酒泉地区地下水渗流及流动规律研究

赵 婷

(甘肃省酒泉水文水资源勘测局, 甘肃 酒泉 735100)

随着我国经济的飞速发展和人民生活水平的不断提升，对地下水资源的依赖程度越来越高。由于地表水资源开采量的逐年增加，地下水污染日趋严重，与此同时地下水资源的利用也发生了巨大变化[1]。因此，地下水资源的污染防治和合理开采逐渐成为人们关注的焦点。为了科学开发利用地下水资源，必须充分掌握区域水文参数，其中地下水流动规律是非常重要的数据之一[2]。确定地下水渗流及流动规律，不仅可以为矿产资源的高效开发提供基本的科学依据，而且可以为地下建筑设计、地下安全生产及施工提供切实保障。近年来，地下水流向流速研究的不断深入，杨丽芝等[3]岩体裂隙特征与岩溶地区地下水流向和流速测量结果相结合，得出了岩体垂向上渗透性的分布情况。郭绪磊等[4]利用数值模拟法对砂土介质地下水流速进行了测试，结果表明流向偏差在-20°之内，地层渗流与流速间存在1.5倍的差异；蒋文豪等[5]研究了巴丹吉林沙漠公路两侧监测井的地下水流速流向，发现地下水流向主要是北东北方向，且不同深度的地下水流向具有一定的差异，平均流速达 61.23 m/a；本文通过分析甘肃地区基础地质特征，利用充电法和注水试验法分别测定了区域内钻孔地下水实际流速和渗透流动规律，以期为评价地表水的时域特征提供参考。

1 区域概况

1.1 自然地理

研究区位于甘肃省西北部酒泉地区，植被不发育，为极旱荒漠化地区，仅在沟谷中可见一些芨芨草、红柳、骆驼刺等耐旱植物生长。该地区具有高蒸发、低降水、干燥多风的特征，多年平均气温为5.5℃～9.2℃，1月区内气温最低，7月温度最高，为典型的温带大陆性气候。区内多年平均降雨量为50.2～72.3 mm，降水主要集中在6-8月约占全年降水量的69.32%。区内年平均蒸发量介于2 538.2～3 346.5 mm之间,多年平均风速介于2.8～5.2 m/s之间。研究区出露地层主要为元古代-晚古生代花岗岩和第四系松散沉积物，主要发育二叠纪正断层、前新生代逆冲断层、晚新生代以来走滑断层以及其他不明性质断层。

1.2 水文地质

研究区内地下水根据地质构造特征、岩石特征和地理特征划分出盆地裂隙-孔隙水、沟谷洼地裂隙-孔隙水和山地基岩裂隙水三种地下水类型，其中山地基岩裂隙水为主要地下水类型。研究区基岩包含变质岩、沉积岩和岩浆岩，其中变质岩和沉积岩区基岩裂隙水单井涌水量几乎不到10 m3/d，而岩浆岩区基岩裂隙水单井涌水量为10～100 m3/d。构造裂隙水赋存于断裂带，来自地表径流入渗补给和风化裂隙潜水的侧向补给，具有各向异性和非均匀性的特征。其中，大气降水汇聚于沟谷地带，通过垂直入渗补给浅部地下水，是浅部地下水的主要补给来源。土壤饱和渗透系数概率分布，如图1所示。整体上看试验所得土壤饱和渗透系数比较集中。

图1 土壤饱和渗透系数概率分布图

2 试验方法

2.1 充电法测定地下水流速流向

试验时间2020年6月依据技术导则DZ/T 0186-1997确定试验方案，具体步骤如下：(1)根据地理特征，并结合已有的场区水文地质资料初判地下水流动方向；(2)以试验孔为中心等分为12个方位，布置好探测点并定出 4 条测线，每条环形测线共12个测点；(3)将供电A极和供电B极分别置于加水点位置和距井口较远位置，作为充电极和无穷远电极；(4)观测极N距井口等于A极深度，并置于水源源头方位；(5)通过观测极M极测量不同时间各测点的电位值；(6)为了识别岩层各向异性和土壤表层电阻率不均匀导致的等电位畸变，需在加水前观测正常等电位2次，并记录自然情况下的电位分布；(7)向钻孔中加入淡水记下时间t1；(8)加水后测量各点不同时间间隔下的电位值，并记录测量开始和结束时间；(9)等电位线测量过程中，为精确判定地下水流向，需在位移最大的测线两侧加点，并在测试后立即成图，直至等值线图不再发生变化；(10)改变加水流量、变换N极以及改变A极深度后按照流程(2)-(9)再次试验。

2.2 流向和流速的确定原则

地下水流向的确定原则为：加淡水后，地下水未流经的测点电位无明显变化，地下水流经的测点电位变小。测试过程中不同测量点电位值的等电位分布存在较大差异，通常是延伸的闭合曲线，因而正常等电位线的最大偏差方向就是地下水的主要流向。

通过等电位线移动速度来计算地下水的流动速度，即选择与在自然状态下加水条件下的等电位线，记录测试间隔时间和等电位线移动距离，计算式如下：

(1)

式中：Δt为试验时间间隔；ΔL为等电位线移动距离；ν为地下水实际流速；

为了结果的准确性和可靠性，设计了以下三种流速计算方案：(1)多电位等值线值之间进行对比；(2)不同加水情况间等电位线进行对比；(3)自然状态测量等电位线与加水测量等电位线进行对比；

对试验数据进行置信水平分析，取置信度为95%，显著性水平为0.05，计算公式为：

(2)

式中：Xint为置信区间；σ为数据均方差；X为数据平均值；n为数据个数；

2.3 注水试验法测定地下水流速

对钻孔进行常水头注水试验，试验过程按照SL345-2007规定进行，由于试验水头远小于试段长度且试段位于地下水位以上，则岩土层渗透系数计算公式为：

(3)

式中：l为试段长度，cm；r为钻孔内半径，cm；H为试验水头，cm；Q为注入流量，L/min；K为试验岩土层的渗透系数，cm/s；

计算得到渗透系数后，通过达西定律计算地下水渗透流速公式为：

V=-K·J

(4)

式中：J为水力坡度；K为岩土渗透系数；V为地下水渗流速度；

3 结果及分析

3.1 充电法试验结果分析

充电法测得的不同条件下的地下水流速，如表 1 所示。当钻孔加水流量为0.80 L/min时，共进行了10次电位观测，实测电位值计算的地下水流速标准差为1.323×10-3m/s，平均值为1.454×10-3m/s，流速介于5.181×10-4～4.626×10-3m/s之间，变异系数为0.919 0，为中等变异；当钻孔加水流量为1.20 L/min时，共观测15个电位，实测电位值计算的地下水流速标准差为6.343×10-4m/s，平均值为1.111×10-3m/s，流速介于4.525×10-4～2.717×10-3m/s之间，变异系数为0.575 8，为中等变异；在保持钻孔加水流量为1.20 L/min，改变N极的情况下，共进行10次电位观测，实测电位值计算的地下水流速标准差为7.141×10-4m/s，平均值为1.343×10-3m/s，流速介于8.484×10-4～3.030×10-3m/s之间，变异系数为0.535 6，为中等变异。本次试验共进行35次电位观测，获得了30个流速值，总体来看地下水流速标准差为9.120×10-4m/s，平均值为1.273×10-3m/s，流速介于4.525×10-4～4.626×10-3m/s之间，变异系数为0.727 4，为中等变异。

表1 充电法测得地下水流速统计表 m/s

充电法测得的流向统计图，如图 2 所示，可以看出，总体上看钻孔地下水流向介于 40°～65°之间，其中流向在60°～65°间占比最小为15.5%；50°～59°间占比次之为27.3%；40°～49°间占比最高为57.2%。

图2 充电法测得地下水流向统计图

对试验数据进行置信分析，得到流速置信范围为1.667×10-3～2.333×10-3m/s，其中大于均值的数据占70.2%，因此实际流速推荐值为2.333×10-3m/s。

3.2 注水试验法结果分析

通过水表进行试验流量的观测，地下水埋深使用电测水位计和Diver进行测量，根据公式 3 和钻孔注水试验记录表求得渗透系数。钻孔注水试验成果统计表，如表 2 所示。中可以看出，钻孔注水试验平均渗透系数8.435×10-6m/s，渗透系数介于7.147×10-4～ 1.045×10-3cm/s之间。基于钻孔水位埋深及两钻孔间的距离近似求得水力梯度值为2.8%，求得平均渗流速度为2.527×10-7m/s，地下水渗流速度介于2.142×10-7～3.126×10-7m/s之间。

表2 钻孔注水试验成果统计表

对比充电法和注水试验法测得的地下水流量，可以看出，注水试验法测得的地下水速值较小，而充电法测得的地下水速值相对较大。可能是由于注水试验法测得为平均渗流速度，而充电法测得的为地下水的实际流速。其中，注水试验法中渗透系数与裂隙发育、裂隙性质、岩性以及充填状况等多种因素有关，实际过水断面远小于计算所用值，进而导致注水试验法测定的地下水流速均小于充电法测定的流速。

4 结语

在研究区采用充电法和注水试验法测定地下水渗流及流动规律具有成本低廉、成果丰富、操作简单的优点，与利用传统流速仪测试相比且具有很好的适用性。充电法测定获得了35个实际流速数据，地下水流向介于40°～65°之间，流速平均值为1.273×10-3m/s，变异系数为0.727 4，为中等变异。注水试验法求得平均渗流速度为2.527×10-7m/s，地下水渗流速度介于2.142×10-7～3.126×10-7m/s之间。注水试验法中渗透系数与裂隙发育、裂隙性质、岩性以及充填状况等多种因素有关，实际过水断面远小于计算所用值。因此，利用充电法测定地下水渗流流动规律在该区域具有较好的推广性。