1、.页眉.页脚Westbay 分层精细测量技术在地下水污染调查中的应用张宏达，卞振举，Bill Black，徐文新工作单位：斯伦贝谢水务地址: 北京市朝阳区酒仙桥路14号，兆维华灯大厦. 邮编 100015摘要：本文分析了当前国内地下水污染现状，地下水污染预测预警面临的挑战，总结分析了 Westbay 系统的技术特点及其优势，并以三个研究实例说明了 Westbay 系统在含水层精细描述和地下水污染调查中的应用。0 引 言我国地下水占到全国水资源总量的 1/3，全国近 70%的人口饮用地下水，地下水是重要的饮用水水源。随着经济的高速发展，地下水污染的问题日益突出，据调查，全国有 90%的地下水都遭
2、受了不同程度的污染，其中 60%污染严重，水体污染正加剧地下水危机，危及饮水安全。同时，污染物类型亦由单一型向复杂型转变，尤其是高致有机物和重金属污染物的生物转化过程较长，易在生物体内发生富集放大，危害更为严重。因此，建立完善的地下水预测预警体系和应急体系刻不容缓。地下水预测预警的关键是野外采集地下水特征参数的准确性和时效性。由于含水层非均质性和地质构造的存在，即使是在同一含水层中，地下水的流动特征亦具有很大的空间差异性，即不同位置（水平和垂向）的压力和水质存在差别。水在含水层中的流动特征是优先的管状流，水是污染物的载体，污染物会随着地下水的优先流动路线运移。传统的地下水调查技术采集的含水层垂
3、向特征数据密度较低，通常水位测量的是多个含水层的平均水位，采集到的水样也是多个含水层的混合水样，且一眼井每次只能采集一个数据，无法准确了解不同含水层和同一含水层的不同深度的水动力和水化学条件的差异性，必然造成对含水层特征认识上的不准确，进而影响地下水流动系统和水化学场的识别精度，难以准确及时地查明污染羽状体的空间分布形态及时空演化特征，不仅掩盖了真实的污染程度，而且会人为夸大污染范围，从而加大污染修复的成本。显而易见，在此基础上进行的各种研究和模拟预测结论的可信度。.页眉.页脚要精确识别地下水流动系统和水化学场的时空演化特征，就需要对含水层系统的不同位置特别是垂向进行水位测量和水样采集并进行长
4、期监测，以获得不同层位的水位和水质动态的大量高密度数据，准确刻画污染羽状体的时空分布及演化规律，为地下水污染修复和预测预警提供实时的 4D 数据。Westbay地下水分层精细测量技术实现了单井中对含水层系统中的不连续层段进行地下水压力原位测量、含水层原状样品采集、监测层位清洗、并进行常规的水文地质试验，如抽水（或微水）试验和示踪试验，更加精细地描述水文地质和水化学条件，不仅大大减少监测井数量，节约时间和经费，而且提高了研究区的数据密度。此外，为了保证测量数据质量，Westbay 系统实现了野外现场校验，可轻松解决数据质量问题，这是其他方法所不具备的，亦为地下水污染的精细调查提供了一种有力的工具
5、。1 Westbay 技术特点及优势分析1) Westbay 系统简介Westbay 系统是一种可根据含水层实际分布进行自由组合的、一根配置多个阀门的密闭套管的地下水分层测量装置。允许通过单井套管上的阀门，进入每一目标含水层，以详细了解含水层的压力、水力传导率和水质在垂向上的变化。Westbay 系统由井下系统和井上设备两部分组成。井下系统是固定安装在井孔中的密闭套管，可包含多个由止水器分隔的测量区，测量区之间由不同类型的接箍和不同长度的套管节连接。井上设备用于对井下系统进行操作控制，包括可移动压力测量组件、取样探头、以及一些专用工具。2) Westbay技术优势分析Westbay系统设计精密
6、，性能可靠，超越了以往所有的地下水测量技术。它为水文地质工作带来了全新的视点，前所未有地实现了含水层压力、水质、渗透性能等水文地质工作所需的全部参数的一次性获取。其技术先进性主要体现在：a) 单井多层，无层数限制，也无井深限制。测量层最小间隔可达 1.5m，井深可达 2000m 以上。b) 含水层原位压力测量和原状水样采集，采样无须反复洗井：压力测量和.页眉.页脚采样过程对天然含水层几乎没有扰动，均是在完全密封条件下进行，确保样品来自于目标含水层，水样可保持含水层原状压力送实验室分析，完全避免了采集多层混合井水和二次污染的可能性，并可实现多含水层的长期自动监测。c) 可完成全套的水文地质试验（
7、抽水、微水、示踪等）：在压力测量或采样的同时，利用设备控制器绘制的压力响应曲线即可对含水层的水力性能进行初步评估。在初步认识含水层渗透性能的基础上，可利用抽水接箍专门进行抽水、微水、示踪试验等水文地质试验。此外，如有多个 Westbay 井，还可针对某一层进行抽水，同时监测本井和其它井的各个含水层的响应特征，精确评估各含水层之间的水力联系程度。d) 提供空前的高密度数据及更为详细的含水层描述：含水层压力和水质数据可实现与地层岩性特征的匹配，更细致地刻画含水层特征，结合数值模拟技术，可以更准确地预测未来发展趋势，大大促进地下水资源的可持续利用。e) 野外现场校验功能，保障数据质量：多数地下水测量
8、装置都不能进行野外现场校验，而 Westbay 系统在设计和制造过程中充分考虑到了这一问题，专门配备了现场质量控制程序，可以定期检验层间密封（不连通）性，即止水效果。并可现场校验水文地质试验、采样过程、设备运转是否正常，确保系统长期可靠使用，这是常规监测井无法做到的。f) 标准化、组合式设计，安装、使用方便：Westbay 系统不同尺寸的套管、各种接箍、止水器等均为标准化设计和制造，安装前的任何时刻均可修改监测层方案，不会造成工期延误或影响其它测量层的设计。30多年来，先后在美国、加拿大、法国、英国等国多个地下水污染调查项目中应用。2 应用案例实例一：加里福尼亚Fort Ord地下水污染调查F
9、ort Ord 是美国加里福尼亚中部Monterey 海湾附近的一个废弃的空军基地，初步调查发现，该区地下水受四氯化碳污染，且污染物已向下部含水层迁移。由于深.页眉.页脚层含水层岩性以砂砾石为主，且长期过量开采，不仅严重干扰了深部流场，而且产生了区域性的海水入侵，使得研究区内的水文地质条件十分复杂。尽管已有几十眼常规监测井在运行，但利用这些井取得的数据难以准确描述深部含水层的污染程度。经过对多种技术的综合评估，研究人员最终认为Westbay系统不仅是唯一一种单孔中没有数据容量限制的测量技术，而且是能够对指定深度含水层监测的性价比最高的工具。Westbay 系统的安装分两个阶段，第一阶段安装6眼
10、井，第二阶段安装了9眼井。图1 Fort Ord地区四氯化碳浓度（ g/L）剖面图(据 Taraszki 等, 2002).通过对Westbay 井取得数据的整理分析，查明了研究区内含水层中四氯化碳的污染程度，精确刻画了污染羽状体的空间分布特征和时空演化规律（图1），为污染修复提供了科学依据。如图1所示，污染物并未完全充满50-100m 含水层，若常规监测井为完整井，由于污染段和非污染段的水在井筒中的混合作用，导致最终从井筒中取得样品的污染物浓度会低于污染段的实际浓度，还会人为夸大污染范围，增大污染修复成本。在完成污染调查任务的同时，还得到了该地区海水入侵的最新情况，也就是海水已从加里福尼亚的
11、太平洋海岸向内陆推进了2.4km 。此前，当地水利部门利用常规监测井数据得出的结论是这一地区地下水中氯离子的最高浓度为500mg/L，而其中一眼Westbay井从主要供水含水层下部取得的水样数据则表明氯.页眉.页脚离子浓度高达6000 mg/L以上（图2）。这一成果为该地区海水入侵研究提供了有力的证据，也为今后海水入侵长期监测指明了方向。图2 Fort Ord地区氯化物浓度（mg/L）剖面图(据 Taraszki 等, 2002).实例二：DuPont Belle 地下水污染调查1988年，作为美国环保局资源保护与恢复行动计划之一，DuPont公司对其位于西弗吉尼亚州的一家工厂所在地DuPon
12、t Belle进行地下水污染调查。在2.4km2的调查区内，历史上曾遗留了大量的固体废物填埋场，调查的主要目的就是查明这些固体废物对地下水的影响程度。工厂位于West Virginia的中南部Kanawha河的冲积阶地上，主要生产农用特种化学物质。厂区北侧为山区，地形陡峭，沟谷切割强烈，地层结构亦十分复杂，由一系列的砂岩、页岩、煤、粘土岩交互组成。调查工作面临四个方面的难题：1. 地下水系统已经受到低浓度的半挥发和挥发性有机物的污染，需查明污染范围和污染程度；2. 要分别查明五个不同的含水层的污染程度，其间的隔水层均为页岩；3. 监测井位于山顶上，井深超过280m，施工难度较大；4. 陡俏的地
13、形和水平层状地层可能导致钻孔中短距离内压力发生剧烈变化，需详细识别垂向压力变化，查明研究区地下水流场特征，提高污染物运移模拟预测的准确度。.页眉.页脚在部署了很多常规监测井以后，调查人员意识到，要准确认识研究区内复杂的地下水流场，从常规监测井获取的数据远远不够，而需要更多、更高质量的数据。由于在山区部署常规监测井群需要耗费大量的时间和高额的资金，因此，要求采用的技术既要经济高效，又必须具有很高的稳定性。经过反复比较，最终决定采用Westbay系统。图3 调查区水文地质剖面图1994年，5个基岩裸井中安装了Westbay系统，井深均超过268m ，且每眼井都有超过40层以上的监测层。由于从这5眼
14、多层监测井中取得的水质和压力数据仍不足以准确认识研究区的水文地质条件，分别于2000年增加了6眼，2005年增加了一眼多层井。借助Westbay 井提供的高密度数据，查明了研究区含水系统中挥发性和半挥发性有机物的分布特征，及其在水平和垂向上的影响范围，并利用这些Westbay井持续监测有机污染物在含水系统中的时空演化规律。同时，利用Westbay监测井的压力数据建立了研究区渗流场的三维水文地质概念模型（图3），且已得到主管部门认可。Westbay 系统的使用使得在钻井、野外维护、废物处理方面节约了大笔经费。实例三：美国马里兰州一个污染场地调查Galaxy Chemicals/Spectron公
15、司有一家工厂位于美国马里兰州的Elkton镇，工厂距繁忙的95号州际公路约6英里。19621988年期间，这家工厂主要进行化学溶剂回收和燃料混合工作。马里兰州于1988年将其关闭，不久之后，美国EPA将这家工厂所在地列入优先治理名单，随后开始对该场地的污染情况进行调查。.页眉.页脚Galaxy使用该处场地期间，地下水就已受到诸如 TCE、PCE、TCA等挥发性有机污染物的污染。污染场地位于两条山脊之间的Little Elk河边，地表土层很薄，之下为裂隙发育的结晶岩。调查分两部分开展，即OU-1 (上部松散层) 和OU-2 (基岩含水层) ，其中基岩含水层的调查十分困难，这是由于要查明复杂的裂隙
16、水文地质条件和高浓度、非水相污染物的分布特征，就需要超出正常调查很多的数据量，才能准确圈定污染范围和程度。图 4 Galaxy Spectron 污染场地基岩裂隙地下水概念模型调查初期，利用钻探、采集不同深度井孔水样分析等手段，得到了基岩裂隙含水层中污染物类型和污染范围的一些基本信息。随着调查的进一步深入，需要了解更加详细的、不同深度的地下水污染特征，经过筛选比较，并经美国EPA批准，Westbay系统作为深入研究的主要工具之一。自2006年安装以来，这些Westbay系统就作为该污染场地监测网的重要组成部分持续提供地下水污染信息，并开发了地下水水质和流动系统的概念模型（图4）。最终，利用We
17、stbay 系统，取得了关于OU-2基岩裂隙含水层的以下认识： 基岩裂隙最初是沿着区域面理形成的； 裂隙率和裂隙大小随深度增加而减小； 含水量和含水裂隙容量随深度增加而减小； 水力梯度显示地下水向着河流及其上游流动； 深部基岩水不受降水影响； 地下水位与大气压力具明显的相关性；.页眉.页脚 富水性差的裂隙带，地下水流动性差，稀释能力差，污染物浓度高；富水性好的裂隙带，地下水流动性好，稀释能力强，污染物浓度低。Westbay系统 提供了一种高效、经济适用的方法，深入细致地了解基岩裂隙含水层中压力分布，确认地下水流动方向，提供准确的水质数据描绘污染羽状体空间形态。3 结 论由于地质结构的复杂性和含
18、水地层的非均质性，导致污染物在地层中的迁移和分布规律十分复杂。要准确描述污染物在含水层的空间分布特征并预测其时空演化规律，就需要大量高密度的地下水4D数据并配以高级地下水模拟技术。 Westbay系统完美地实现了单井中多层测量含水系统垂向特征和长期监测，尤其适用于具有复杂水文地质条件污染场地的含水系统特征调查和监测，准确获取含水系统的流场特征和水化学特征的大量动态数据，为地下水模拟提供高质量基础依据，提高了模拟预测精度。与传统水文地质调查技术相比较，在获取相同数量和质量地下水动态数据前提下，Westbay 系统具有显著地技术先进性和高性价比特征，是污染水文地质特征精细调查的强有力工具，也是水文
19、地质调查技术的巨大进步。参考文献1. Patton, F.D. and H.R. Smith. 1986. Design considerations and the quality of data from multiplelevel groundwater monitoring wells. Proc. ASTM Symp. on Field Methods for Groundwater Contamination Studies and Their Standardization. Cocoa Beach, FL.2. Bouwer, H. and R.C. Rice. A slug
20、test for determining hydraulic conductivity of unconfined aquifers with completely or partially penetrating wells. Water Resources Research, Vol. 12, No.3, June 1976.3. Cooper, H.H., Jr., J.D. Bredehoeft, and S.S. Papadopulos. Response of a finite-diameter well to an instantaneous charge of water. W
21、ater Resources Research, Vol. 3, No. 1, First Quarter 1967.4. Taraszki, M., Merey, C., and Mitchell, G.: “Groundwater Quality Evaluation Using Westbay Monitoring Well Systems, Former Fort Ord, California,” Proceedings of the National Monitoring Conference, 2002: Washington, DC, USA, National Water Quality Monitoring Council.
