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《中国地质科学院》 2012年
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华北平原含水层非均质性研究

马荣  
【摘要】:含水层系统非均质性的精确刻画对研究地下水污染运移、沉积环境和含水层非均质性三者间的相关性有重要作用。传统模型只能从某一个方面或角度来对含水层非均质性进行定性或半定量表征,无法对含水层的综合非均质性进行定量化描述。基于此,本文引入了含水层非均质综合指数(Heterogeneity Synthetic Index, HSI)这一概念来定量化表征含水层综合非均质性,其计算流程主要包括以下四个步骤:(1)利用云-Markov模型估计沉积样品的渗透系数;(2)通过Markov原理来模拟含水层沉积微相的分布模型;(3)在此基础上,通过相控建模原理利用改进的序贯模拟技术构建含水层的渗透系数和孔隙度分布模型;(4)利用熵权法分别计算上述三个含水层参数的权重系数,根据此权重系数对其进行叠加,从而得到含水层的非均质综合指数。将该方法应用于华北平原滹沱河冲洪积扇含水层系统,选取其中的四个含水层对其综合非均质性进行研究。 通过以上研究,主要取得如下认识和进展: (1)在本研究区,沉积物颗粒的粒径分布范围较广,需采用不同的经验公式对其渗透系数进行计算。云模型仅通过沉积物粒径分布与实测渗透系数间的相关性,根据非确定性推理规则来预测沉积样品的渗透系数,从而避免去探究沉积样品的粒径级配、孔隙度和渗透系数三者间确定的函数关系。计算结果显示云模型的预测误差具有马氏效应,这主要是由于沉积微相对渗透系数起控制作用,而沉积微相本身的分布同样具有强烈马氏效应。故权Markov链能准确刻画预测误差的分布特征,从而使得云-Markov模型对含水层渗透系数的预测精度有显著提高。 (2)通过R和Q型因子分析、测井数据、露头资料和概率累积分布曲线等,对研究区所收集到的沉积样品进行判别分析。在此基础上,应用随机建模理论可建立含水层沉积微相、孔隙度和渗透系数分布模型。总体而言,上述三个模型具有一定的一致性,但其在局部地区存在着显著的差异性,如在研究区中部主要发育有边滩沉积微相,但在含水层参数分布模型中却出现大量数值透镜体;在研究区的东北部主要发育有河床滞留沉积,颗粒较粗,孔隙度介于0.20-0.25间,但其渗透系数小于5m/d,表现出强烈的差异性。上述三个模型的差异性与一致性表明三者间具有一定的相关性,但并非线性关系,这也正是相控建模原理的直观体现。在渗透系数与孔隙度模型间无强烈的线性关系,这主要是由于除孔隙度外,渗透系数还受孔喉半径、饱和度和孔喉结构等多种因素的影响。 (3)第一含水层主要形成于全新世时期,孔隙度主要介于0.30~0.45间,渗透系数介于1-10m/d,其综合非均质性较弱,HSI介于0.40~0.75间;第二含水层形成于晚更新世时期,孔隙度较大,连续性较好,含水层参数的分布范围较窄,非均质性较弱,HSI介于0.40~0.80;第三含水层形成于中更新世时期,孔隙度值介于0.20~0.30,渗透系数分布范围较广,其值为1-20m/d。主要发育有扇间洼地和河床滞留沉积微相,含水层综合非均质性较强,HSI介于0.25~0.75;第四含水层主要形成于早更新世时期,孔隙度和渗透系数值分别为0.20~0.45和0.04~20m/d,其分布范围较广,连续性较好。该含水层的非均质性较强,仅次于第三含水层,其HSI值为0.35~0.75。 (4)研究表明上述四个含水层有不同的非均质性,主要由以下几个原因所引起:在中更新世时期,槐河数次泛滥,形成大量小型冲洪积扇,从而导致沉积微相变化强烈,含水层参数的连续性较差,第三含水层具有最为强烈的非均质性;在晚更新世和全新世时期,第二含水层与第一含水层具有相似的沉积微相分布特征,虽然其孔隙度具有较大的平均值,但相对于第一含水层其分布更具有均一性。更为重要的是,洨河虽然形成于晚更新世时期,但其在全新世时期最为活跃,滹沱河、槐河和洨河的冲洪积扇在第一含水层中相互叠加,使得其综合非均质性明显强于第二含水层。在第四含水层中,孔隙度分布较为均一,其对综合非均质性的贡献较小;相反,在该含水层中沉积微相变化强烈,其对含水层的综合非均质性贡献较大,故孔隙度的权重系数明显小于沉积微相,其权值分别为0.279和0.398。在这四个含水层中,沉积微相的权重均大于其它两个属性,表明其对含水层综合非均质性起控制作用,这与前人的研究成果也是相一致的,但本文首次对这一结论以定量化的形式对其进行了描述。HSI能够定量化描述含水层的综合非均质性和各个属性对综合非均质性的影响,故在后期污染模型的建立中,对于权重系数较大的含水层属性应进行重点研究。
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