一种测算有效孔隙度和地下水流速的方法.docx

1、佥卞水）瘾矽带敛0传评刈矿岫i修第9卷第4期1992年12月地质科学译丛JournalofGeoscienceTranslationsVol.9No.4*.i&?2质字T纣7一种测算有效孔隙度和地下水流速的方法物/5街亿粽StephenH.Hall等EarthandEnvircnnientalSciencesCmter»PacificNorthwestLabaralcry,P.O.Bax999,Richland,Woshingtoi99352引言在涉及含水层中水的溶质运移研究中准砺地测算地下水流速和有效孔隙度是非常重要的.本文是根据一个研究含水层特征项目期间所收集的资料撰写而

2、成，此项目是为给一个含水层热能贮藏系统设计高效井场而实渔的.在这次应用中，流速决定着下游冷水的排出母，亦即注入含水层中的热水量，而有效孔隙度决定容纳给定水量所需的含水层体积.描述含水层中层流地下水运动的达西定律方程包含三个变s：a）地下水流速；i2）水力梯度；（3）渗透系数。如要计算平均线性地下水流速,还需第四个变量，即有效孔隙度.为了应用达西定律准确预测含水层中平流地下水的溶质运移，至少必须知道这四个变谶中的三个.水力梯度可通过测屋水位确定,渗透系数用含水层试验求得（此次研究用的是定流量抽水试验）.流速可利用句然梯度下的双井示踪试验直接测出，但这就需要有距离试验井适当、正下游方向的监测井.同

3、样也可用示踪试验测出有放孔隙虞，但至少要有一个合适的观测井.或者根据含水层岩心的实验室试验也可求得有效孔隙度.然而，实验室试验结果一般反应的是总孔隙度而不是有效孔隙度（有助于地下水流动、相互连通的孔隙空间的总体积）。由于地下水调查的经费和工期的限制，设置监测井做双井或多井示踪试验的方案很容易被排除。由于同样的原因，钻探取心和实验室试验也不大实际.这样，流速和孔隙度两看常为未知数，也就解不出达西方程.Leap和Kaplan（1988）描述了一个用于计算地下水流速的单井漂移回抽示踪试验.它不同于达西定律，试验结果分析并不依校水力梯度和渗透系数.试验过程是：把示踪剂液注入试验井.让示踪剂在自然水力梯

4、度下漂修一段时问.然后从试验井回采示踪布试验不需要监测井，地下水流速是示踪利漂移时间、回采示踪利质M中心所需时间、如水址、含水层哼度以及有效孔昧度的函数（类似达西定律），通过计算便求捋.他伯还简译信收到U期11992-03-30地质科学译丛要评述了其它相关的示踪方法.本文旨在阐明，当漂移和回抽试验在同一个井试验时，所用的达西定律及方程可被处理为具有两个未知数（流速和有效孔成度）的两个非线性联立方程式。通过图解法或代数法求解方程就可得到这些参数的唯一解.这个方法巳在野外试验过，并且用自然梯度下双井示踪试验进行了验证.公式达西定律（包括有效孔隙度项）可写为:V=KI/n（1）式中/为平均线性地下水

5、流速,K为水平渗透系数1为水平水力梯度，,为有效孔隙度.Leap和Kaplan（1988）描述的漂移回抽试验方程可写成：V=（Q.t/n讪）上"（2）式中为回采示踪剂期间抽水髭为从抽水开始直至回采到示踪剂质最中心所经历时间,b为含水层厚度,d为从注入示踪剂直至回采到示踪剂质髭中心所经历酎同（即漂移时间加。.值得注意的是，方程（2）是为稳态水平平流传输占优势的均质承压含水层推导的，而且含水层具有一个局部稳定的水力梯度.方程（2）中的3与为方程（1）从导水系数计算渗透系数所用的含水层厚度是一致的.对于方程（1）和（2）均有效的含水层，方程经过代换和重组可得到流速和孔隙度的代数表达式，即：

6、y-<?.t/nbKI（3）a=nbK/Qt（4）这样，流速和孔隙度就可由试验结果直接算出，尽管水文及示踪试验都是在同一井中进行的，局部均质各向同性的假设仍为方程（3）和（4）所持有，然而，水文试验涉及的是78整个以试验井为中心的径向含水层，而示踪试验却只涉及试验井下游含水层中较窄的一部分空间.注意，在方程（3）中可用导水系数T取代bK.于是，即使不知道含水层厚度，也可用导水系数直接算出流速（尽管算不出有效孔隙度）.Leap和Kaplan。988）给出了一个有关漂移回抽试验的重要限制条件.他们描述了一个存在于井孔下游一定距离处称为“流速影”的东西，并且提到：如果回抽前没让示踪剂漂移到流速

7、影的影响范围之外，那么试验结果将会朝着流速很小的方向偏移.在他们的试验中，漂移时间短时，算出的流速低于巳知真值的30%.他们并没有提供一种方法来预测含水层中流速影的范围.但明显的含意是：用不同的漂移时间重复试验，随着漂移时间的增加，将会导致数据会聚于正确、无偏差流速上来.试验结果中具有相反效应的另一误差来源是可以想象到的.观察一下方程（2）和（3）可知，当地下水实际流速趋近零时，不管漂移时间如何，回抽时间必须趋近零才会得到流速的正确计算结果.然而，示踪剂的做是一定的，因而回采示踪剂质虽中心所需酎问决不会为零.也就是说，地下水流速越慢以及示踪剂故越大，那么就越可能算出地下水流速过高.同时不可能预

8、测流速影的影响可抵消多少示踪剂髭的影响.通过研究这些谡差表明，当流速低、示踪剂髭大或漂移时何短时，必须谨慎解释漂移回抽试验结果.方程（2是为承压含水层推导的，但在下述野外应用中，把它应用于无压含水层中也得到了满意结果.试验上述方法被应用于亚拉巴马州试验场的一存别算有效孔隙度和地下永流速的方法无压含水层.含水层由松散砂、含砾砂、粘质砂土组成，试验点下伏致密粘土，其平均恤水厚度约为50英尺°地质研究表明，含水层实际上可分为两个水文地质单元，一个承压的和一个无压的，它们被粘土层隔开。试验井附近的水平水力梯度为0.005,它是根据试验井和三个观测井中水位测髭而得.最近一个观测井离试轮井约15

9、0英尺，这些井均为完整井.试验井为回转钻进凿成，安装了直径约10英尺的PVC填砾波水管，有关缝隙、砾石大小和裸井直径等数据均未获得.进行了一个抽水虽为280加仑/分的定流址抽水试验。通过观测井资料分析表明，导水系数为2000英尺/日，因而渗透系数为40英尺/日，并且发现离试验井80英尺的观测井处于试验并正下游。当水位从定流量抽水试验完全恢复之后，就进行漂移回抽试验.示踪剂溶液是通过把0.330磅溟化锂溶解于160加仑抽出的地下水中配制而成，并以4加仑/分的速率将其注入试验井，接着以同样速率立即注入106加仑未处理的地下水作为压挤液.其目的是迫使示踪利流出井孔进入地层，使流速影的影响降到最小.而

10、且假定把压挤液压入地层将造成以井轴为中心的环状示踪剂塞，而旦至少一部分部分示踪剂不会处于流速影中.遗憾的是，试验井的设计资料表明井径约6英寸，而在试验场却发现约是10英寸.这样，留作压挤液所用水的体积少于整个井孔体积，因而只有部分示踪剂进入含水层中。让示踪剂在自然梯度下从注入中心点漂移3760分钟，将泵置于含水层底板上方约15英尺处，以60加仑/分的速率进行回抽。在此抽水速率下，试验井最大降深不会超过5英尺（即含水层他水厚度的2%）,.通过对抽出水频繁采样及应用漠化钧海子壮择电W的野外分析来监测示踪剂回采过程。图1表示所采样的实验室浪化物溜试结果。数捐宏明，抽水刚开始时浪化物浓反约为l.4mg

11、/L,5分钟以后就几乎为零了.澳化物的初治峰值可能是由于井孔穿入含水层以下致密粘土几英尺而在井中造成了一个死体积的结果.注入示踪剂的一小部分可能会与死体积顶部的水相混合，但不会漂移到含水层.回抽期间，井中紊流可能使死体积的澳化物带入到取样水流中.31漂秒回抽法验示跃剂回采阶&期问的澳化物浓度图1还表明大约在抽水100分钟后溟化物浓度出现低谷值，并H似乎还将示踪剂回来曲线分成两个粗略可辨的峰.此双峰可能是由于用净水压挤液迫使漠化物溶液移出井孔进入地层所产生。也就是说，这两个峰值一个代表最近回采的示踪剂，另一个代表环状示踪剂塞的示踪剂。换一种籍释就是含水层包含两个具有不同水力待征的带，而且

12、回采曲线中的两峰实际上代表不同的地下水流速速率.举例说,粘土上层上下含水层单元具有不同的水流速率。以下数据分析忽略了双峰，其结果作为含水层基本特征来解释.1加仑*3.78S41X10Jm»|l英尺-0.3048m“英寸=0、0254tn她质科学译丛-1.U1K幺更Lu-i_l_I_I_I_I_L_j_儿._i*2324252b32930M3233343S3637综合图1浪化物回采资料可知，对示踪剂质蛀中心(即注入漠化物的一半)回采了91分钟才进入抽取漂移的示踪剂阶段。应用方程(3)和(4)得出流速仅多于3英尺/日，有效孔隙度为6%.图解结果见图2.此图中流速作为方程(1)和(2)中有

13、效孔隙度的函数而作图，曲线交点表示满足方程(1).(2)的解,并且此点同样代表用方程(3).(4)计算所得值。图解具有以下优点：如果需要，代表试验不精确性的误差可表示成一个或两个函数形式，那么不精确性对试验结果的影响就很清楚了.05)01520253035有散孔隙度«百分散52作为有效兄隙度的一种函数鼻出的地下水流速(a)根据深移回抽示踪试玲(b)达西定律。曲线交点代表试验场流速和孔隙度的唯一解对于这个松散砂层含水层来说，有效孔隙度为6%比预计的要小，可能是由于粘粒及粘土层的大址存在以及沉积物分选性差所致。双井示踪试验水力梯度分析表明，距离试验并80英尺的一个观测并处于其正下游方向，

14、因而它可作为自然梯度下双井示踪试验的监测井。试骏首先配制了3000加仑浪化钾示踪剂溶80液，浓度为10mg/L,其注入速率约为75加仑/分。按照6%的有效孔欢度，3000加仑示踪剂将占据约6500立方英尺的地层。因为含水层厚度为50英尺，假定它为一柱体，那么示踪剂平面图直径应为3英尺.这样，估计地卜,水流向。才，即使具有4度稍多的角度误差，一侧的示踪剂仍会通过监测孔并被检测出来°S3自然梯度下双井示踪试验期间下游监测井中平均澳化的浓度注入示踪剂后第27天起，开始对监测井定期取样。由于获取合适采样装备的困难,第27天之前的数据均已漏失。每天定时从取样并中每向距5英尺取一个样并作澳化物分

15、析。图3表示5英尺至50英尺问距内的平均波化物浓度随时间的变化曲线.要说明的一点是，到第27天时示踪剂已抵达取样并，从第27天到第37天的平均波化物浓度逐步下降。很髭然，示踪剂通过监测井的蜂值在第27天或之前.所以根据此试脸可知平均地下水流速必须等于或大于3英尺/日.尽管一些迹象表明地下水流速随深度稍微有所下降，然而5至15.2英尺何距浪化物的垂直分布并未显露出差别.结论如果已知某井导水系数和当地水平水力一种测算有效孔快度和地下水流逑的方法梯度，既不需要计算有效孔隙度，也不需要含水层厚度数据，应用同井漂移回抽试验就可提供足够的计算地下水流速煎信息.如含水层厚度已知，还可计算出有系孔添度，尽管本

16、文提出的方法对承压含水层是十分合适的，然而它已成功运用于无压含水层.在上述试验中，通过选择一个抽水髭产生一个合适的小降深（相对于含水层厚度），那么，本方法应用于无压含水层所产生的误差也是很小的.在亚拉巴马的TusailOQsa试验场，在自然梯度下用双井示踪试验部分地验证了本方法.双井试验为地下水流速计算提供了一个不太严格的边界限制，其结果与解析解吻合得很好.本次研究中的试验井和观测井均为完整井.更确切地说，Leap和Kaplan是用完整井来完成方程（2）的验证的.将本文提出的方法应用于非完整井可能会产生误差，误差大小取决于并相对完整程度以及含水层中垂直与水平的渗透系数比.为了避免漂移回抽试验产

17、生偏差结果，需让示踪剂漂移到流速影的影响范围之外.在上述试验中，示踪剂漂移到了1。英寸直径的试验井下游约&5英尺处.显然，流速影随井径而增大.同理，回填的砂砾可能影响到流速影，其影响程度取决于充填的砂砾与含水层物质之间水力参数的比值.最后一点是有关示踪剂浓度的具体注意事项.由于回抽期间的稀释作用，因而漂移回抽试验所需示踪剂浓度一般比双井试验高.在上述试验中，回抽期间实测的澳化物浓度峰值不及注入示踪剂浓度的2%.相反，尽管沿着80英尺漂移路径会产生弥散，估计水流方向可能会有再度误差，以及当浓度峰值通过监测孔时可能会错过采样，然而，双井试验期间的实测滇化物浓度峰值仍然是注入浓度的24%左右.译自（GroundWater>Vol.29,No.2,p.171174,1991方飞翔译钟佐景技采用加焦个别珞体的方法从雅库梯金刖石中分离代体组分的实际工作表明.在整体上和对个别金伯利岩筒来说，不同形态类型的金刚石晶怵具有不同数位比例关系的弋体组分.八面体金刚石具有高含髭的CO：和N“分别为3.212.6*10-，和2.39,8X10-矽8晶体）.袤形十二面体金刚石则含较高数量的水（4.327.7X107g/g晶体）.在黑金刚石中测到了较高含的一氧化碳（7.82&7X10-g/g晶体）.各种形态类型金刚石的气态分泌物总浓度不一样.触愧含气体的是黑金刚石<20.8-