《Water Resources Research》：Laboratory Investigation of Well Storage-Mixing Effect on High-Stress Low-Flow Groundwater Sampling Approach
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摘要：传统的恒定速率采样方法在低渗透性、低储水性的地层中效率较低，因为套管储水会持续对采集的样本造成偏差。高应力低流量（HSLF）方法通过从高抽水速率切换到低抽水速率来解决这一限制，利用降深过渡期创建一个采样窗口，在该窗口期内套管储水的向下运动和混合被最小化。
摘要：传统的恒定速率采样方法在低渗透性、低储水性的地层中效率较低，因为套管储水会持续对采集的样本造成偏差。高应力低流量（HSLF）方法通过从高抽水速率切换到低抽水速率来解决这一限制，利用降深过渡期创建一个采样窗口，在该窗口期内套管储水的向下运动和混合被最小化。在本研究中，研究人员通过物理井模型中的受控实验研究了HSLF方法的清洗过程，使用压力传感器和光衰减（LA）技术测量瞬态降深和溶质混合。研究人员开发了一个用于有界承压含水层的井储混合模型，以解释实验室结果并将其缩放至现场条件。结果表明，当切换发生得较晚且抽水速率比足够高时，会形成采样窗口。在实验槽内的有界含水层中，窗口长度趋近于稳态极限，而在大型现场尺度含水层中，窗口长度随较晚的切换时间线性增加。恒定速率与两阶段清洗方法的比较证实，在最佳切换时间和抽水速率比条件下，HSLF方法能有效最小化套管储水效应、加速混合，并在所有采样情景下显著减少清洗体积和时间。观测到的降深和混合行为与模型预测总体一致，含水层域的解析扩展表明HSLF方法在现场尺度上具有潜在适用性。尽管如此，仍需开展全面的现场研究，以充分评估和验证其在复杂水文地质条件下的性能。
实验室尺度下高应力低流量采样方法中井储混合效应的系统研究
一、研究背景与科学问题
地下水环境监测中，采集具有代表性的地下水样本是水文地质调查和环境评价的关键环节。传统的地下水采样方法通常采用恒定低速率抽水，以减少降深或将井筒清洗至一定井体积后再进行采样，从而降低非代表性井储水造成的偏差。然而，在低渗透性或低储水性含水层中，降深稳定可能需要极长时间，甚至在极端情况下会将井抽干。此外，在深井中，当筛管段位于测压面以下数十至数百米时，监测井内大量滞留水的存在使得按照井体积进行清洗变得不切实际。
针对这些问题，Hou和Luo（2019）以及Wang等人（2019）提出了高应力低流量（High-Stress Low-Flow, HSLF）方法，这是一种两阶段清洗策略。第一阶段采用中等偏高的抽水速率诱导快速降深，随后切换至较低速率进行采样。两个抽水速率之间的转换导致降深停止并出现水位回升，从而防止采样阶段滞留的套管水进入筛管段，由此形成一个采样窗口。该窗口在对应于第二抽水速率的水位平衡恢复并重新开始下降时关闭。解析模型证实了这一机制，并表明清洗过程中的样本代表性取决于套管储水运移和井筒混合的耦合过程，即井储混合效应。
尽管已有数值模拟研究指出HSLF方法在低渗透、低储水性地层中可有效减少清洗时间并建立设计采样窗口，但预测的采样窗口长度尚未经过实验验证，且套管储水消耗与井筒混合的联合瞬态效应在受控物理模型中仍未得到验证。因此，开展系统的实验室物理模型研究，对HSLF方法的井储混合效应进行直接观测和定量分析，具有重要的科学意义和应用价值。
二、研究方法概述
研究人员构建了一个物理沙箱模型，该模型采用透明丙烯酸板制成，内部填充均匀的各向同性砂体，形成具有有限侧向范围的有界承压含水层。井体由上部套管段和下部筛管段组成，井周围环绕不锈钢丝网以支撑含水层介质。实验采用高锰酸钾（KMnO4）溶液示踪初始滞留井水，利用光衰减（Light Attenuation, LA）技术实时可视化筛管段内的混合过程。该技术基于Beer-Lambert定律，通过单色光照射和图像分析提取浓度场信息。压力传感器用于记录瞬态降深变化。研究同时开发了考虑有界含水层条件的解析井储混合模型，该模型集成了套管储水消耗和井筒完全混合反应器过程，并通过拉普拉斯变换和数值反演方法求解。通过对比恒定速率与两阶段清洗实验，系统评估了不同切换时间和抽水速率比对采样窗口形成和混合效率的影响。
三、主要研究结果与讨论
3.1 水力参数反演与模型验证
研究人员进行了多组恒定速率抽水测试，涉及四种抽水速率和三种泵吸高度，共计12种工况。通过将数值反演的解析解与实验降深曲线进行拟合，依次确定含水层导水系数和储水系数。结果表明，储水系数随泵吸位置变化，泵吸口位于筛管下部时储水系数估计值偏高，而导水系数在各工况下保持一致性。利用估计的水力参数代入解析模型，可较好复现实验降深数据。
3.2 采样窗口特性
实验清晰地观察到了两阶段清洗中的降深过渡现象。当切换时间过短且抽水速率比不足时，无法形成采样窗口，切换仅减缓降深下降速率；当切换时间延后且速率比增大时，采样窗口出现并延长。在有界含水层中，当沙箱达到水力稳态后，过渡期持续时间保持恒定。采样窗口长度随切换时间增加而增大，最终趋近于稳态极限值。解析扩展至更大含水层域时，采样窗口长度在晚切换条件下呈线性增长趋势，与Theis解法的预测一致，支持了该方法在现场尺度的适用性。
3.3 井筒混合过程可视化与定量分析
光衰减技术揭示了恒定速率与两阶段清洗条件下的混合过程差异。恒定高速率抽水需清洗约4.2个筛管体积（约525秒）才能获得代表性样本，而切换时间设为200秒时，清洗体积减半（2.2个筛管体积），清洗时间缩短至三分之一（175秒）。恒定低速率抽水情景下，套管储水消耗较快但混合过程持续更久，此时HSLF方法的改进效果相对有限，但仍可减少清洗时间和废弃水量。实验观测的混合行为与井储混合模型预测总体一致，验证了模型的有效性。物理模型表现出混合受限特征，即套管储水耗尽后混合加速但仍需额外时间完全置换筛管内的非代表性水。
四、结论与展望
研究表明，HSLF方法通过高至低抽水速率切换创造采样窗口，在窗口期内套管储水保持耗尽状态且井筒混合加速。窗口的形成和长度取决于切换时间和抽水速率比的合理选择。该方法在储水受限情景下最为有效，能够显著减少清洗体积和时间，同时提高样本代表性。解析扩展分析支持了该方法在现场尺度的应用潜力。论文发表在《Water Resources Research》。然而，当污染物或水质指标在井内呈现垂向浓度分层时，第一阶段快速降深可能将过量套管水吸向采样口，HSLF方法的有效性需进一步评估。开展全面的现场尺度研究是未来验证该方法在复杂水文地质条件下性能的必要方向。
