运用多种方法判定地下水流向...研究——以某填埋场项目为例_潘福来.pdf

2023年第2期西部探矿工程*收稿日期：2023-02-16修回日期：2023-02-18作者简介：潘福来（1970-），男（汉族），广东新会人，工程师，现从事水文地质、工程地质、环境地质相关工作。运用多种方法判定地下水流向的研究以某填埋场项目为例潘福来*（广东省水文地质大队，广东 广州 510510）摘要：测定地下水流向是水文地质勘查一项重要工作内容。在工程建设领域准确地测定地下水的流向对污染防治、防渗设施布置、基坑截排水设计具有重要意义。针对某填埋场的水文地质条件，运用水位统测数据分析、自然电位法和数值模拟等方法查明地下水流向，以期为相关工作提供参考。关键词：水文地质条件；地下水；水位统测；自然电位；数值模拟中图分类号：P641 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2023)02-0167-041概况某填埋场项目因选址毗邻饮用水水源保护区，为确保项目建设、运营不会对水源保护区的水质产生影响，需论证项目场地地下水与东侧饮用水水源保护区之间的水力联系，为论证项目东侧边界建设地下水的防渗墙工程的必要性、可行性提供水文地质资料。2场地水文地质条件简介2.1地形地貌场地属丘陵地貌，三面环山，地势南高北低，北面为沟谷，高程约17.5m，分布有水塘；西部和南部为低丘，坡度一般1530，最大高程89.7m，东侧中部为丘间谷地，地势平坦，地面高程约27m。因人工开挖平整，部分地段破坏原始的地形地貌。2.2含水层结构及特征场地大部分地段直接出露强风化粉砂岩，沟谷处分布第四纪冲积层和残积层，局部人工堆填有素填土。其中素填土（Qml）、冲积粉质粘土（Qal）及残积粉质粘土（Qel）厚度较小，透水性弱极微，富水性贫乏。场地主要含水层为早侏罗世桥源组（J1qy）强中风化粉砂岩夹细砂岩，紫红、灰黄色，中厚层构造，裂隙发育，岩体破碎。含水岩组顶板岩性多为粉质粘土，底板为微风化粉砂岩。含水层层顶标高13.6327.11m，埋深1.5013.60m，层厚19.2029.10m。地下水类型为碎屑岩类裂隙水，属潜水性质。根据现场钻孔进行完整井稳定流抽水试验结果，含水层渗透系数K为0.090.96m/d，平均0.47m/d，透水性属中等，富水性弱。场区地处北回归线以南，属亚热带季风气候区，雨量充沛，多年平均降雨量大于多年平均蒸发量，大气降雨是场区地下水的主要补给来源。场地所在水文地质单元很小，地下水接受降雨下渗补给后，依地势由高往低，径流方向总体由南向北北西流至山谷，径流途径短，排泄方式主要为潜水蒸发、地下径流排泄至下游河谷。3地下水流向探测方法本次工作场地为项目东侧谷地，工作内容包括准确判定场地地下水的流向，与相邻的水源保护区是否存在水力联系。因场地地形较平坦，无法直接确定地下水分水岭位置，而且地下水动态变化大，场地周边及不同时段的地下水流场十分复杂，给工作带来一定困难。通常测定地下水流向多采用示踪试验，本场地含水层渗透系数小，水力坡度较平缓，地下水流速缓慢，采用示踪试验耗时长，费用成本高，无法满足项目进度要求。本次工作采用水位统测数据分析、自然电位法和数值模拟等方法综合对比、分析，较为可靠地查明场地地下水流向。3.1水位统测数据分析场地地下水位动态变化与降雨量密切相关，不同时段的地下水流场变化大。本次观测时段涵盖平水期和1672023年第2期西部探矿工程根据分析结果，不同时段因降水入渗使地下水位发生明显变化，地下水分水岭也相应发生迁移，8月份水位最高时分水岭接近东侧用地红线，7月29日离用地红线最远，约71m，观测期间地下水分水岭在上述范围内变动（图2），图中显示不同时段均存在场内地下水部分会流至东面保护区。3.2自然电位法本次在东部山谷处共布设了12个自然电位测试点，使用国产DUK-2A多功能直流电法仪进行自然电场观测。采用环形观测法，以测点为中心，按照0（N）、45（NE）、90（E）、135（SE）、180（S）、225（SW）、270（W）、315（NW）、360（N）等八个方位用经纬仪定出测线，每条测线测量电极距均等一致。极距大小经试验确定为30m，依次测量与不极化电极之间的自然电位差。将观测的电位值V按一定比例标在图上，用曲线丰水期，从2021年6月至2021年9月，大致按10d一次的频率，进行20个监测井共8期地下水位统测。通过各期统测水位数据，使用Surfer软件进行等水位线及流域分区图绘制，并对地下水流向和流域分区分析（图1）。图1代表性时段地下水等水位线及流域分区图图2不同时段地下水分水岭变动范围图1682023年第2期西部探矿工程连接起来，成一个椭圆，即“8”字形电位图。地下水在运动方向上产生的电位差大，所以椭圆的长轴方向即地下水的流向。根据各测试点测量数据绘制自然电位电位图综合分析，场地地下水总体流向为东偏北向，局部为向东或东南向（图3）。图3自然电位法测点位置及测试结果图3.3数值模拟法本次模拟采用GMS模拟系统中的MODFLOW建模。MODFLOW由于其程序结构的模块化、离散方法的简单化和求解方法的多样化等优点，被广泛用来模拟井流、河流、排泄、蒸发和补给对非均质和复杂边界条件的水流系统的影响。模拟范围覆盖项目所处水文地质单元，其中北侧以沟谷口为混合边界，东侧山谷段将边界外扩至水源保护区水库，明确为一类边界，其余各地段为水文地质单元的分水岭，属零流量边界。整个模拟区域面积约0.27km2，平面网格剖分在XY方向按10m10m划分，整个模型单元格为6636个。3.3.1水文地质概念模型模型地形数据采用1 2000 地形图，地层数据收集项目专项水文地质勘查和岩土工程地质详细勘察的钻孔资料，地层自上而下为：人工填土、冲积粉质粘土、残积粉质粘土及粉砂岩夹细砂岩。（1）目标含水层。地下水类型为碎屑岩类裂隙潜水，含水层岩性为强中风化粉砂岩夹细砂岩，层厚8.3028.40m，其下伏为相对隔水微风化粉砂岩。（2）水文地质参数。模拟主要参数为含水层的渗透系数、有效孔隙度，其中含水层的渗透系数0.090.96m/d，根据差异性进行分区（图4），有效孔隙度根据岩性、孔隙度等确定取0.15。图4渗透系数分区图（3）边界条件。模拟四周边界为：北侧沟谷口为混合边界（已知水头和流量），水位高程14.50m；东部保护区水库为一类边界（已知水头），水位高程18.80m；其余各侧以丘陵分水岭为隔水边界。模型的上边界为降水蒸发边界；下边界以微风化岩面，概化为隔水边界。（4）源汇项。主要包括补给项和排泄项。目标含水层的补给项主要为大气降水的垂直入渗面状补给，局部分布山塘以地表水下渗形式补给；排泄项以蒸发为主。其中大气降雨入渗补给量按下面公式计算：Q降=0.1iPiA式中：Q降多年平均降水入渗补给，104m3/a；P多年平均降雨量，mm/a；降雨入渗系数；A计算区面积，km2。根据邻近气象站19712000年气象资料统计年平均降雨量1826mm，大气降雨渗入系数按地表岩性分区1692023年第2期西部探矿工程取0.150.27。在模型计算中采用RECHARAGE（补给）模块来处理，补给量作用于顶层活动单元。蒸发排泄量RVAP根据地表最大蒸发量和极限蒸发深度确定。具体计算模型为：RVAP=|RMAXhhs0hhs-dRMAXh-(hs-d)d(hs-d)hhs式中：RMAX地表最大蒸发量；hs最大蒸发量对应的高程，一般取地表高程；d极限蒸发深度，取6m。潜水蒸发量采用EVAPOTRANSPIRATION（蒸发）模块来处理。3.3.2模型校验模拟初始水位以含水层顶板标高计算，在模型中设置了20个地下水位监测点，计算水位与实测水位误差值标准设为0.5m。根据计算结果，误差绝对值在0.050.48m，计算水位与实测水位吻合较好，建立的数值模型基本能够反映工作区的水文地质条件和地下水动力特征。3.3.3模拟计算结果根据模拟结果，场地地下水计算流场与实际基本相符。通过系统中MODPATH模块展示东部平坦谷地处的地下水流线（图5），图中明确显示项目场地内的地下水部分会通过谷地流向水源保护区中水库。4总结本次工作应用水位统测数据分析、自然电位法和数值模拟等方法综合分析判定场地地下水流向，多种方法反映结果较为一致，有利于准确判定复杂流场中地下水的流向，为污染防治、防渗设施的布置提供必要的水文地质资料。其中水位统测数据分析法简单方便，具普遍适用性，需要有3个以上位置合适的观测井孔，根据同一时段观测资料进行等水位线绘制分析，能较好判定地下水的整体流向；自然电位法具有低成本、高效率优点，在现场无井孔情况下，可快速测定局部地下水流向，在地下水位埋藏较浅的场地效果较好；数值模拟需要掌握对象水文地质单元较详实的资料，费时较长，但通过模拟结果的流线图能直观形象地展示场地整体或局部的水流方向。以上三种方法各具优缺点，可灵活应用，相互验证，能较准确地判定场地地下水的流向，为防渗措施的合理设置提供可靠的依据。参考文献：1吴炳富.三点法测定地下水流向的技术方法J.治淮,2020(2):20-22.2吴强,雷宛,刘伦.高密度电法在地下水流向调查中的应用探究J.世界有色金属,2018(3):291-292.3刘建章,刘承磊,穆磊,叶竞雄.地下水环评中水流向的确定方法探讨J.中国水运(下半月),2017,17(2):100-101.4张开伟,赵海超,杨灵杰.自然电位法在岩溶地区地下水流向调查中的应用C/2016年全国工程勘察学术大会论文集（上册）,2016:610-613.5王艾.充电法在水文勘查中解决地下水流速流向探析J.山东煤炭科技,2016(8):168-169,172.图5代表部位地下水流线图170