一种强风化层弥散度现场尺度试验测定方法
阅读说明：本技术 一种强风化层弥散度现场尺度试验测定方法 (On-site scale test determination method for dispersity of strongly weathered layer ) 是由 陈舟 王锦国 周志芳 窦智 杨蕴 王振亚 于 2021-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种强风化层弥散度现场尺度试验测定方法,属于水文地质技术领域,在野外现场构建含有示踪剂投放源以及若干观测孔的试验场地；通过将电导率和水压力传感器布设在观测孔中,利用标定的研究区地下水体电导率与示踪剂浓度的相关曲线将监测所得电导率数据转换为示踪剂浓度,利用GMS软件搭建与试验平台对应的数值模型,通过拟合示踪剂浓度-时间序列数据获取现场尺度下强风化层弥散度。本发明综合搭建了强风化层弥散度现场尺度试验平台和相应数值模型,实时观测孔地下水中示踪剂浓度变化情况,并通过数值模型拟合获取强风化层弥散度,精度较高。(The invention discloses a method for measuring the dispersity of a strongly weathered layer by a field scale test, which belongs to the technical field of hydrogeology and is characterized in that a test field containing a tracer feeding source and a plurality of observation holes is constructed in a field; the conductivity and water pressure sensors are arranged in the observation holes, conductivity data obtained by monitoring is converted into tracer concentration by using a calibrated correlation curve of the conductivity and the tracer concentration of the underground water body in a research area, a numerical model corresponding to a test platform is built by using GMS software, and the dispersion degree of the strongly weathered layer under a field scale is obtained by fitting tracer concentration-time sequence data. The invention comprehensively builds the field scale test platform and the corresponding numerical model of the diffusivity of the strongly weathered stratum, observes the concentration change condition of the tracer in the underground water of the hole in real time, and obtains the diffusivity of the strongly weathered stratum through the fitting of the numerical model, and has higher precision.)
技术领域
本发明属于水文地质
技术领域
，一种强风化层弥散度现场尺度试验测定方法。背景技术
弥散度是表征地下水中溶质迁移能力的重要指标，是预测地下水污染情况的重要参数。目前传统测定方法为土柱法或砂槽法，土柱法只能测定一维流的弥散度，砂槽法只能测定一维流下二维弥散度，与野外实际情况相差很大，且也不能反映溶质运移过程中弥散度在各个方向的关系。
目前，强风化层弥散度的确定方法尚无统一标准，且现场尺度的确定方法尚未见报导。因此，强风化层现场尺度弥散度试验测定方法具有重要的理论和实践意义。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种强风化层弥散度现场尺度试验测定方法，可以实时监测现场所研究强风化层中示踪剂运移情况，并通过数值模型拟合获取强风化层中的弥散度，精度较高且较为方便。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种强风化层弥散度现场尺度试验测定方法，包括以下步骤：
1)利用现场钻孔和地下水位观测确定现场地下水主流向；
2)选择地表平整的区域作为试验场地，在强风化层中沿地下水主流向布置示踪剂投放孔和观测孔，另在地下水主流方向的侧向布置观测孔；测试钻孔和观测孔地下水水位；
3)采取现场地下水体，用其配置不同浓度的示踪剂-氯化钠样品，利用电导率仪测试氯化钠样品的电导率值，并利用硝酸银滴定法测定氯化钠样品中氯离子浓度，建立电导率值和氯离子浓度标准曲线；
4)将监测探头布设在示踪剂投放孔和监测孔中，确保监测孔中有一个监测探头位于初始地下水位以下，将监测探头与数据采集器连接；
5)配置固定浓度的示踪剂置于容器中，实验开始后将示踪剂泵入示踪剂投放孔中；利用所述监测探头连续监测水体的电导率和水压力；利用电导率值和氯离子浓度标准曲线将地下水体中的电导率监测数据转换为氯离子浓度数据；
6)示踪剂投放孔中的示踪剂沿着地下水流向通过对流弥散向前运移；描述地下水流动过程的为非均值各向异性等效连续介质地下水非稳定流方程，描述地下水中示踪剂运移的方程为对流弥散方程，具体如下：非均值各向异性等效连续介质地下水非稳定流方程为：
式中：Kx，Ky，Kz，为x，y，z方向渗透系数，m/d；H为地下水水头，m；W为单位时间从单位体积含水层流入或流出的水量，1/d；μ为给水度，无量纲；t-时间，d；Ω为渗流区域；B1为水头已知边界，第一类边界；H(x,y,z)为坐标为(x,y,z)处的地下水水头；H1(x,y,z,t)，任意大于零时刻，坐标(x,y,z)处的含水层边界地下水水头为H1，m；B2为流量已知边界，第二类边界；K为渗透系数，m/d；n是法线方向向量；q(x,y,z,t)为任意大于零时刻，坐标(x,y,z)处的含水层第二类边界单位面积过水断面补给流量为q，m/d；
示踪剂在地下水流中的对流弥散方程如下：
式中：R-阻滞系数；θ-介质孔隙度；C-地下水中示踪剂质量浓度，g/L；t-时间，d；D-水动力弥散系数，m2/d；α-弥散度，单位：m；ν-地下水渗流速度，m/d。
该数学模型难以用解析方法求解，可用数值法求解，采用有限差分数值法求解该数学模型，预测示踪剂从投放孔运移至观测孔的过程。建立与现场试验对应数值模型并拟合试验参数：利用GMS(Groundwater Modeling System)软件搭建与试验平台对应的数值模型，按照试验的物理边界设置数值模型边界，包括试验场地四周的水文地质边界条件、地下水初始流场和初始氯离子浓度。考虑示踪剂在地下水中的对流与弥散作用，通过拟合试验数据获取强风化层现场尺度弥散度。
进一步的：所述的步骤1)中，在现场利用至少三口井确定地下水主流方向，井的深度需要穿透目标层-强风化层，位于强风化层的井壁上设置孔眼，作为水井的花管过滤器。
进一步的：所述的步骤2)中，投放孔和观测孔的深度穿透强风化层到达弱风化层，侧面观测孔与主流向的夹角应不大于15°，距离投放孔直线距离2m处。
进一步的：所述的步骤3)中，用于标定标准曲线的氯化钠样品数应不少于五组，电导率值和氯离子浓度标准曲线的决定系数不低于0.99。
进一步的：所述的步骤4)中，孔内监测探头有一个位于初始地下水位10cm以下，另外一个位于强风化层中，自动记录电导率/水压力值的频率不低于10次/小时。
进一步的：所述的步骤5)中，应先往投放孔中投入固体氯化钠以使得孔中地下水中的电导率迅速上升至配置的示踪剂电导率，试验期间确保投放孔中的水位稳定。
进一步的：所述的步骤6)中，示踪剂浓度的单位要与步骤5)中的一致，拟合的相关系数不低于0.9。
发明原理：本发明通过在野外现场构建含有示踪剂投放源以及若干观测孔的试验场地；通过将电导率和水压力传感器布设在观测孔中，利用标定的研究区地下水体电导率与示踪剂浓度的相关曲线将监测所得电导率数据转换为示踪剂浓度，利用GMSGroundwater Modeling System)软件搭建与试验平台对应的数值模型，通过拟合示踪剂浓度-时间序列数据获取现场尺度下强风化层弥散度。本发明综合搭建了强风化层弥散度现场尺度试验平台和相应数值模型，实时观测孔地下水中示踪剂浓度变化情况，并通过数值模型拟合获取强风化层弥散度，精度较高。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种强风化层弥散度现场尺度试验测定方法，属于现场尺度方法，较之试验室尺度更贴近实际，所得系数更为精确；试验的示踪剂一般选择氯化钠，为环境友好型试剂，且制备简单，成本低廉；试验采用的监测装置可实现连续无扰动长时间监测，数据的后处理简单精确；利用GMS(Groundwater Modeling System)软件搭建与试验平台对应的数值模型，可以契合试验的各物理边界条件，同时拟合研究强风化地层中的溶质运移弥散度，拟合结果精确。
附图说明
图1利用三点法获得地下水主流向示意图；
图2试验区钻孔及监测孔布平面位置图；
图3示踪试验工作布置剖面图；
图4电导率与氯化钠浓度标准曲线；
图5实例数值模型网格及边界条件设置示意图；
图6实例区地下水渗流模型验证结果；
图7示踪试验拟合及弥散度获取。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
本发明提出一种强风化层弥散度现场尺度试验测定方法，包括以下步骤：
1)利用现场钻孔和地下水位观测确定现场地下水主流向；
2)选择地表平整的区域作为试验场地，在强风化层中沿地下水主流向布置示踪剂投放孔和观测孔，另在地下水主流方向的侧向布置观测孔；示踪剂投放孔和监测孔设置花管；
3)测试地下水背景电导率和氯离子浓度，测试钻孔和观测孔地下水水位；配置固定浓度的示踪剂置于容器中，实验开始后将示踪剂泵入示踪剂投放孔中；
4)搭建现场监测系统：将监测探头(连续监测水体的电导率和水压力)布设在示踪剂投放孔和监测孔中，确保监测孔中有一个监测探头位于初始地下水位以下，记录地下水中的电导率和水压力变化情况；将监测探头与数据采集器连接；
5)标定地下水体中的电导率与氯离子浓度标准曲线：采取现场地下水体，配置不同浓度的氯化钠样品，利用电导率仪测试其电导率值，利用硝酸银滴定法测定其氯离子浓度，建立电导率值和氯离子浓度标准曲线；利用上述标准曲线将地下水体中的电导率监测数据转换为氯离子浓度数据；
6)示踪剂投放孔中的示踪剂会沿着地下水流向通过对流弥散向前运移；描述地下水流动过程的为非均值各向异性等效连续介质地下水非稳定流方程，描述地下水中示踪剂运移的方程为对流弥散方程，具体如下：
非均值各向异性等效连续介质地下水非稳定流方程为：
式中：Kx，Ky，Kz，为x，y，z方向渗透系数，m/d；H为地下水水头，m；W为单位时间从单位体积含水层流入或流出的水量，1/d；μ为给水度；t-时间；Ω为渗流区域；B1为水头已知边界，第一类边界；H1为各层边界水位，m；B2为流量已知边界，第二类边界；q为含水层第二类边界单位面积过水断面补给流量，m/d。
示踪剂在三维地下水流中的对流弥散方程如下：
式中：R-阻滞系数；θ-介质孔隙度；C-地下水中组分质量浓度，g/L；t-时间，d；Di-水动力弥散系数，m2/d；α-弥散度，单位：m；νi-地下水渗流速度，m/d。
该数学模型难以用解析方法求解，可用数值法求解，采用有限差分数值法求解该数学模型，预测示踪剂从投放孔运移至观测孔的过程。本例建立对应数值模型并拟合试验参数：利用GMS(Groundwater Modeling System)软件搭建与试验平台对应的数值模型，按照试验的物理边界设置数值模型边界，包括试验场地四周的水文地质边界条件、地下水初始流场和初始氯离子浓度。考虑示踪剂在地下水中的对流与弥散作用，通过拟合试验数据获取强风化层现场尺度弥散度。
步骤1)，在现场利用至少三口井确定地下水主流方向，井的深度要穿透目标层-强风化层。步骤2)，投放孔和观测孔的深度穿透强风化层到达弱风化层，孔的花管应至少包含强风化层；侧面观测孔与主流向的夹角应不大于15°。步骤3)中，应测试枯水期和丰水期钻孔和观测孔中的地下水电导率、氯离子浓度和地下水水位，分别作为枯水期及丰水期的背景；应先往投放孔中投入固体氯化钠以使得孔中地下水中的电导率迅速上升至配置的示踪剂电导率；试验期间确保投放孔中的水位稳定。步骤4)中，孔内监测探头至少有一个位于初始地下水位10cm以下，另外一个位于强风化层中，自动记录电导率/水压力值的频率不低于10次/小时。步骤5)，地下水示踪剂样品数应不少于五组，电导率值和氯离子浓度标准曲线的决定系数不低于0.99。步骤6)中，示踪剂浓度的单位要与步骤5)中的一致，拟合的相关系数不低于0.9。
实施例
一种强风化层弥散度现场尺度试验测定方法，具体操作如下：
(1)利用现场钻孔ZK1、ZK2和ZK3，使用三点法确定现场地下水主流向，首先，测出三口钻孔的地下水位高程；然后三点连线作一个三角形，在ZK1和ZK2连线上内插出ZK3地下水位高程(7m)所在点ZK3’，连接ZK3-ZK3’即是等水位线，垂直等水位线方向由地下水位高程从高到低即是地下水主流向，可见图1。
(2)在现场选择地表平整的12m×18m的区域作为试验场地，在强风化层中沿地下水主流向布置示踪剂投放孔ZK1和观测孔JC 1、JC 3和JC 4，另在地下水主流方向的侧向夹角为15°方向上布置观测孔JC 2；JC 1、JC 3和JC 4距离ZK1的距离分别为1.5m、3m和6m，JC2距离ZK1的距离为2.0m；示踪剂投放孔和监测孔的深度到达微风化层，其中ZK1孔深30米，花管深度埋深5～35m，观测孔JC 1、JC 2、JC 3和JC 4孔深25米，花管深度埋深5～25m，可见图2和图3。
(3)测试地下水背景电导率和氯离子浓度，测试钻孔和观测孔地下水水位；配置固定浓度(20g/L)的示踪剂置于容器中，实验开始后先投氯化钠示踪剂11千克，使得孔中地下水中的氯化钠浓度迅速达到20g/L，接着持续泵入示踪剂至投放孔ZK 1中，利用溢流槽保持ZK 1的水位保持在孔口高程。
(4)搭建现场监测系统
将监测探头(连续监测水体的电导率和水压力)布设在示踪剂投放孔ZK 1和监测孔JC 1、JC 2、JC 3和JC 4中，确保监测孔中有一个监测探头位于初始地下水位以下，记录地下水中的电导率和水压力变化情况；将监测探头与数据采集器连接，可见图3；
(5)标定地下水体中的电导率与氯离子浓度标准曲线：采取现场地下水体，配置不同浓度的氯化钠样品，利用电导率仪测试其电导率值，利用硝酸银滴定法测定其氯离子浓度，建立电导率值和氯离子浓度标准曲线，试验所得曲线关系为：氯化钠浓度＝0.5848×电导率值，单位分别为g/L和ms/cm，决定系数为0.9995，利用上述标准曲线将地下水体中的电导率监测数据转换为氯离子浓度数据，可见图4；
(6)建立对应数值模型并拟合试验参数：
利用GMS(Groundwater Modeling System)软件搭建与试验平台对应的数值模型，按照试验的物理边界设置数值模型边界，包括试验场地四周的水文地质边界条件、地下水初始流场和初始氯离子浓度。考虑示踪剂在地下水中的对流与弥散作用，通过拟合试验数据获取强风化层现场尺度弥散度。利用GMS建立以试验区为中心的网格模型，模型的尺寸为180m×100m×70m，场地东西两侧设置为的定水头边界，模型分为6层，1-2层为覆盖层与强风化层，共厚18m，2-4层为中等风化层，共厚6m，5-6层为微风化岩体层，共厚46m。模型的网格按照钻孔所在位置进行加密，共有有效网格121632个，可见图5；
利用GMS建立了示踪剂持续注入35天的地下水渗流非稳定流模型，由模型的计算结果与JC01水位观测值可知，模型计算的水位较为准确，误差小于0.5m，可见图6；
接着建立ZK1持续注入浓度为20g/L示踪剂，连续注入35天后停止注入，继续监测至第60天的示踪剂运移数值模型。模型中的孔隙度分别设置为0.1(1-2层)、0.05(3-4层)和0.01(5-6层)。分别输入不同的弥散度α(单位：m)来模拟示踪剂的运移过程，，并以JC01井中监测的示踪剂浓度变化情况为例进行拟合分析。本次拟合分别计算了弥散度为0.01m～6m范围共20个工况，选取了其中决定系数较高的四种工况，即弥散度分别为0.3m、0.5m、1.0m和2.0m的情况，其中弥散度α＝0.5的决定系数最高为0.94，因此，实例强风化层弥散度建议值为0.5m，结果见图7。
本发明的一种强风化层弥散度现场尺度试验测定方法，属于现场尺度方法，较之试验室尺度更贴近实际，所得系数更为精确；试验的示踪剂一般选择氯化钠，为环境友好型试剂，且制备简单，成本低廉；试验采用的监测装置可实现连续无扰动长时间监测，数据的后处理精确；利用GMS(Groundwater Modeling System)软件搭建与试验平台对应的数值模型，可以契合试验的各物理边界条件，同时拟合研究强风化地层中的溶质运移弥散度，拟合结果精确。
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