使用地下水流速流向仪调查地下水基岩裂隙特征

Abs:裂隙地下水系统具有流径复杂的特点，裂隙水中的污染物运移途径的确定更是一个复杂的过程。传统上确定地下水流速与流向的方法，是在区域内建多个地下水监测井，贯穿径流含水层，通过所测水位数据获得水势，但这种方法在裂隙地下水系统中并不可靠且在井的建造上耗费较多资源。而在岩层裂隙水中通过抽水试验所获得的水力导流系数，也被证明难度较大且可信度不高。一些科学家所进行的示踪法试验，验证了地下水在裂隙中的流向与裂隙的走势平行，但由于裂隙周围多孔介质的存在，以及裂隙之间的交汇，使得地下水流速与流向的特点更为复杂，因此需要更直接的方法来调查裂隙流。

裂隙地下水系统具有流径复杂的特点，裂隙水中的污染物运移途径的确定更是一个复杂的过程。传统上确定地下水流速与流向的方法，是在区域内建多个地下水监测井，贯穿径流含水层，通过所测水位数据获得水势，但这种方法在裂隙地下水系统中并不可靠且在井的建造上耗费较多资源。而在岩层裂隙水中通过抽水试验所获得的水力导流系数，也被证明难度较大且可信度不高。一些科学家所进行的示踪法试验，验证了地下水在裂隙中的流向与裂隙的走势平行，但由于裂隙周围多孔介质的存在，以及裂隙之间的交汇，使得地下水流速与流向的特点更为复杂，因此需要更直接的方法来调查裂隙流。

虽然示踪法可以可靠地分析裂隙流特征，但示踪法实验周期更长，成本也更大，并且所需技术含量也更为复杂，因此被一些研究人员宁愿通过抽水试验来代替[3]。本文主要介绍关于在地下水基岩区域内，使用地下水流速流向仪进行裂隙流的特征分析，包括裂隙

中地下水的流向与流速。该地下水研究区域位于湖北省宜昌市的峡口镇附近的香溪河河谷附近，该处位于香溪河的中下游，两岸山陡坡坡急，裂隙含水层主要以紫砂页岩，泥质岩及灰岩组成。测量深度范围为地表下20米至60米之间6个不同深度。地下水监测井中的水位深度为20米。

AquaVISION地下水流速流向测定仪地下水流速流向测定仪（Colloidal Borescope）采用显微照相视频技术，融合了高分辨率磁通量阀门罗盘和高放大率胶质颗粒追踪摄像机，配合成像、数据处理与分析软件，可以在地下水层流层内，测量地下水流所夹带的颗粒物流速、流向、及粒子大小的分布，从而确定地下水流的特征。

仪器不仅跟踪拍摄到通过显微摄像机镜头焦点的胶质颗粒，而且提供了精确的磁罗盘方向信息。摄像头捕捉到的大量数据点通过AquaLITE软件数字化的图表形式表现出来，并确定不同帧间同一点的线性联系。内置的磁罗盘确定捕获的图像所示的磁向，从而确定实际的胶质粒子的运行轨迹。粒子的水平速度（即流速）可由软件自动运算得出。

在该地下水监测区域内选择一口监测井，将流速流向仪缓慢下放至井内的可能存在主要裂隙流的深度。下放深度的选择主要是通过观察建井钻探过程中所回收的岩芯样本的物理特征，判断出可能出现裂隙流的位置。使用流速流向仪下放至6个不同深度，分别为59米，57米，54米，52米，44米和36米。

下图为岩层监测井的构造示意图[4]：

图2 基岩层监测井构造

图中可观察到贯穿岩层的监测井无需井管作为井壁。已知地层中地下水的流动主要以层流为主，在一个正确建造的监测井中，与井筛垂直的地下水流持续流经并从对面井筛流出，井筛段区域的水不会与井管中的静水混合[4]。同理，岩层中贯穿裂隙断层的地下水监测井中，裂隙水会尽可能以层流的状态流经。因此，若流速流向仪的下放深度正好经过明显的裂隙区域，可以持续捕捉到随地下水径流方向一致的胶体颗粒物图像，从而可以测量该深度地下水的流向与流速。

将流速流向仪下放至制定深度后，使探头在井中静止5分钟左右的时间，让井中地下水恢复静稳状态（搅起的悬浮物沉底）再开始测量。地下水恢复静稳后打开开关，开始跟踪地下水流中的颗粒物。使仪器持续运行至少15分钟，当图表中的数据点分布图趋于稳定时，停止运行，并记录储存数据。将探头移动至下一个深度区域。若仪器持续运行30分钟仍得不到稳定有规律的数据趋势图，则停止对该深度位置的测量，将探头转移至下一个深度。

以下是测量期间内流速流向仪所获得的数据点分布图：（深度分布XK1-XK6，图3-8)

由图3可以看出，分析时间大约20分钟，纵观流向数据点分布图可以判断该地下水层水流方向大致向北，分析软件得出的矢量结果为348.05°，北稍偏西，流速为663.08um/s，水流速度较快而稳定，说明该处很可能是较大岩石裂隙处。

由图4可以看出，分析时间为大概20分钟，分析软件得出的矢量结果为193°，向南，从分布图可以看出该处水流速度测定结果比较稳定，流速为242.46um/s，该层深度只较xk1上提2米，但水流速度骤降，而流向结果有波动变化，该处可能为多条较小裂隙的交汇，因而产生回旋流，或由于不存在明显裂隙，因水力压头而导致的向上流。因此，该层结果是在地下水存在干扰的情况下测得，同时也说明该处并非对应明显的岩石裂隙或断层处，无裂隙流存在。

由图5可以看出，分析时间为大概15分钟，从分析软件得出的矢量结果为40.25°，东北，从分布图可以看出该处水流速度测定结果比较稳定，流速为253.45um/s，该层深度较xk2上提3米，水流速度几乎与xk2 无异，而流向结果同样有波动变化，说明该层水流并非出于较大裂隙，也可说明该处可能存在多条小的裂隙交汇，因而产生回旋流。因此，该层结果是在地下水存在干扰的情况下测得，同时也说明该处并非是较大岩石裂隙处。

由图6可以看出，分析时间为大概31分钟，从分析软件得出的矢量结果为351.13°，北稍偏西，从分布图可以看出该处水流速度测定结果比较稳定，流速为302.55um/s，该层深度较xk3上提2米，水流速度较xk2，xk3高，流向数据点仅显示3分钟的明显波动变化，可能是由于该区域存在较明显的异质性，但总体数据分布趋于规律，大致方向也与xk1吻合。裂隙流的速度跟裂隙流与水势的平行有关，越平行流速越

大，越垂直流速会受些阻碍，也跟裂隙的开口大小有关[5]。所以这片区域的裂隙可能开口较小，也可能跟水势方向不成明显的平行，但该处可被视为污染物潜在运移途径的裂隙或断层。

由图7可以看出，分析时间为大概13分钟，从分析软件得出的矢量结果为342.57°，北稍偏西，与xk1，xk4结果吻合，流速为513.51um/s，与xk1流速相近，从分布图也可以看出该处水流速度和方向测定结果均比较稳定。说明该层测定结果是在地下水没有扰动的情况下测得，且水流速度较快而稳定，说明该处很可能存在较大裂隙或断层，可作为判断地下水水势走向的依据。

由图8可以看出，分析时间为大概11分钟，从分析软件得出的矢量结果为351.30°，北稍偏西，与xk1，xk4以及xk5结果吻合，流速为499.54um/s，与xk1及xk5流速相近，从分布图也可以看出该处水流速度和方向测定结果均比较稳定。说明该层测定结果是在地下水没有扰动的情况下测得，且水流速度较快而稳定，说明该处很可能存在较大裂隙或断层，可作为判断地下水水势走向的依据。

以上结果可知xk1，xk4，xk5及xk6这4个深度位置所对应的地下水流速流向体现了裂隙流存在的特征。

 

由该表可以看出，4个不同深度的地下水流向吻合度高，均为北稍偏西，流速大小不一，可能与裂隙宽度以及水量大小有关。通过以上数据分析，可判断这几个深度的裂隙尺寸均较大，在这些裂隙间地下水流速与流向未受其它因素干扰，没有紊流产生，可作为该处地下水水势走向的判断依据，体现该裂隙区域的地质水文特征。

通过使用流速流向仪对该钻孔中裂隙区域的调查，可以测出其中4个深度是符合裂隙流的特征，可以确定该4个深度均存在该处区域的主要裂隙，也是该区域存在地下水的优先径流。若在该监测区域发现地下水污染物，则该四个深度的裂隙可能成为潜在的污染物运移路径。在这4个深度发现的与之对应的地下水流速，也可以当地下水存在污染物时，判断污染物羽流的运移速度，对污染物的影响范围做出及时的预判。

其它2个深度所获得的结果缺少规律，一种可能性是因为该处为多个较细裂隙断层交汇的地方，裂隙流的交叉形成涡流，或形成向上垂直水流，使流速流向仪难以捕捉有效的数据点。其中一个解决办法是将流速流向仪放置在膨胀阻隔器中间，使探头所监测的区域为井中的一小段，减少干扰，这需要进一步实验来验证。

根据上述所有测量结果发现，地下水流速流向仪是一种十分有效的勘测工具，用来提供裂隙含水层中的地下水水流特征信息。可以在某个具体深度进行地下水流速流向的直接测量，其结果可以与其它的场地信息结合，综合分析出地下水在该区域的特征并辅助对污染物的羽流路径进行判断。