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NaCl作为示踪剂在西北苦咸水区地下水水动力弥散试验以定边县东梁村为例
贾利军1,邓吉强1,康卫东1,罗奇斌1,畅俊斌2,吴广涛2
（1. 西北大学大陆动力学国家重点实验室,陕西 西安 710069；2. 国家地质矿产部地质工程勘查院,陕西 临潼 710600）
摘 要：在定边县东梁村一农户家院外选取NaCl作为示踪剂,采用径向收敛水动力弥散实验理论方法进行了第四系松散沉积层的现场水动力弥散试验,计算了潜水含水层的弥散参数.结果表明,NaCl作为示踪剂在苦咸水区也可取得明显的、良好的效果,填补了在苦咸水区选用NaCl作为示踪剂的空白,同时也得出了该场地的纵向弥散度aL为0.812 cm,为进一步建立该地区地下水溶质运移模型、预测地下水污染的发展趋势和评价该地区地下水环境质量提供了重要依据,同时也为苦咸水区弥散试验示踪剂的选取提供了借鉴.
关键词：弥散实验；苦咸水；弥散度；示踪剂
中图分类号：S273.4 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2016.11.117
陕西省榆林市定边县深居西北内陆,地下水含盐量较高,尤其是靠近苟池与苟池东西湖的东梁村,地下水含盐量可达4 060～4 096 mg·L-1,是典型的苦咸水区,水化学类型主要为Cl·SO4-Na及N·Mg.地下水弥散系数是表征污染物质在地下水中运移传播的一种参数[1],而弥散度的确定,又是溶质运移模型建立必不可缺的参数之一,它直接影响着模型预测结果的准确性以及精确度.
弥散试验场地范围处于定边县西北部的白于山区北侧与毛乌素沙漠南缘的过渡地带,地貌类型主要为沙漠和滩地区,属于干旱半干旱地区.地下水水质受到地形地貌、地层岩性、地下水循环等条件的影响,类型复杂多变,呈现出错综复杂的咸水区和淡水区.随着人类活动的增加和社会的不断发展,地下水污染问题日益严峻,因此对地下水中污染物质的运移和对污染物质发展趋势进行预测是非常有必要的.由于存在弥散试验的尺度效应[2-3],人们更倾向于野外现场试验来获得弥散参数.此次选取东梁村为试验场地,进行弥散试验研究.
弥散试验示踪剂的选择应遵循毒性很小（或无毒）、价廉、易测试、可伴随地下水运移而不改变流场的性质,且对吸附现象反映最小的原则[4].目前,国内外常用的示踪剂有离子化合物、人工放射性同位素、有机染料和碳氟化物4类；孙宏、杨清平等用碱性玫瑰精作为示踪剂,使用分光光度法进行水动力扩散示踪试验研究：丁乃抒、朱和以放射性同位素131I作为示踪剂[5],测定地下水含水层弥散系数.由于NaCl无毒经济,且在地层中方便检出的性质,皮锴鸿、罗奇斌、吴耀国、丁家、苏贺等学者分别以NaCl为示踪剂在不同地点进行了潜
水含水层的野外弥散试验[6-10].他们在做实验的过 程中,地层中Cl－的背景质量浓度值均较低,小于 1 000 mg·L-1；然而,在定边县东梁村,Cl－背景质量浓度值大于4 000 mg·L-1,Cl-质量浓度远高于其他地区,因此,尝试使用NaCl作为示踪剂进行弥散试验.此次试验选取NaCl作为示踪剂,通过弥散示踪试验,研究NaCl在弥散试验过程中离子的分布规律.
1 弥散试验井孔的布设
弥散试验场地位于东梁村一农户家院外,周围为沙漠滩地区,地势较为平坦.场地周边岩性以褐黄、浅棕间夹灰绿、灰白色的粉土,粉质黏土和粉细砂为主,中间夹杂棕红色黏土透镜体.地下水主要赋存在亚砂土夹薄层粉砂透镜体中,含水层厚度1～15 m,统降10 m,出水量小于100 m3·d-1.地下水含水层为第四系松散孔隙潜水含水岩组,水位埋深5～30 m,地下水水化学类型主要为Cl·SO4-Na及N·Mg,水体矿化度高,水质较差.图1为试验场地井孔布设图,其中：g1为示踪剂投源孔,CH为抽水孔,g2为径向示踪剂监测孔,CH距投源孔g1为9.58 m.
2 弥散试验过程
配制饱和的NaCl溶液（20 ℃ NaCl溶解度为36 g）作为示踪剂,试验之前用水泵抽水,待水清澈且观测孔的水位降深达到稳定后,开始进行弥散实验.试验过程中,抽水孔以定流量抽水,抽水量为432 m3·d-1.示踪剂投放之前,先对抽水孔、观测孔处于稳定水位时的地下水Cl-背景质量浓度进行测定.经测定,试验场地地下水Cl-背景质量浓度值为4 060～4 096 mg·L-1.试验用的示踪剂溶液由质量为175 kg NaCl配制而成,一次性瞬时注入,尽可能地让高质量浓度NaCl溶液均匀混合,并将示踪剂投放时间作为弥散试验开始的时间.
示踪剂投放后,平均每隔1 h在g2孔中取样,测其电导率值,并根据25 ℃时Cl-电导率与Cl-质量浓度关系标准曲线图（见图2）,将电导率值换算为Cl-质量浓度.当检测到离子质量浓度有明显变化时,平均每隔10 min取样测试1次,并加大测试密度.现场试验延续时间,主要是根据水样中Cl-质量浓度随时间变化曲线而决定的,当所取水样中的示踪剂离子质量浓度从背景值达到峰值并逐渐降低到起始背景质量浓度值,然后再稳定一段时间后终止试验.此次示踪剂注入时间为2015年6月24日11：00,即抽水18 h后,开始往水中注药.至2015年6月26日21：00结束注药,共历时47 h,绘制出弥散试验与抽水试验时段的关系见图3.
3 弥散试验结果与讨论
3.1 试验结果
监测孔g2中示踪剂质量浓度随时间的变化情况见第119页表1.第119页图4为示踪监测孔Cl- 质量浓度随时间变化曲线图.由第119页表1和图4可知：在试验开始后的24.03 h检测值开始升高,在27.1 h时,观测孔g2中Cl-质量浓度达到峰值
12 966.7 mg·L-1,之后逐渐回落到背景质量浓度,背景值试段内的局部数据会围绕着背景值有一定幅度的小波动,主要是因为示踪剂在多孔介质中的运移情况是一个非常复杂的过程,取得的水样测试具有一定的随机性等所致.
3.2 弥散参数计算方法
此次利用管井抽水,目的是使井附近天然流速与抽水井流速相比可忽略不计,形成以抽水井为中心的径向流场[11-12].在抽水试验达到稳定后,一次性瞬时注入高质量浓度饱和NaCl溶液开始进行弥散实验.而径向流场瞬时注入法数学模型需要满足一定的条件：一是含水层为均质各向同性,底板水平、等厚、在平面上无限展布；二是抽水井及观测井的井径较小,且为完整井；三是瞬时投放示踪剂且与井水混合均匀；四是示踪剂在含水层中按机械扩散方式向抽水井运移,忽略分子扩散,机械扩散满足Fick定律；五是示踪剂不发生任何反应或者只被吸附于含水层固体颗粒表面,但吸附作用被认为
是可逆的,满足瞬时线性等温吸附方程；六是抽水
井中示踪剂质量浓度不影响含水层中示踪剂质量浓度等假设条件.此次野外弥散试验是在上述假设的基础上利用标准曲线法计算的.
描述稳定径向渗流场中溶质运移的基本方程（对流-弥散方程）为
式中：c为示踪剂质量浓度,mg·L-1；aL为纵向弥散度,m；u为地下水流速（径向散发流u＞0,径向收敛流u＜0）,m·d-1；r为径向距离,m；aT为横向弥散度,m；θ为方位角,°.
对流-弥散方程的最后一项是由于横向弥散而产生的,对径向散发或径向收敛的渗流场,由于径向地下水流速很大,忽略横向弥散作用不会导致较大误差,故径向渗流场中溶质运移的对流-弥散方程可以简化为
对于瞬时注入径向流的情况,Sauty采用有限差分的数值法,计算得出了一组以Peclet数P为参数,以无因次质量浓度Cr和无因次时间tr为纵横坐标的标准曲线,用于确定含水层的弥散度aL [13].
无因次质量浓度Cr和无因次时间tr的确定,依据现场试验实测数据,将观测质量浓度C换算成无因次质量浓度Cr,观测时间t换算成无因次时间tr,公式为
计算得到纵向弥散度（径向弥散度）aL值,拟合情况见第120页图6.
根据上述方法,将弥散试验数据的实测曲线与标准曲线进行分析,得到了定边县苦咸水区弥散度计算结果,见第120页表2.
4 结论
1）根据前人的成果及经验判断,场地内的横向弥散度aT大致为纵向弥散度aL的1/5 [14],可得横向弥散度aT的经验推断值为0.162 cm.
2）试验结果表明,在西北苦咸水地区用NaCl作为示踪剂研究离子背景质量浓度较高时的地下水动力弥散试验过程,也可取得良好的效果.
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