咸水在黏性土中遷移轉化的試驗研究

通信作者：成建梅，教授。E-mail:jmcheng@cug.edu.cn

咸水在黏性土中遷移轉化的試驗研究

李亞美,成建梅,李敏敏,崔莉紅

(中國地質大學(武漢)環境學院,湖北 武漢430074)

摘要：采用衡水地下水科學試驗場淺層鉆孔土樣進行室內一維土柱滲流試驗,并用地球化學模擬方法探討黏性土對咸水遷移轉化的控制機理。結果表明:黏性土對咸水遷移有一定的阻隔作用,1號土柱對Na+的阻滯作用以吸附為主,2號土柱對Na+的阻滯作用由吸附和陽離子交換共同影響;1號和2號土柱的阻鹽率分別為49.8%和54.5%;1號和2號土柱中黏性土的阻滯因子R1和R2分別為1.54和3.78;咸水遷移過程中,控制水巖相互作用的主要因素是巖鹽的沉淀,石膏、方解石的溶解,Mg2+、Ca2+與Na+之間的離子交換。

關鍵詞：黏性土;一維土柱滲流試驗;地球化學模擬;水巖相互作用

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2010CB428802)

作者簡介：李亞美(1987—)，女，助理工程師，碩士，主要從事地下水溶質運移研究。E-mail:lymandly@163.com

中圖分類號：P641.3文獻標志碼：A

收稿日期：(2014-05-16編輯：彭桃英)

Experimental study on migration and transformation in

cohesive soil of salt water

LI Yamei, CHENG Jianmei, LI Minmin, CUI Lihong

(SchoolofEnvironmentalStudies,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan, 430074,China)

Abstract：we took an indoor one-dimensional soil column seepage experiment based on the soil sample in the shallow layer drilling of Hengshui groundwater science test field, and tried to probe the control mechanism of cohesive soil to saltwater migration and transformation by means of geochemical simulation. The results show that the cohesive soil has some barrier effects on the salt water migration; the blocking effect of soil column No. 1 on the Na+is dominated by adsorption, while that of soil column No.2 on the Na+is mutual influenced by adsorption and cation exchange. The salt rejection rates of soil column No.1 and No.2, R1and R2, are 49.8% and 54.5% respectively. The retardation factors of two soils columns are 1.54 and 3.78 respectively; In the process of salt water migration, the main factors to control water-rock interaction are salt precipitation, the dissolution of gypsum and calcite, and the ion-exchange among Mg2+, Ca2+and Na+.

Key words： cohesive soil; one-dimensional soil column seepage experiment; geochemical simulation; water-rock interaction

近年來,由于地下水用水量不斷增大,衡水市深層地下水長期處于超采狀態,導致淺層咸水逐年下移,對深層淡水形成潛在的威脅。處于該區淺層及深層含水層之間的黏性土層對控制淺層咸水下移起著重要作用,因此,有必要深入研究黏性土對咸水遷移轉化的控制機理。

黏性土顆粒較細,孔隙較小,對有機溶質與無機溶質的遷移均有一定的阻隔作用。溶質的阻隔能力,與黏性土滲透性大小、水分滲流規律及溶質本身的性質有關。國內外許多學者利用室內土柱及野外試驗兩種方法研究了鹽水[1-3]、重金屬[4-10]、垃圾淋濾液[11]及無機離子[12]等無機溶質通過黏性土的遷移轉化規律及黏性土對其的吸附、阻滯作用;利用吸附/解吸試驗、滲透試驗及土柱淋濾試驗等，研究了揮發性有機化合物[13-15]、石油[16-17]及多環芳烴[18-19]等有機溶質在黏性土中的遷移轉化規律,得出黏性土具有一定截污能力并對有機溶質具有凈化作用的結論。

筆者利用衡水市科學試驗場不同深度的兩個黏性土樣進行室內土柱滲流試驗,監測淋濾液中各離子濃度隨時間的變化規律,通過分析計算對比了兩黏性土樣對咸水的阻滯能力大小,并用水文地球化學模擬軟件PHREEQC模擬了兩土柱不同時間段的水巖相互作用及陽離子交換過程,在此基礎上探討黏性土層對咸水遷移轉化的控制機理。

表1　土樣的礦物成分質量分數 　%

表2　土樣易溶鹽質量比 　mg/kg

1一維土柱滲流試驗

1.1試驗過程

本次試驗利用兩組土樣進行咸水滲流試驗,1號、2號土樣分別取自河北衡水地下水科學試驗場44.5～44.7m和60.6～60.8m深度處,分別對應1號土柱和2號土柱。研究區咸淡水過渡帶位于41～63m段,以亞砂土、亞黏土為主,咸淡水分界面位于53m處[20]。兩土樣在咸淡水過渡帶垂向上的位置見圖1。

圖1　兩土柱垂向位置圖

本文的研究重點是黏性土對咸水遷移轉化的控制機理。研究區淺層咸水主要為Cl-Na型水,但受取樣條件限制,室內試驗采用配制的類似的氯化鈉溶液作為本次試驗的淋濾液。

經顆粒分析可知,1號、2號土樣粒徑小于0.005mm的比例分別為49.4%、32.1%,兩土樣均為粉質黏土,級配良好。利用X-射線衍射法對土樣進行物相分析,結果見表1。利用質量法測定土樣易溶鹽總量,利用ICS-1100離子色譜儀測定易溶鹽陰離子,ICP-Z6000氬等離子體原子發射光譜儀測定易溶鹽陽離子,結果見表2。

咸水在黏性土中的滲透、遷移、轉化等均可利用一維土柱滲流試驗進行研究,試驗滿足達西定律。試驗裝置如圖2所示,圖中裝置內徑為8.0cm,裝置高度為50cm。

圖2　試驗裝置

試驗中滲透系數K為

(1)

式中:K為滲透系數,m/s;V為t時間內的土柱底部滲出液體積,m3;L為滲流途徑長度,m;A為過水斷面面積,m2;t為滲流時間,s;h為滲濾液的水頭,m。

采用分層裝土,土樣高度為10cm。用去離子水對土柱飽水。1、2號土柱的定水頭分別為48cm、46cm;1、2號土柱淋濾液NaCl的初始質量濃度分別為6g/L、3g/L。

在試驗過程中使用專門容器收集出水口的水樣,利用電導率儀(DDB-3)測量土柱出口溶液電導率值隨時間的變化情況,并根據咸水質量濃度與電導率值標準曲線換算求得水樣的質量濃度。圖3 顯示了出水口處溶液質量濃度與時間的關系。

圖3　土柱出水口溶液質量濃度與時間的關系

試驗過程中,對兩土柱出口處不同時刻所取水樣進行常規離子及微量元素測試。其中,陰離子利用ICS-1100離子色譜儀進行測試,陽離子利用ICP-Z6000氬等離子體原子發射光譜儀進行測試。兩土柱試驗過程中主要離子隨時間的變化曲線如圖4、圖5所示。

圖4　1號土柱滲出液中不同離子濃度與時間的關系

圖5　2號土柱滲出液中不同離子濃度與時間的關系

1.2 黏性土阻鹽能力分析

由圖3～5可知,從總質量濃度的角度來看,咸水已經穿透土柱,但是作為穿透離子的Na+與Cl-,其濃度均未達到最大值。咸水在下移的過程中淋濾了土柱中的其他離子成分,使得總濃度上升,造成上部咸水穿透的假象;黏性土對Cl-離子的阻滯作用最小,通常認為其阻滯因子R=1,即無阻滯作用。兩土柱的變化曲線較為接近。雖然2號土柱與1號土柱頂部的咸水質量濃度相差一倍,但是2號土柱的滲流流速卻將近是1號土柱的2倍(v1=2.70×10-3cm/h,v2=6.72×10-3cm/h),流場的差異幾乎抵消了濃度場的影響,使得兩土柱無阻滯作用的Cl-離子質量濃度變化曲線一致。經計算,1號土柱截留鹽分量占總加鹽量的49.8%,2號土柱為54.5%。

黏性土中溶質的滯后現象是指溶質在通過黏性土的過程中,由于外界諸多因素的影響,使溶質的遷移與其周圍地下水運動產生差異,出現溶質遷移滯后地下水運動的現象。通常用阻滯因子R定量描述滯后現象(R=1,表示無阻滯;R>1，表示有阻滯)。阻滯作用的大小主要與介質的種類、溫度、pH值、溶質的種類、介質對溶質的吸附能力等因素有關。因此,不同介質對同一種溶質的阻滯作用大小不同,同一種介質對不同溶質的阻滯作用大小也不相同。

動態土柱阻滯因子R可表示為

(2)

式中:v為滲透土柱的流體平均流速;u為溶質的遷移速度;I為水力坡度。

利用直線圖解法和試驗相關數據,經過分析計算可求得兩土柱阻滯因子,具體過程如下:

a. 溶質遷移速度u可利用直線圖解法[3]求解。

(3)

(4)

式中:t為時間，s;tm為溶液濃度最大的時刻，s;ρm為溶液的最大質量濃度,g/L;ρ為x處溶液的質量濃度，g/L。

其中Y與X為線性關系,其斜率i為

(5)

式中，x為觀測孔距入水口的距離，m。

則

(6)

(7)

式中,DL為彌散系數,m2/s。

經計算可知,試驗過程中兩土柱的平均滲透系數分別為K1=5.62×10-4cm/h、K2=1.46×10-3cm/h,又由土柱的平均滲透系數v=KI可得:v1=2.70×10-3cm/h,v2=6.72×10-3cm/h。

利用圖3中土柱淋濾液濃度及式(3)～(7)可求得鹽水的遷移速度u1=1.75×10-3cm/h,u2=1.78×10-3cm/h。

將v1、v2及u1、u2代入式(2)可求得兩土柱的阻滯因子分別為R1=1.54,R2=3.78。

兩土柱阻滯因子均大于1,說明兩土柱對鹽水的運移均有一定的阻滯作用,其中2號土柱的阻滯因子大于1號土柱,與前面提到的2號土柱的阻截鹽分的能力大于1號土柱相一致(1、2號土柱所截留的鹽分量分別占總加鹽量的49.8%、54.5%)。

綜上,不同介質對同一種溶質的阻滯作用的大小不同,同一種介質對不同溶質的阻滯作用大小也不相同。同時,咸水下移并非只是咸水自身溶質的下移,同時還伴隨水文地球化學作用,其中溶解作用及陽離子交換作用會促進下部淡水的咸化進程。

表3　不同時刻兩土柱淋濾液主要礦物飽和指數(SI)

2水文地球化學模擬

地球化學模擬是解決水-巖相互作用的重要手段之一,其中PHREEQC反向水文地球化學模擬是查明不同反應路徑水文地球化學模擬過程的常用方法。在咸水通過黏性土滲透試驗的基礎上,利用PHREEQC軟件模擬該水流路徑過程中發生的水-巖相互作用,探討咸水通過黏性土的水文地球化學變化過程。

反向水文地球化學模擬是利用某水流路徑上始端及末端水溶液化學組分的差異反向推測系統中發生的水文地球化學變化。利用反向水文地球化學模擬可以計算礦物的飽和指數,定量分析在此水流路徑上礦物的沉淀/溶解量,以解決系統中地下水的水文地球化學演變問題。反向水文地球化學模擬滿足質量守恒、能量守恒、電荷守恒三大定律,主要表現形式是“初始水溶液”加“反應相”,生成“終止水溶液”加“生成相”。

2.1“可能礦物相”選取

“可能礦物相”的選取決定了水流路徑過程中發生的水文地球化學反應,目前其選擇依據主要有:含水層的礦物成分、水化學分析，地下水的賦存條件，水文地球化學演化過程，礦物的飽和指數等。根據試驗土樣的礦物成分分析,出水口處水溶液水化學分析,陽離子交換量的計算及Cl-平衡等,選擇綠泥石、伊利石、高嶺石、石英、長石、白云石、方解石、巖鹽作為該反應過程中的“可能礦物相”;考慮到本次試驗過程發生陽離子交換,CO2(g)也參與反應,因此,將陽離子交換及CO2(g)也作為此次模擬的“可能礦物相”。

2.2反向路徑化學模擬

反向路徑化學模擬是建立在質量守恒的基礎上,因此,應先計算不同時刻兩土柱淋濾液中礦物的飽和指數,據此,來選擇試驗過程中不同水流路徑可能發生的水文地球化學反應。將試驗過程中不同時刻兩土柱淋濾液中各離子質量濃度輸入模擬軟件PHREEQC中,計算可得淋濾液礦物飽和指數,結果如表3所示。根據計算結果,選取合理的模型,得到兩土柱不同時刻物質轉移量,見表4。其中,初始時刻兩土柱淋濾液分別是礦化度為6g/L、3g/L的NaCl溶液,陽離子以Na+為主,陰離子以Cl-為主。1號土柱初始時刻土柱淋濾液中Na+、Cl-濃度均為103.2mmol/L,2號土柱初始時刻土柱淋濾液中Na+、Cl-濃度均為51.5mmol/L。

由表3可知:兩土柱淋濾液中“可能礦物相”鈉長石、伊利石、鉀長石、高嶺石處于過飽和狀態;石膏、霰石、方解石、天青石、玉髓、綠泥石、白云石、巖鹽處

表4　不同時刻兩土柱淋濾液物質轉移量　nmol

于不飽和狀態;石英處于基本飽和狀態。“可能礦物相”中除玉髓和石英飽和指數基本不變之外,其他“可能礦物相”的飽和指數隨兩土柱淋濾時間的增加而增大。

3結論

a. 淺層黏性土對Na+的阻滯作用以吸附為主,深層黏性土對Na+的阻滯作用由吸附和陽離子交換共同影響;深層黏性土的阻鹽能力比淺層黏性土柱明顯。

b. 咸水遷移過程中,控制水巖相互作用的主要因素是巖鹽的沉淀和石膏、方解石的溶解,Mg2+、Ca2+與Na+之間的交換。

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