项 望
河北煤田地质局 物测地质队，河北 邢台 054000
摘要：在海水入侵区通过抽水试验确定地层渗透系数时，长时间大规模抽取地下水可能导致海水入侵进一步加剧，抽取的高盐分地下水的排放往往会对地表生态环境造成二次伤害。振荡试验是地下水研究中现场快速确定岩土体渗透系数的主要技术方法，与抽水试验相比振荡试验在快速评价海水入侵区地层渗透性过程中存在诸多优势。为快速评价海水入侵区不同埋深地层渗透性，减少实施常规水文地质试验对存在污染含水层的扰动，提出利用振荡试验技术确定滨海地层渗透系数。
关键词：振荡试验；海水入侵区；室内实验；现场实验；渗透系数
1研究背景
国内学者对振荡试验的研究起步较晚。在相当长一段时间内振荡试验在国内并没有获得广泛的应用，主要原因是：没有针对振荡试验的应用规范；没有专门实施振荡试验水位差激发和水头响应采集的仪器。为给海水入侵区水文地质模型、水流及溶质运移数值模拟模型等提供高精度渗透系数，提高现场确定海水入侵区含水层渗透系数的效率，减少水文地质试验对存在污染含水层的扰动。本文首先在利用海水入侵区含水介质构建的砂槽物理模型中进行注水式振荡试验，在人工潜水含水层和承压含水层中同步监测试验主井和相邻观测井中水位响应，通过室内实验确定多层仿真含水层系统渗透系数；结合室内实验的经验和渗透系数值，进一步在海水入侵区地下水分层监测井中实施提水式和注水式振荡试验，快速评价不同埋深地层渗透性。
2砂槽物理模型实验
振荡试验，相对于抽水试验和压水试验是一种非常规水文地质试验手段，通过短时间在测试井中激发水头变化（升高或降低），记录测试主井和观测井中水位恢复到初始状态的响应过程，基于半解析解模型分析水位（水头）响应过程以计算目标地层的水文地质参数。长期以来，国内外学者关于振荡试验的研究成果主要集中在振荡试验理论模型的推导，主要考虑因素有目标含水层类型（承压含水层、非承压含水层）、测试主井类型（完整井、非完整井）、是否利用观测井进行实验、是否考虑测试井—含水层系统的惯性效应（欠阻尼振荡、临界阻尼振荡、过阻尼振荡）。对振荡试验主要理论模型的适用条件和优缺点进行了总结。
2.1海水入侵含水层室内仿真模型构建
结合海水入侵区滨海含水层系统，长度为6.6m、高1.5m、宽0.6m。砂槽内利用高透水过滤板隔离成3部分，过滤板分别距两侧30cm，两侧水槽注水模拟海水和内陆边界。砂槽中间填充人工含水层，上部为细砂（厚度0.4m）、中部为黏土（厚度0.25m）、下部为含砾粗砂（厚度0.5m），模型使用的细砂、黏土和粗砂均从省市海水入侵区采集。
2.2实施室内振荡试验
大型滨海含水层砂槽模型中潜水井和承压井均为完整井。为确定介质为含砾粗砂承压含水层水文地质参数，在3#测试井中共进行3组注水式振荡试验，注水量分别为1.0L、2.0L和3.0L，1#井作为观测井同步记录含水层水头响应。为确定介质为细砂潜水含水层水文地质参数，在4#测试井中共进行3组注水式振荡试验，注水量分别为0.5L、1.0L和1.5L，2#井作为观测井同步记录含水层水头响应。室内实验过程中测试井内压力传感器采集频率为1（即1秒钟采集1个数据）。室内实验过程中受两侧定水头水位控制装置性能影响，砂槽含水层中水位整体存在波动干扰。当在承压含水层中进行振荡试验时，观测井中水位对测试主井中水位变化响应非常迅速；测试主井不同注水量条件下水位初始上升高度约12.6cm、23.3cm和29.4cm，此时观测井中水位上升幅值分别约为2.2cm、4.3cm和5.0cm。当在潜水含水层中进行振荡试验时，测试主井不同注水量条件下水位初始上升高度约7.9cm、15.8cm和24.7cm，未监测到观测井中水位对测试主井中水位变化有明显响应，主要原因是潜水测试井中注水体积较小、观测井中水位受到的干扰较大。
大型海水入侵砂槽物理模型主要功能是用于模拟潮汐和海平面上升对海水入侵的影响机理，实施海水入侵砂槽模拟实验之前需要对潜水含水层和承压含水层渗透系数进行测定，抽水试验受模型尺度限制实施比较困难，本文通过实施注水式振荡试验快速确定了仿真潜水含水层和承压含水层渗透系数。现场实验所在海岸地下水分层监测剖面的地质勘察结果显示，含水层介质主要为中砂、粗砂和砾砂，室内实验结果为现场实验提供了重要的判断依据，表明海岸含水层属于高渗透性含水层，若地下水分层监测井连通良好，实施振荡试验的耗时将较短。
3海水入侵区现场实验
为了给科学管理沿海地区地下水资源，防治海水入侵等工作提供基础数据，本文选择省龙口市作为渤海沿海典型海水入侵区，针对滨海多层含水层系统进行了一系列振荡试验现场实验研究。在海（咸）水入侵区无地下水分层监测井地区利用Geoprobe系统在不同埋深地层中实施气压式振荡试验，获取了弱透水层和承压含水层渗透系数。本文利用海岸建设的地下水分层监测井，实施振荡试验确定不同埋深含水层渗透系数。
3.1现场实施振荡试验
由于对地下水的不合理开采，如农业灌溉、生活生产用水和煤矿疏干排水等高强度开采，导致滨海含水层地下水出现了采补失衡，地下水水位持续下降，地下水水位负值区逐年增加，进而导致海水入侵面积逐年扩大。市于1990年代开始采取防治措施，海水入侵速度迅速减缓，入侵面积得到有效控制。近年来受连续干旱影响，地表水的缺乏导致地下水开发利用的需求进一步增加，海水入侵防治的压力也逐渐加大。监测剖面由距海岸线不同位置4组地下水分层监测点组成，每组均分3层对地下水水位和水质进行监测，中学位置受场地限制使用一孔多层（DS4），其他3组使用异孔多层监测技术。首先在地下水监测井中实施提水式振荡试验，提水式振荡试验恢复后，在保证提水桶清洁的前提下将原水再次注入地下水监测井中，最大程度地减少对监测井周围地下水水位和水质的扰动；无法进行提水式振荡试验的监测井中使用注入少量纯净水的方法实施注水式振荡试验。深部含水层顶板埋深变化范围在46.0~56.7m、底板埋深变化范围在51.4~59.2m，利用振荡试验确定含水层渗透系数范围在28.77~125.29m/d（同一实验井中提水式和注水式振荡试验结果取两者平均值）。其中DS4-3地下水监测井中水位恢复曲线出现了明显欠阻尼振荡，计算的渗透系数值为125.29m/d，接近粗砂渗透系数参考值的上限。
4 结论
室内实验受到砂槽模型尺度的影响非常明显，虽然考虑了有限距离定水头边界影响，但尚不能克服有限距离隔水边界的影响。相比于提水式振荡试验，在小孔径地下水监测井中注水式振荡试验更易于实施；提水式振荡试验与注水式振荡试验在确定海水入侵区地层渗透系数时，实验激发方式并没有对试验结果造成明显的影响。需要综合考虑目标含水层类型、测试主井类型、观测井距离、测试井—含水层系统的惯性效应等因素选择合适的振荡试验半解析解模型，生成确定渗透系数参数需要的标准曲线。利用振荡试验在非常短的时间内确定了海水入侵区重要监测断面上不同埋深含水层渗透系数，尤其在抽水试验无法顺利实施的地下水监测井中实施了注水式振荡试验，计算的结果与抽水试验的结果接近，因现场实验影响半径的差异部分点位低于抽水试验确定的渗透系数。现场实验结果表明，海岸第四系覆盖层中海水入侵主要层位的渗透系数范围在35.21~85.81m/d，滨海含水层地下水高强度开采条件下高渗透性含水层更易遭受海水入侵。
参考文献
［1］周志芳，庄超.裂隙岩体渗透张量的特征值扰动分析［J］.水利学报，2015，46（5）：536-542.
［2］周志芳，王仲夏，曾新翔，等.岩土体渗透性参数现场快速测试系统开发［J］.岩石力学与工程学报，
2008，27（6）：1292-1296.
［3］戴云峰，周志芳，赵燕容，等.振荡试验确定倾斜承压含水层水文地质参数［J］.水科学进展，2015，26
（2）：233-242.