng
强结合水部分所占孔隙度n的计算方法包括以下步骤：
c1）取待修复场地内的适量干土样品，并在容量瓶中进行以下操作试验：当干土样品土粒浸泡于水中时，水分子楔入土粒间，使土粒分散，土粒吸附一部分的水作为结合水；当水由重力水转换为强结合水时，密度增大而体积减小，根据这个体积变化即可计算出强结合水的总量；由此计算强结合水的含量与干土重量之比，计算式为：
其中，
上述式中：
wg为强结合水的含量占干土重的百分比，无量纲；
ρwe为强结合水的平均密度，单位为M/L³；
ρwt为地下水在t℃下的密度，单位为M/L³；
ms为干土样品质量，单位为M；
c2）试验人员根据在容量瓶中的大量试验结果，建立了以下的关系式：
wg=0.885wp
式中，wp为黏性土的塑限含水量，无量纲；
c3）由于强结合水密度大于其他成分的地下水，因此对孔隙度可用下式进行修正：
而强结合水部分所占孔隙度ng为：
式中：
ρwe为待修复场地内的强结合水的平均密度，单位为M/L³，具体的为1.3 M/L³；
ρwt为待修复场地内的地下水在t℃下的密度，单位为M/L³；
ρs为待修复场地内干土土样的土粒密度，单位为M/L³；
wg为强结合水的含量占干土重的百分比，wg=0.885wp，wp为黏性土的塑限含水量，无量纲；
w为待修复场地内土样的含水量，无量纲。
（D）含水层给水度μ
含水层给水度μ表示含水层中地下水位下降单位体积时，在外力作用下释放出的水的体积，具体计算式如下：
式中：
△Vw为待修复场地中含水层地下水位下降后，在外力作用下释放出的水体积，单位为L3；即，△Vw=A*△h，其中，A为含水层的面积，单位为L2；△h为含水层的地下水位下降量，单位为L；
V为待修复场地内土样的总体积，单位为L3。
当土体在重力作用下释放出水的体积与含水层体积的比值，称为重力给水度，记为μ*；
对抽提后土体释出水的体积与地下水位降深范围内含水层体积之比，可定义为抽提给水度；
土体井抽提△Vw后，相应于该抽提给水度的含水量为：
若，则；
若，则；
其中，wμ为地下水位下降后土体中的含水量；若已知wμ，且wμ＞wg，则可以计算出μ：
上述式中：
w为土的含水量，无量纲；
wg为强结合水的含量占干土重的百分比，无量纲；
ms为土体中土粒的质量；
ρwe为待修复场地内的强结合水的平均密度，单位为M/L³，具体的为1.3 M/L³；
ρwt为待修复场地内的地下水在t℃下的密度，单位为M/L³；
ρs为待修复场地内干土土样的土粒密度，单位为M/L³；
μ为待修复场地内含水层给水度，无量纲。
由上述抽提给水度定义可见，含水层给水度的大小与所施加的抽提作用大小密切相关。注意到有效孔隙度ne为含水层中互相连通的、在一般压力条件下允许孔隙水在其中流动的孔隙体积之和与土样总体积的比值。在特定抽提条件下土体中含水量最终会处于一个稳定的量值，其变化量为：
因此，在抽提后含水量处于稳定状态时的有效孔隙度可近似等同于含水层给水度，即ne=μ。
本实施例的有益效果在于：为低渗透土层的地下水抽提技术有效性提出了评价方法，该方法所涉及的参数充分考虑了软土地区的地层特点及地下水赋存规律，对低渗透土层的抽提作业工程，尤其是污染地下水修复工程有重要指导意义；同时，借助有效抽提率及有效持水率可以比较在不同土层中的抽提有效率，从而指导工程设计。
实施例2：如图1所示，本实施例将实施例1中的地下水抽提有效性评价方法结合实际的工程进行说明；某地下水污染场地深度10m范围内涉及到土层主要有第①层填土、第②层褐黄～灰黄色粉质黏土、第③层灰色淤泥质粉质黏土。该地下水污染场地勘察期间测得钻孔中地下水稳定水位埋深约1.0m。
该地下水污染场地的地下水污染深度一般在6m深度以内，主要涉及第①层、第②层和第③层土。为了将污染地下水抽出，设抽提井的抽提深度为5m，抽提方式采用常规轻型井点，抽提过程中维持真空度为-65～-85kPa。据抽提前、后采样试验得到的各土层含水量、孔隙度、塑限等参数，按照实施例1中的公式计算结合水含水量、结合水占有孔隙度、抽提后的给水度、有效抽提率和有效持水率等参数如下表1所示。
表1：轻型井点抽提15d后的相关参数表
从表中结果可见：
（1）采用常规轻型井点抽提15d后对第②层和第③层土含水量的最大减少量分别为2.6%和3.9%，有效抽提率为0.20，土体剩余含水量体现的有效持水率为0.80。
（2）该有效持水率结果表明，该抽水系统对各土层的抽提效果比较接近，能均匀地将污染物抽出。
Claims (5)
1.一种低渗透性土层的地下水抽提有效性评价方法，其特征在于所述评价方法包括以下步骤：
（1）计算待修复场地的有效抽提率δ，计算式为：
式中：
δ为待修复场地的有效抽提率，无量纲；
μ为待修复场地内含水层给水度，无量纲；
n为待修复场地的土样孔隙度，无量纲；
ng为待修复场地的强结合水部分所占孔隙度，无量纲；
（2）计算待修复场地的有效持水率S，计算式为：
式中：
S为待修复场地内含水层抽提后的有效持水率，无量纲；
μ为待修复场地内含水层给水度，无量纲；
n为待修复场地的土样孔隙度，无量纲；
ng为待修复场地的强结合水部分所占孔隙度，无量纲；
（3）根据计算获得的有效抽提率δ以及有效持水率S，评价地下水抽提的有效性，评价原则如下：地下水抽提的有效性与有效抽提率δ成正比关系；地下水抽提的有效性与有效持水率S成反比关系。
2.根据权利要求1所述的一种低渗透性土层的地下水抽提有效性评价方法，其特征在于所述含水层给水度μ是指所述含水层中地下水位下降单位体积时，在外力作用下释放出来的水体积，其计算公式为：
式中：
△Vw为所述含水层地下水位下降后，在外力作用下释放出的水体积，单位为L3；
V为待修复场地内土样的总体积，单位为L3。
3.根据权利要求1所述的一种低渗透性土层的地下水抽提有效性评价方法，其特征在于所述含水层给水度μ是指所述含水层中地下水位下降单位体积时，在外力作用下释放出来的水体积；所述含水层给水度μ的取值等同于在抽提后含水量处于稳定状态时的有效孔隙度ne，有效孔隙度ne的计算公式为：
式中：
w为待修复场地内土样的含水量，无量纲；
wg为待修复场地内强结合水的含量占干土重的百分比，wg=0.885wp，wp为黏性土的塑限含水量，无量纲；
ρwt为待修复场地内地下水在t℃下的密度，单位为M/L³；
ρs为待修复场地内土样的土粒密度，单位为M/L³；
ρwe为待修复场地内强结合水的平均密度，单位为M/L³。
4.根据权利要求1所述的一种低渗透性土层的地下水抽提有效性评价方法，其特征在于所述土样孔隙度n是指所述土样中所有孔隙空间体积之和与所述土样体积的比值，其计算公式为：
式中：
Vw为待修复场地内土样中孔隙水的体积，单位为L3；
V为待修复场地内土样的总体积，单位为L3。
5.根据权利要求1所述的一种低渗透性土层的地下水抽提有效性评价方法，其特征在于所述强结合水部分所占孔隙度ng的计算公式为：
式中：
ρwe为待修复场地内强结合水的平均密度，单位为M/L³；
ρwt为待修复场地内地下水在t℃下的密度，单位为M/L³；
ρs为待修复场地内土样的土粒密度，单位为M/L³；
wg为待修复场地内强结合水的含量占干土重的百分比，wg=0.885wp，wp为黏性土的塑限含水量，无量纲；
w为待修复场地内土样的含水量，无量纲。
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