大武水源地?cái)嗔褞шP(guān)鍵水動力參數(shù)確定及污染防治對策

包錫麟，費(fèi)宇紅，李亞松，曹勝偉

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

大武水源地?cái)嗔褞Оl(fā)育，不同地段或深度連通性和滲透性差異較大。因工業(yè)生產(chǎn)與常年開采，水源地存在水質(zhì)惡化的趨勢。目前在水源地金嶺斷裂帶堠皋地段已采取強(qiáng)排方式(即水力屏障)控制巖溶地下水污染，但由于水源地地下水的運(yùn)移規(guī)律認(rèn)識不足，治理效果有待進(jìn)一步提高。精準(zhǔn)掌握開采背景下不同深度巖溶地下水徑流速度和滲透系數(shù)，才能在該水源地?cái)嗔褞r溶水污染段有針對性地優(yōu)化水力屏障等治理措施，為大武水源地進(jìn)一步節(jié)約成本、高效治理地下水污染提供依據(jù)。因此，獲取原位可靠的巖溶地下水流向流速信息，對于開展斷裂帶污染段關(guān)鍵水動力參數(shù)研究具有十分重要的意義[1]。

水源地水質(zhì)治理修復(fù)效果與水文地質(zhì)參數(shù)確定的精確程度密切相關(guān)[2]。地下水實(shí)際流向流速，即質(zhì)點(diǎn)流向流速，是巖溶水污染治理中最為關(guān)鍵的水動力參數(shù)。它不僅指明巖溶水污染的來源和去向，還關(guān)系治理措施的關(guān)鍵技術(shù)或優(yōu)化方案選定[3]。傳統(tǒng)抽水試驗(yàn)確定的滲透系數(shù)，反映的是開采層位多層含水組的混合滲透能力，難以反映不同深度的實(shí)際流向流速[4]。目前，比較成熟的地下水流向流速測量方法有示蹤法[5-6]、自然電位物探法[7]和充電物探法[8-9]等，但都需要大量的前期準(zhǔn)備與持續(xù)的觀測，且易受外部條件干擾。示蹤法如熒光劑[10]、同位素[11]和粒子示蹤劑法[12-13]，在測定時無法及時獲取結(jié)果，且多為揭示整個含水層混合的流向流速。國際上新興的井孔膠體探測技術(shù)，由Peter M Kearl在20世紀(jì)90年代提出，近年來投入商業(yè)使用[14-15]，此技術(shù)是利用高倍光學(xué)放大鏡，捕獲天然狀態(tài)下地下水流動中裹挾的中性膠體粒子[16]，連續(xù)拍攝影像，通過應(yīng)用優(yōu)勢流理論和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法確定地下水實(shí)際流向流速[17-18]，不僅可以原位、即時探測，而且精確度更高[19]。2016年，北京地鐵穿河凍結(jié)工程中采用該技術(shù)探測地下水實(shí)際流向流速[20]，確定了施工地層的滲透性，為施工提供了參考。

目前應(yīng)用井孔膠體探測技術(shù)研究地下水流態(tài)較多，而應(yīng)用于識別和確定斷裂帶水動力參數(shù)、指導(dǎo)巖溶地下水污染治理的研究較少。本文基于井孔膠體探測技術(shù)，以大武巖溶水源地金嶺斷裂帶的堠皋地段為研究區(qū)，布設(shè)7眼探測孔，獲得21個優(yōu)勢流層位巖溶地下水流向流速的探測數(shù)據(jù)，計(jì)算了開采背景下斷裂帶污染段巖溶水的實(shí)際流向、徑流速度和滲透系數(shù)等水動力參數(shù)，進(jìn)行了巖溶水污染水力屏障治理指導(dǎo)的應(yīng)用研究，為該水源地污染優(yōu)化治理提供了重要依據(jù)。

1 研究區(qū)與試驗(yàn)概況

1.1 研究區(qū)概況

大武水源地位于山東省淄博市某大型石油化工基地(圖1a)，為特大型巖溶地下水水源地。該區(qū)南部高北低，南部為低山-丘陵，出露奧陶系上統(tǒng)馬家溝群(O1-2m)石灰?guī)r，地表及地下巖溶發(fā)育；北部為山前傾斜平原，第四系覆蓋層較薄，向北厚度增大。水源地內(nèi)分布有金嶺斷裂、邊河斷層和王寨斷層等，均為平推正斷層，對地層分布和地下水運(yùn)動具有一定控制作用。大氣降水入滲和淄河滲漏補(bǔ)給是該水源地主要補(bǔ)給來源，目前水源地以人工集中開采為主要排泄途徑。大武水源地開發(fā)利用程度較高，20世紀(jì)90年代開采量達(dá)5.2×105m3/d，在主要開采區(qū)形成多個地下水水位降落漏斗；至2001年引黃工程以來，開采量仍為4.0×105m3/d。試驗(yàn)期間，局部依然存在地下水漏斗，地下水水位標(biāo)高低于0 m[21-22]。

試驗(yàn)選擇在大武水源地的金嶺斷裂帶堠皋地段(圖1b)。堠皋地段曾是大武水源地巖溶地下水污染最為嚴(yán)重的區(qū)域[23]，該區(qū)地層剖面示意圖，見圖2。20世紀(jì)80年代中期，3.0×106t乙烯工程在堠皋地段落成，由于管道多處損壞等原因，有機(jī)、無機(jī)污染物滲入了該地段地下水含水系統(tǒng)[24]。目前，該地段采用水力屏障方法治理巖溶地下水污染[25]，試驗(yàn)研究區(qū)內(nèi)設(shè)置水力截獲強(qiáng)排井(簡稱“水力屏障井”，編號SW98)。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological cross section

1.2 試驗(yàn)過程

在流向流速探測試驗(yàn)中，主要用AquaVision膠體探孔器，由精密磁通門羅盤，140倍光學(xué)放大鏡，高強(qiáng)度背光燈和高分辨率鏡頭組成；外部用不銹鋼外殼包裹[26]。探孔器長89 cm，直徑44 mm，其最大探測深度305 m，流速測定范圍為0～30 mm/s。它通過觀測地下水中天然存在的中性膠體粒子，獲取地下水實(shí)際流向流速信息。首先控制鏡頭在預(yù)設(shè)時間內(nèi)，將觀察到的膠體粒子看作質(zhì)點(diǎn)，進(jìn)行拍照捕捉、放大和數(shù)字化。將第一個數(shù)字化的圖像與下一個圖像比較，一個矢量線連接同一質(zhì)點(diǎn)的兩個時刻所在位置，得出相應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方向和速度。羅盤通過捕獲圖像時所示的磁向，校準(zhǔn)實(shí)際膠體粒子的運(yùn)行軌跡，記錄其流向流速結(jié)果，最終通過統(tǒng)計(jì)確定地下水的流速及流向[27](圖3)。在一個穩(wěn)定的流場中，當(dāng)井孔內(nèi)水位不發(fā)生變化時，流入井孔的流量Q入在單位時間內(nèi)與流出井孔的流量Q出是平衡的，即Q入=Q出。地下水運(yùn)動時，含水介質(zhì)性質(zhì)雖發(fā)生改變，但近似作為質(zhì)點(diǎn)的膠體粒子運(yùn)動軌跡和狀態(tài)沒有發(fā)生變化，所以認(rèn)為該儀器測得的流速為地下水的實(shí)際流速。

圖3 井孔膠體流向流速探測結(jié)果示意圖Fig.3 Schematic diagram of flow velocity and direction detection using colloidal borescope注：圖中0°即為向北運(yùn)動，90°為向東運(yùn)動

井孔膠體探測技術(shù)基于地下水優(yōu)勢流理論，最早應(yīng)用于油氣藏開發(fā)工作中[28-29]。在油田開采后期，需要向地下注水，使得低滲透儲層中的石油被帶出，當(dāng)注入水長期沖刷、剝蝕后會形成差異滲流，形成地下水優(yōu)勢流[30]。在本試驗(yàn)中，優(yōu)勢水流區(qū)是最能代表該層流向流速的位置。為確定代表該層地下水流向流速的最佳探測位置，需要依據(jù)已掌握的鉆孔水文地質(zhì)資料，分析含水層位置及水流特征，將膠體探孔器放置于該層水流區(qū)的中心位置測量，然后向水流區(qū)頂、底板位置測量，通過比較，確定優(yōu)勢水流區(qū)位置。在測量之前需洗井，減少井壁雜質(zhì)對探測影響。當(dāng)儀器監(jiān)測的地下水流保持30 min以上穩(wěn)定流動時，則認(rèn)為探測儀器在地下水的優(yōu)勢水流區(qū)域內(nèi)；當(dāng)儀器監(jiān)測的地下水流不穩(wěn)定時，需上提或下放儀器，調(diào)整探測層位位置，直到觀測到穩(wěn)定流保持30 min以上為止。

試驗(yàn)利用研究區(qū)已有鉆孔資料的水位觀測孔，布設(shè)了7眼探測孔，分布于SW98的上游與下游，分別為上游的SW74、SW75、SW95，下游的SW86、SW88、SW99和WK04。在開展不同層位(深度)巖溶地下水流向流速探測之前，7眼探測孔都進(jìn)行過專項(xiàng)抽水試驗(yàn)，計(jì)算獲得了各探測孔全層滲透系數(shù)。整個流向流速探測試驗(yàn)，2018年3月15日開始，2018年4月13日結(jié)束。試驗(yàn)期間研究區(qū)未降雨，且開采穩(wěn)定。

2 關(guān)鍵水動力參數(shù)分析

2.1 流向流速

本次試驗(yàn)獲取了7眼探測孔的21組優(yōu)勢流層位數(shù)據(jù)，其中SW74探測孔5組、SW88探測孔4組、SW75和WK04探測孔各3組，以及SW86、SW95和SW99探測孔各2組(表1)。探測孔位置分布與試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

7眼探測孔流速較快的層位對應(yīng)奧陶系八陡組下部(O2-3b)至奧陶系閣莊組(O2g)上部地層，分別為WK04的110 m、SW74的168 m、SW75的74 m、SW86的145 m、SW88的85 m、SW95的70 m和SW99的110 m(表1)。這是大武水源地金嶺斷裂帶堠皋地段巖溶地下水的主徑流層位，是該地段地下水強(qiáng)烈開采的層位，也是與地下水污染途徑密切相關(guān)和污染治理的重點(diǎn)層位。

表1 各探測孔膠體探測流向流速試驗(yàn)結(jié)果表

圖4 研究區(qū)7眼探測孔實(shí)際水流方向及其與巖溶地下水動力場流向之間關(guān)系Fig.4 Relationship between the runoff direction of 7 exploratory boreholes and the groundwater dynamic field in the study area注：地下水等水位線依據(jù)2018年枯水期50余眼開采井統(tǒng)測地下水位繪制。

假定地下水徑流方向?yàn)闁|，通過投影計(jì)算，得到各探測孔地下水徑流方向的徑流速度(表1中投影換算的徑流速度)。可以發(fā)現(xiàn)：

(1)7眼探測孔計(jì)算確定的地下水徑流方向的徑流速度為52.56～129.54 m/d。存在最大徑流速度的探測孔位于金嶺斷裂右盤、距斷層0.24 km處的SW86孔，探測深度145 m，徑流速度為129.54 m/d，對應(yīng)地層為奧陶系八陡組(O2-3b)粉晶灰?guī)r，表征金嶺斷裂影響的強(qiáng)滲透性。

(2)遠(yuǎn)離水力屏障開采井的SW88孔、WK04孔的實(shí)際水流流向與地下水徑流流向基本相同，地下水徑流方向的流速分別為53.72 m/d和67.64 m/d，對應(yīng)探測深度分別為85 m和259 m，地層分別為奧陶系八陡組上部(O2-3b)和奧陶系五陽山組(O2w)，表明兩個層位巖溶含水層組尚未受到金嶺斷裂的顯著影響，巖溶地下水運(yùn)動方向仍主要受地勢和地層產(chǎn)狀等因素控制。

(3)SW74孔、SW95孔和SW99孔探測到實(shí)際水流方向，明顯不同于地下水徑流流向，探測最大流速方向分別為196.15°、284.29°和265.4°，對應(yīng)探測深度分別為168，65，110 m，對應(yīng)地層分別為奧陶系閣莊組上部(O2g)、奧陶系八陡組下部(O2-3b)，說明金嶺斷裂的影響顯著。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，治理污染的水力屏障開采井(SW98)強(qiáng)烈影響SW74孔、SW95孔和SW99孔的地下水流方向。從SW99探測孔的探測結(jié)果看出，污染段下游的未污染的巖溶水被本來為上游的SW98開采井排出; SW95的探測結(jié)果顯示，斷層西側(cè)的地下水未受到開采井影響，污染有向西擴(kuò)散的可能，說明開采治理不合理。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)的確定

滲透系數(shù)(K)是大武水源地金嶺斷裂帶堠皋污染段巖溶地下水污染治理、水力屏障開采井布局和開采強(qiáng)度優(yōu)化調(diào)整的關(guān)鍵參數(shù)之一。應(yīng)用本次膠體探測結(jié)果，依據(jù)達(dá)西定律計(jì)算了7眼探測孔的21個優(yōu)勢流層位巖溶水含水介質(zhì)滲透系數(shù)。依據(jù)7眼探測孔成井時的抽水試驗(yàn)資料計(jì)算了滲透系數(shù)，進(jìn)行對比分析。計(jì)算對比認(rèn)為，抽水試驗(yàn)獲得的滲透系數(shù)與基于膠體探測地下水質(zhì)點(diǎn)速度獲得的滲透系數(shù)較為接近。但SW75與SW95的兩組滲透系數(shù)差異較大。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，SW75與SW95為1993年同一時段成井，鉆孔資料中地層編錄的部分較為粗略，抽水試驗(yàn)計(jì)算時使用的含水層厚度值過大，導(dǎo)致計(jì)算后的滲透系數(shù)過小。其他5孔的探測結(jié)果計(jì)算滲透參數(shù)范圍與抽水試驗(yàn)計(jì)算的滲透系數(shù)相符。

經(jīng)流向流速分析與關(guān)鍵參數(shù)確定，可以認(rèn)為大武水源地金嶺斷裂帶堠皋污染段的巖溶水污染治理優(yōu)化調(diào)整深度為169 m以淺層位，此層位既為奧陶系八陡組下部(O2-3b)至奧陶系閣莊組(O2g)上部地層流速較快的層位，也為滲透系數(shù)較大的層位。該層水動力條件復(fù)雜，受生產(chǎn)、斷層、水力屏障等多重因素影響。

3 巖溶水污染治理對策

3.1 斷裂對水源地影響的非單一層位性

大武水源地金嶺斷裂帶堠皋地段是該水源地巖溶水污染最為嚴(yán)重的區(qū)域，自1988年以來，由于苯、氨氮等污染，該段地下水水質(zhì)長期處于Ⅴ類水。目前SW98孔作為巖溶地下水污染治理的水力屏障開采井，其上游段的SW74、SW75孔巖溶水實(shí)際流速方向與SW98水力屏障開采井的匯水方向基本相同，分別為109.63°和117.29°(表2和圖5)。SW74孔的徑流流速和滲透系數(shù)分別為69.80 m/d和246.37 m/d，SW75孔的值分別為52.56 m/d和77.72 m/d，對應(yīng)深度分別為169 m和74 m。呈現(xiàn)出金嶺斷裂影響下SW74、SW75孔所在區(qū)域巖溶地下水穿越金嶺斷裂帶向東，補(bǔ)給下游開采井的強(qiáng)滲透-徑流能力，而且分別發(fā)生在不同層位(74 m和169 m)，表現(xiàn)出金嶺斷裂對大武水源地地下水非單一層位的影響。

3.2 水力屏障井混合開采的治理不利性

介于SW75孔與SW98孔之間的SW95孔，其徑流速度最大的層位流向?yàn)?84.29°，換算的徑流流速和滲透系數(shù)分別為-50.37 m/d和271.98 m/d，對應(yīng)深度65～70 m。SW95孔不僅實(shí)際水流方向與SW74、SW75 孔的實(shí)際水流方向和SW98水力屏障開采井的匯流方向相反，而且，徑流流速和滲透系數(shù)也明顯大于SW75探測孔的相應(yīng)參數(shù)。由此表明，SW98水力屏障開采井采用的全裸孔抽排控制巖溶地下水污染的方式，未能高效控制淺部(70 m深度以淺)側(cè)向流入該水源地的易污染水源。從距金嶺斷裂約1.03 km處的SW99探測孔的巖溶地下水水流方向、徑流流速和滲透系數(shù)來看，整體的水流方向與區(qū)域地下水流向相反，且其徑流流速和滲透系數(shù)分別達(dá)49.38 m/d和199.62 m/d(對應(yīng)深度110 m)。表明SW98水力屏障井在80～110 m層段的開采強(qiáng)度過大(與潛水泵位置有關(guān))，以至造成大武水源地核心區(qū)巖溶地下水倒流，導(dǎo)致水源地核心區(qū)水質(zhì)較好的中深層巖溶地下水被輸排。而金嶺斷裂帶附近淺部水質(zhì)較差的水源側(cè)向流入水源地狀況尚未得到高效控制。

表2 研究區(qū)探測孔不同深度巖溶地下水含水層滲透系數(shù)差異特征

圖5 探測孔不同探測深度的巖溶地下水流向分布特征Fig.5 Distribution of flow direction of groundwater with different exploratory holes and different depths

3.3 優(yōu)化水力屏障井抽排層段及開采強(qiáng)度

為優(yōu)化水力屏障井的治理效果，應(yīng)調(diào)整其抽排層段與開采強(qiáng)度，需加強(qiáng)斷裂帶上游段70 m以淺的側(cè)向流入水量的抽排開采強(qiáng)度，減小80～110 m深度的抽排強(qiáng)度。其中應(yīng)增大70 m以淺的抽排強(qiáng)度，至SW95正西方向上的徑流流速明顯小于50.30 m/d，使得金嶺斷裂帶對SW95影響減??；減小80～110 m的抽排強(qiáng)度，使得SW99正西方向的徑流流速明顯小于 49.38 m/d，避免未受污染的巖溶水倒流。由此，不僅可以提高大武水源地堠皋污染段巖溶水污染治理效果，而且還會降低治理成本和規(guī)避不必要的優(yōu)質(zhì)巖溶水資源浪費(fèi)。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)含水層強(qiáng)徑流層位(即易污染段)位于奧陶系八陡組下部(O2-3b)至奧陶系閣莊組(O2g)上部地層，65 m以淺的側(cè)向流入補(bǔ)給是該水源地巖溶地下水污染的主要來源。

(2)水源地金嶺斷裂帶附近巖溶地下水具有多元質(zhì)點(diǎn)流向，不同區(qū)段或?qū)游坏乃鞣较蚝退俣炔町愝^大：斷裂帶以西的SW74的169 m層位、SW75的74 m層位實(shí)際水流流向與徑流流向相符，揭示了斷裂帶的導(dǎo)水性以及對水源地的非單一層位影響； SW99實(shí)際水流流向與地下水徑流流向相反，指明了水力屏障井混合層位開采的不利。

(3)應(yīng)加強(qiáng)70 m以淺的抽排強(qiáng)度，使得SW95正西方向上的徑流流速明顯小于50.30 m/d，減小金嶺斷裂帶強(qiáng)導(dǎo)水影響；減小80～110 m深度的抽排強(qiáng)度，使SW99正西方向上徑流流速明顯小于49.38 m/d以避免水質(zhì)較好的地下水倒流。

致謝：感謝中國地質(zhì)科學(xué)院博士生導(dǎo)師張光輝研究員對本論文的悉心指導(dǎo)和修改；感謝山東省地質(zhì)調(diào)查院楊麗芝研究員的悉心指導(dǎo)，朱恒華所長，劉春華、劉治政副所長、淄博市水資源管理辦公室邊農(nóng)方處長對大武水源地調(diào)查與試驗(yàn)進(jìn)行的技術(shù)指導(dǎo)；感謝濟(jì)南大學(xué)劉迪、李軍來同學(xué)的野外工作支持。