小孔径井求渗透系数在地下水脆弱性评估DRASTIC模型中的应用

小孔径井求渗透系数在地下水脆弱性评估DRASTIC模型中的应用

何青春1 ,程烨2 ,魏引杰3

1 江苏省有色金属华东地质勘查局地球化学勘查与海洋地质调查研究院，江苏 南京 210007

2 江苏华东八一四地球物理勘查有限公司，江苏 南京 210007

3 江苏省有色金属华东地质勘查局地球化学勘查与海洋地质调查研究院，江苏 南京 210007

摘要：介绍了利用Geoprobe 7822DT 土壤及地下水采样钻机设备建设小孔径井做抽水试验求渗透系数的方式方法可以在地下水防止污染分区脆弱性评估DRASTIC模型中的可以得到有效应用，通过实例证明利用Geoprobe 7822DT 建井施工面积小、作业时间短，利用小口径井求取的渗透系数可以在镇江某区地下水防止污染分区脆弱性评估DRASTIC模型中的有效应用。

关键词：Geoprobe 7822DT  小口径井 抽水试验 渗透系数 脆弱性评估

1前言

为了积极响应国家、省、市政府关于加强地下水污染防治工作的政策号召，构建地下水污染防治分区管控体系，制订本地区地下水污染防治规划，提出地下水污染分区防治措施，实施地下水污染源分类监管，开展地下水环境状况调查评估，划定地下水污染防治分区，保障地下水环境安全，遏制地下水污染加剧趋势，推进地下水污染监督防治，亟需开展地下水污染防治分区划分工作。地下水污染防治分区主要是基于地下水污染现状特征，结合地下水污染源荷载、脆弱性评估结果，对地下水污染防治类型和等级提出分区。

地下水天然防污染性能指在一定的地质和水文地质条件下，人类活动产生的所有污染物进入地下水的难易程度，天然防污性能与污染物性质无关。根据《地下水污染调查评价规范》及相关科技文献资料，目前地下水的防污性能评价主要基于美国环保署（U.S.EPA）提出的DRASTIC方法与理论，即认为：地下水的防污性能主要受地下水水位埋深（D）、地下水净补给量（R）、含水层介质（A）、土壤包气带（S）、地形地貌（T）、非饱和带（包气带）介质（I）和水力传导系数（C）等因素影响。通过对每个因子赋予一个权重与评分，进一步计算各因子的加权和来得出总体的防污性能指数。一般的，每项因子的防污性能越差，该项因子的评分就越高。具有较高指标的区域，则该区域的地下水就易于被污染。一般的，可选择这七项评价因子对地下水防污染性能进行评价，也可根据实际情况调整。

地下水脆弱性评估主要针对浅层地下水，从水力联系上来看，潜水含水层无疑是最容易受到地表污染物影响的，潜水含水层的污染在很大程度上也会影响深层承压水，故地下水脆弱性评估主要针对浅层地下水，与污染源或污染物的性质和类型无关，主要取决于地下水所处的地质与水文地质条件，通常采用DRASTIC模型，DRASTIC模型由地下水位埋深（D）、垂向净补给量（R）、含水层厚度（A）、土壤介质（S）、地形坡度（T）、包气带介质类型（I）和含水层渗透系数（C）等7个水文地质参数组成。

水文地质调查中获取含水层渗透系数常用的方式是抽水试验，往往需要新建大口径钻孔，费用高，施工周期长，且多沿用大口径大流量抽水的方法，难以适应地下水污染防治分区划分工作中位置分散、施工面积小、作业时间短等客观事实，同时考虑到试验层埋藏浅，多在地面下10米以浅深度内，试验层多数为弱-中等含水的岩层，单井出水量一般较小，因而采用Geoprobe 7822DT 土壤及地下水采样钻机设备快速新建小孔径井，采用小孔径井抽水试验求渗透系数C的方法在地下水防止污染分区脆弱性评估DRASTIC模型中的得到有效应用。

2 Geoprobe 7822DT 土壤及地下水采样钻机设备建井

Geoprobe 7822DT 土壤及地下水采样钻机建井同传统水文地质钻探不同，建井过程包括钻孔、下管、填充滤料、密封、止水等，采用中空螺旋钻探，不要要泥浆护壁等手段，不会对周边环境造成较大污染，钻孔达到设定深度后，用UPVC螺纹连接井管，具体施工过程如下：

①钻孔

地下水采样井钻孔采样中空螺旋钻探，钻孔直径大于井管直径50 mm。钻孔达到设定深度后，然后提钻10cm，使用井管将钻头木塞敲落，然后下管。

②下管

下管需要准备UPVC井管，各井管采用螺纹连接。下管前应校正孔深，按先后次序将井管逐根丈量、排列、编号、试扣，确保下管深度和滤水管安装位置准确无误。井管下放速度不宜太快，中途遇阻时可适当上下提动和转动井管，必要时应将井管提出，清除孔内障碍后再下管。下管完成后，将其扶正、固定，井管应与钻孔轴心重合。

③滤料填充

使用导砂管将用自来水清洗过的1mm～2mm石英砂滤料缓慢填充至管壁与孔壁中的环形空隙内，应沿着井管四周均匀填充，避免从单一方位填入，一边填充一边晃动井管，防止滤料填充时形成架桥或卡锁现象。滤料填充过程采用钢尺水位计进行多次测量，确保滤料填充至设计高度。

④密封止水

密封止水应从滤料层往上填充，直至距离地面。

3小口径抽水试验

3.1 镇江某区的水文地质条件

镇江某区属于长江三角洲的一部分，依据其组成物、地表形态、成因等特征，将细分为：低山丘陵区、岗地和沿江冲积平原区。

根据地下水的赋存介质条件、水动力性质等基本特征，可将地下水划分为孔隙水、岩溶水与裂隙水三大类型，按其岩性时代及水动力特征，可进一步分为五个亚类（详见表3-1）。其中松散岩类孔隙水是工作区潜水地下水赋存主要类型。

表3-1 镇江某区地下水类型划分一览表

潜水含水层组（包括微承压水）除裸露基岩区外均有分布，赋存在全新世地层内，孔隙水又分为潜水层和层间水两层。第一层潜水层系全新统冲积砂性土组，中间夹薄层黏土透镜体，水位埋深变化在 1-2m 左右，含水层平行于长江，呈带状分布，远离江边含水厚度亦逐渐变薄。第二层为层间水，系长江古河床相孔隙承压水，岩性以粉细砂、细中砂为主，含水层厚度一般20-50m，单井涌水量一般小于100m³/d，潜水位埋深1-3m，径流缓慢，且地下水分水岭与地表水分水岭基本一致，工作区内地下水汇向长江。地下水化学类型主要为HCO3-Ca型。在丘陵低山区以中上更新统的孔隙水和裂隙含水层为主，其中以孔隙潜水为特征的含水层，一般分布在山麓与平原过渡地带。由于地表被流水切割呈岗坳起伏不平，所以相对低洼处及河谷地区潜水较易富集，但总的富水性弱。

孔隙潜水主要接受大气降水垂直入渗补给和灌溉用水的回渗补给，就地泄入附近的江、河、湖、海及消耗干蒸发与植物蒸腾。

1、补给条件

⑴ 大气降水补给

区内气候湿润、雨量充沛、地势平坦、地下水埋藏浅，有利于大气降水对孔隙潜水的补给。据区内地下水动态长观资料，在一般降雨条件下，地表径流量总体较小，大部分雨水通过包气带入渗补给潜水，每次降水后数小时内潜水位很快上升。

⑵ 灌溉水回渗补给

在沿江一带，水稻田灌水时间长、面积大，田间灌水一小时后潜水位可与农田水位相平。按试验场资料显示，亚粘土农田灌溉水的回渗系数达0.20-0.23，可见灌溉水回渗也是潜水的重要补给来源。

⑶ 地表水的侧向回壅补给

在长江沿岸，潜水位多位于高低潮位之间，两者水力联系甚为密切，这说明长江在高潮位时对地下水具有一定的补给。

⑷ 基岩地下水的侧向径流补给

在基岩与松散沉积物接触地带，基岩地下水常以侧向径流的方式补给地下水。但由于基岩含水层富水性较差，且分布面积并不大，且山前也往往有较大面积的粘性土弱透水层分布，故对地下水的补给作用也较小。

2、径流条件

由于区内水网密集，土层结构复杂，故潜水径流途径较为复杂，孔隙潜水在区内没有较固定的流向，且径流途径很短，接受补给后就地泄入附近的地表水体或补给下部微承压含水层。

3、排泄条件

区内孔隙潜水主要是就近向地表水体排泄和消耗于蒸发、植物蒸腾，其次是补给深层地下水和人为开采。

⑴ 泄入地表水体

潜水区域性流向是由分水岭向两边流入大的地表水体，但小范围内流向比较复杂，主要就近排泄入各类大小不一的地表水体。且同一时间、同一地点的潜水位，一般均高于附近的地表水位。说明地表水体是区内潜水的主要排泄场所。

据多年的观测资料分析，区内潜水泄入地表水体基本可分两种类型。一是潜水位始终高于地表水位，全年向地表水排泄。区内大部分地区都属于这一类型。另一种类型是地表水位在某一时段高于潜水位。通过人工降低地表水位从而排泄地下水，这主要在长江沿岸的低洼地段。在长江沿岸，孔隙潜水位一般位于长江高低潮位之间或接近高潮位，田此长江是潜水的主要排泄场所。在丰水季节当江水位高于潜水位时，由于长江沿岸、湖泊周围有围堤，通过过人为控制堤内地表水位，并使其低于潜水位，以达到排泄潜水，降低潜水位利于农作物生长的目的。

⑵ 蒸发与植物蒸腾

由于潜水位埋藏浅，因此地面蒸发与植物蒸腾消耗潜水的数量也相当大。潜水位的升降与蒸发量密切相关。

⑶ 民井开采

工作区内分布有大量的民用水井，其中大部分为潜水非完整井，这些水井主要为农村地区的生活、生产供水，其用水量巨大。可见民井开采也是大量消耗潜水的途径之一。

3.2试验井的布置和井孔结构

工作区共布设6个潜水抽水井，潜水含水层岩性为亚粘土和亚砂土（详见表3-2），见表井深均为6米，井经63mm，采用Geoprobe 7822DT 土壤及地下水采样钻机建井，滤水管长4.5m，沉淀管长0.5m。滤水管外缠尼龙纱网布，具有较好的滤水挡砂效果。

表3-2抽水试验井地层岩性

3.3抽水设备的选择

（1）水泵：考虑含水层富水性弱，井径小，水位降深小等特点，选用便携式直线泵，额定压力12V，扬程5米，该泵的优点是性能稳定，携带方便，具备自吸能力。

（2）测水位计：便携式电测水位计通常用于测量井，钻孔及水管的水位，当水位计内触点接触到水面时，便会接通接收系统，当触点离开水面时，就会门动关闭接收系统。接收系统由音响器和峰值指示组成，音响器由蜂呜器发出连续不断的蜂鸣声响，峰值指示为电压表指针指示，两者可通过电源拨动开关来选用，不管用何种接收系统，测读精度是一致的。

（3）水量测量：因出水量小，故采用秒表和量桶。

上述抽水设备和测量工具，经费不足千元。

3.4试验过程

钻探中采用螺旋钻进，未采用泥浆等护壁方法，成井后直接选择便携式直线泵抽洗井，清洗过程至少要抽出3~5倍井内水柱体积的水量，达到了洗井的目的。

含水层富水性弱，采用了加阀门三通来调节抽水量与水泵回水量，以实施不同水位降深的抽水试验。从试验情况看，上述方法对弱含水层是可行的。试验中取得了一次降深与出水量资料（表3-3），从试验数据分析，试验结果是可行的。

表3-3抽水试验井数据

4试验结果与讨论

渗透系数又称水力传导系数（hydraulic conductivity)。在各向同性介质中，它定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度，表达式为：κ=kρg/η，式中k为孔隙介质的渗透率，它只与固体骨架的性质有关，κ为渗透系数；η为动力粘滞性系数；ρ为流体密度；g为重力加速度。在各向异性介质中，渗透系数以张量形式表示。渗透系数愈大，岩石透水性愈强。强透水的粗砂砾石层渗透系数>10米/昼夜；弱透水的亚砂土渗透系数为1～0.01米/昼夜；不透水的粘土渗透系数<0.001米/昼夜.据此可见土壤渗透系数决定于土壤质地。

渗透系数受含水层中的粒间孔隙、裂隙和层间裂隙等所产生的空隙的数量和连通性控制。该指标主要影响地下水流动速度，渗透系数越大，地下水的流速越大，从而污染物的传播速度就快，地下水的防污性能就越差。

根据区域水文地质条件，选用潜水非完整井单孔稳定流公式计算含水层渗透系数C，计算公式如下：C=0.366Q*LG(0.66L/r)/(S*L)

公式中C—渗透系数（m/d）  Q—抽水井涌水量（m3/d)  L—过滤器长度（m） S—抽水井水位下降值（m）  r—抽水井半径（m）

依据抽水试验资料计算的含水层渗透系数C值列入表4-1。

表4-1渗透系数C的计算情况

求取的渗透系数中国地质调查局主编的《水文地质手册（第二版）》中水文地质参数的经验数值—渗透系数经验值（表17-5-1  松散土石渗透系数值）对比分析，处于相应岩性的经验值范围内。

求取的渗透系数满足《地下水污染防治分区划分工作指南》重脆弱性评估的精度要求。

5小结

在镇江某区地下水防止污染分区脆弱性评估中应用Geoprobe 7822DT 土壤及地下水采样钻机设备建设小孔径井、微型泵进行现场测定含水层的渗透系数，在建井施工中提高了效率、节约了成本，测定渗透系数又满足了脆弱性评估的精度要求。

参考文献

1. 廖昌贵，贺大印，白玉华，小口径井求K的抽水试验方法，勘查科学技术，1996
2. 工程地质手册编委会，工程地质手册（第五版），中国建筑工业出版社

3.中国地质调查局主编，水文地质手册（第二版），地质出版社