一种地下水循环井影响范围的预测方法与流程

1.本发明涉及地下水污染修复技术领域，特别是涉及一种地下水循环井影响范围的预测方法。


背景技术：

2.近年来，随着我国工农业生产以及城市化的发展，各种有机、无机污染物和病原微生物进入地下水，地下水资源也受到了不同程度的污染，部分城市的地下水甚至还检出了致癌、致突变、致畸污染物。一旦地下水资源受到污染，一方面制约工农业安全生产，另一方面严重威胁人体健康，甚至会导致癌症的发生。因此开展地下水污染治理工作迫在眉睫。
3.地下水循环井技术(groundwater circulation wells)作为新兴的原位修复技术，通过为地下水创造三维环流模式形成压差扰动，在增大地下水影响半径的同时加速污染物质传递，使注水井注入的修复剂快速抵达目标位置从而提高污染物的去除效果，实现对地下水的原位修复。随着gcw修复技术的发展，其修复功能由单一驱动逐渐与原位化学氧化、电化学修复、生物修复等新型修复技术耦合，可以有效缩短修复时间，提高修复效率，实现对地下水的综合治理。
4.如图1所示，循环井包括循环井主井、若干排监测井。循环井主井主要包括5个部分：内井、外井、曝气泵、上筛管和下筛管，循环井通过内外井管组合嵌套而成。我国的地下水循环井修复技术目前仍然处于探索阶段，相关的研究工作大多限于室内实验和数值模拟阶段，尚没有成熟的gcw修复技术应用案例。而循环井应用于实际修复工程时，往往涉及循环效率及降解效率等工艺参数的优化设计，其待解决的技术问题主要集中在：三维流场计算与精细刻画、指示修复影响半径计算、修复区域的预测等，而这些问题的关键是厘清各类地下水循环参数对循环井原位修复范围的影响机制。
5.目前大多数地下水流场模拟研究依托循环井渗流模型，通过数值计算得出水头降深解析，或者利用模拟软件采用传统的有限差分法、有限元法、边界元法以及粒子追踪法建立gcw流场数值模型，以获得准确的循环井影响半径。此外，由于循环井可以驱动溶质在含水层中运移的特性，且井筒中采集浓度数据也较为便捷，循环井示踪试验在对实际场地含水层溶质运移范围的刻画方面具备不可替代的优势。基于对流-弥散方程理论，许多学者建立了大量解析以及数值模型来研究径向溶质运移规律。首次提出循环井示踪试验(dftt)概念的sutton et al.(2000)在循环井稳定流情况下求解溶质运移模型，将三维径向轴对称溶质运移转化为沿着流管运移的一维对流弥散情形。此后越来越多的学者考虑了不同的水文地质约束条件建立新的反应迁移模型，实现对dftt的延伸，提高了溶质运移模型的精度。
6.由于循环井流场的发散性和汇聚性而具有多相流特征，以上提及的数值模型也受到巨大的挑战，例如数值弥散、数值震荡以及收敛等问题。目前已经存在的地下水循环井运移模型往往忽略实际的诸多影响因素，仅依靠渗流模型无法明确的反馈含水层因素和井体工艺参数等诸多因素共同作用下的循环井影响范围的变化。另外，在野外进行循环井示踪试验时，由于仪器检测所需示踪剂浓度较高，为保证精度需投加大量的示踪剂，一方面增加
了经济成本，另一方面由于浓度过大会影响该地区地下水水质变化。
7.综上所述，现有技术还没有提供一种不额外向地下水循环井中投加示踪剂，且能在考虑不同含水层因素影响的条件下预测地下水循环井影响范围的方法。因此有必要通过理论结合实际应用的角度合理解决循环井影响半径预测的难题。


技术实现要素：

8.本发明提供了一种地下水循环井影响范围的预测方法，可以解决现有技术中存在的问题。
9.本发明提供一种地下水循环井影响范围的预测方法，包括以下步骤：
10.利用测速探头测定研究区循环井未运行时的地下水背景流速u0；
11.运行循环井，记录不同时间t不同监测井位点l的地下水循环流速，得到循环井的地下水循环流速u；
12.根据地下水所在介质状况选择渗透系数k；
13.利用流量计获得循环井运行时的地下水流量q；
14.根据渗透系数k、流量q、时间t、监测井位点l和循环流速u进行多元非线性拟合，得到拟合方程；
15.确定地下水循环流速u的临界值，利用边界条件式确定最小循环速度u
min
，根据最小循环速度u
min
和拟合方程得出循环井最大影响半径l
max
；
16.模拟研究区地下水渗流过程，建立研究区循环井有限元数值模型，在循环井有限元数值模型中根据循环井最大影响半径l
max
，估算循环井最大影响面积s和最大影响体积v。
17.优选的，所述拟合方程如下式所示：
[0018][0019]
式中，a，b，c，d均为常数项，u(x，0)为初始时刻t＝0时x处的循环流速，u(0，t)为边界x＝0上t时刻的循环流速，u(l，t)为在x＝l处t时刻循环流速。
[0020]
所述边界条件式如下式所示：
[0021]umin
＝2u0。
[0022]
优选的，根据面积估算公式估算循环井最大影响面积s，面积估算公式如下式所示：
[0023][0024]
式中，s为循环井最大影响面积，v为循环井最大影响体积，l
max
为循环井最大影响半径，h为上筛管筛口至下筛管筛口之间的距离。
[0025]
优选的，根据体积估算公式估算循环井最大影响体积v，体积估算公式如下式所示：
[0026][0027]
优选的，所述测速探头安装在监测井内部，通过变送器将温差信号转变为电信号，得出监测井位点地下水循环流速。
[0028]
优选的，通过水位计测量循环井主井水位。
[0029]
优选的，通过曝气泵运行循环井。
[0030]
优选的，所述流量计安装在循环井主井内部。
[0031]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0032]
(1)本发明提出的测定方法不额外向地下水循环井中投加示踪剂，方便检测不同时间不同位点的循环流速变化情况，适用于地下水渗流过程中的野外和模拟研究。
[0033]
(2)本发明提出的预测方法操作简单，只需记录渗透系数k、流量q、时间t、监测井位点l和循环流速u，将这些参数进行非线性拟合，根据简单的计算公式即可对地下水循环井影响范围进行预测，不涉及复杂的数据处理过程，便于求解。
[0034]
(3)本发明能够有效处理多种流动状况下的溶质运移情况，为合理的预测循环井最大影响半径提供参考。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1为循环井技术的结构示意图；
[0037]
图2为本发明的一种地下水循环井影响范围的预测方法的技术流程框图；
[0038]
图3为本发明的一种地下水循环井影响范围的预测方法的流程图；
[0039]
图4为砂箱模拟槽及循环井运行主视图的简化结构示意图；
[0040]
图5为砂箱模拟槽及循环井运行俯视图的简化结构示意图；
[0041]
图6为本发明实施例的循环井循环流场示意图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
参照图2和图3，本发明公开了一种地下水循环井影响范围的预测方法，包括以下步骤：
[0044]
第一步：利用测速探头测定研究区循环井未运行时的地下水背景流速u0。
[0045]
在本实施例中，将测速探头安装在多个监测井内部，测速探头可通过变送器将温差信号转变为电信号送到计算机进行分析运算，得出该监测井位点地下水循环流速。
[0046]
第二步：运行循环井，记录不同时间t不同监测井位点l的地下水循环流速，得到循环井运行时的地下水的多个循环流速u。
[0047]
在本实施例中，在循环井主井内部安装水位计来测量主井水位。通过曝气泵来运行循环井。曝气泵在内井下部造成负压，再联立外井上下部的筛管在周围构建三维循环流场
[0048]
第三步：参照表1，根据地下水在不同介质中的不同流动状况选择渗透系数k。
[0049]
表1：不同土类渗透系数范围
[0050][0051]
第四步：将流量计安装在循环井主井内部，利用流量计获得循环井运行时的地下水流量q。
[0052]
第五步：根据渗透系数k、流量q、时间t、监测井位点l和对应的循环流速u进行多元非线性拟合，得到拟合方程：
[0053][0054]
式中，a，b，c，d均为常数项，u(x，0)为初始时刻t＝0时x处的循环流速，u(0，t)为边界x＝0上t时刻的循环流速，u(l，t)为在x＝l处t时刻循环流速。
[0055]
第六步：确定地下水循环流速u的临界值，利用边界条件式确定最小循环速度u
min
，
[0056]
边界条件式如下式所示：
[0057]umin
＝2u0。
[0058]
将最小循环速度u
min
代入到拟合方程得出循环井最大影响半径l
max
。
[0059]
第七步：模拟研究区地下水渗流过程，建立研究区comsol有限元数值模型，模型可以假定地下水循环井循环流为近似于椭圆的流场，根据循环井最大影响半径l
max
，可进一步估算循环井最大影响面积s和最大影响体积v。
[0060]
通过面积估算公式估算循环井最大影响面积s，面积估算公式如下式所示：
[0061][0062]
式中，s为循环井最大影响面积，v为循环井最大影响体积，l
max
为循环井最大影响半径，h为上筛管筛口至下筛管筛口之间的距离。
[0063]
通过体积估算公式估算循环井最大影响体积v，体积估算公式如下式所示：
[0064]
[0065]
实施例
[0066]
参照图4和图5。对真实循环井进行模拟，本发明中的循环井模型与真实循环井的结构一致，是缩小版的循环井，能够实现循环井对地下水的循环。驱动机构为蠕动泵，为循环井提供抽注水的驱动力。循环井至少包括抽水管、注水管。井体的底部设置有若干筛孔，允许地下水通过筛孔进入井体内。抽水管贯穿封隔板并且将井体底部的地下水抽出，注入井体的上部。井体的上部分设置有与外界贯通的若干筛孔，注入的水从筛孔流入砂砾内。从筛孔流出的水基于重力的作用向下和倾斜方向流动。由于蠕动泵驱动抽水管抽取地下水并且形成负压，使得砂砾中的地下水基于地下的负压作用向循环井的底部聚集并且通过循环井底部的筛孔再次进入循环井的底部，形成地下水流的循环。
[0067]
开启蠕动泵，运行循环井模拟实验设备，记录不同时间不同位点的循环流速u；循环井实验模拟设备的砂箱中以细砂填满，渗透系数k＝0.726cm/min，驱动泵显示流量为循环井实验模拟设备运行时的流量q；利用上述所得的循环参数(l,t,k,q)与其对应的循环速度u进行多元非线性拟合，所得各循环参数与循环速度见下表2。
[0068]
表2：循环井实验模拟设备循环参数
[0069][0070][0071]
选择p1-p11建立多元非线性回归方程：
[0072][0073]
r2＝0.993p《0.01
[0074]
多元回归模型预测：使用p12对多元回归模型进行检验，如下表3，可以看出多元回归模型可以较好的预测循环井循环流速。
[0075][0076]
利用边界条件式确定最小循环速度u
min
＝2u0，将u
min
代入上述获得的拟合方程中，得出某一时刻循环井最大影响半径l
max
。
[0077]
comsol有限元数值模型显示含水层地下水渗流过程如图6所示，假定地下水循环井循环流为近似于椭圆的流场，根据计算得到的循环井最大影响半径l
max
，可进一步估算循环井最大影响面积s和最大影响体积v。
[0078]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0079]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。