典型砂介質(zhì)含水層滲透系數(shù)鹽度效應研究

姜偉男 王福剛 董維紅

摘要：滲透系數(shù)是計算含水層出水量、水庫滲透量，以及溶質(zhì)遷移規(guī)律研究等不可或缺的重要水文地質(zhì)參數(shù)。為探究地下水鹽度變化大地區(qū)滲透系數(shù)的鹽度效應，以粗、中、細3種典型砂介質(zhì)為研究對象，配制不同鹽度的NaCl溶液，采用室內(nèi)常水頭試驗，定量分析了鹽度變化對砂介質(zhì)滲透系數(shù)的影響。結果表明：①地下水鹽度小于10g/L時，鹽度變化不會引起砂介質(zhì)滲透系數(shù)明顯改變；鹽度大于10g/L時，滲透系數(shù)隨著鹽度的增大而減小。②鹽度變化引起地下水運動黏度變化是砂介質(zhì)滲透系數(shù)產(chǎn)生鹽度效應的原因。③對于不同粒徑的砂介質(zhì)，粗砂介質(zhì)滲透系數(shù)的鹽度效應最明顯，中砂次之，細砂最小。

關鍵詞：滲透系數(shù)；鹽度；運動黏度；砂介質(zhì)

中圖分類號：TV131

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.034

滲透系數(shù)也稱為水力傳導率，是綜合表征巖層透水性的水文地質(zhì)參數(shù)，也是計算含水層出水量、水庫滲透量，以及溶質(zhì)遷移規(guī)律研究等不可或缺的參數(shù)。滲透系數(shù)主要受土體特性（土的粒徑和級配、孔隙率、結構、黏粒含量等）和流體特性（流體黏滯性、水頭壓力等）影響。地下水鹽度的變化不僅會使其本身的流體性質(zhì)發(fā)生變化，而且會改變黏性土介質(zhì)的孔隙結構，進而影響含水介質(zhì)的滲透系數(shù)。王玉杰等對土壤滲透系數(shù)與鹵水黏度關系的研究表明，土壤滲透系數(shù)與鹵水黏度成反比。在我國干旱、半干旱的華北、西北地區(qū)，地下水蒸發(fā)濃縮作用強烈，地下水鹽度變化大：在沿海地區(qū)過度開采地下水導致海水入侵，地下水鹽度明顯增大。因此，探究滲透系數(shù)的鹽度效應對于地下水鹽度變化較大的干旱或沿海地區(qū)地下水開發(fā)利用和污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究具有重要意義。

前人有關滲透系數(shù)鹽度效應的研究集中在黏性土介質(zhì)滲透系數(shù)的鹽度效應上，綜合考慮了流體性質(zhì)變化和孔隙結構變化條件下地下水鹽度變化對滲透系數(shù)的影響，但沒有對這兩方面的變化加以區(qū)分，并且缺乏對砂介質(zhì)含水層滲透系數(shù)鹽度效應的研究，而砂介質(zhì)含水層是大多地下水開發(fā)的主要目標層位。因此，筆者從流體性質(zhì)人手，結合相關理論和前人研究成果，選擇不同粒徑砂介質(zhì)探究流體鹽度變化對砂介質(zhì)含水層滲透系數(shù)的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗裝置

采用室內(nèi)常水頭試驗測定滲透系數(shù)。試驗裝置包括供水裝置、滲透裝置、測壓裝置、排水裝置4部分，見圖1。供水裝置采用馬氏瓶：滲透裝置采用有機玻璃網(wǎng)柱，網(wǎng)柱高為1m，內(nèi)徑為14Cm，上端用硅膠墊和有機玻璃蓋密封，兩側(cè)有測壓孔若干，用于連接測壓板測量水位，底部設有濾板并鋪一層礫石，下端設有出水口用于排水、排氣；測壓裝置為測壓板，上面放置若干測壓管，測壓管內(nèi)徑為3mm，下端口用膠管與砂柱上的測壓孔相連，用于測定過水斷面水位：排水裝置為可垂向升降的水槽，并設進水口和溢水口各一個，用以調(diào)節(jié)排水水位，并設進水口和溢水口各一個，用于測定單位時間內(nèi)的滲流量。

1.2 試驗材料

石英砂物理化學性質(zhì)穩(wěn)定，滲透性良好，故本次試驗將粗、中、細3種粒徑的石英砂作為試驗材料。選取孔徑為0.10、0.25、0.50、2.00mm的篩子進行篩分，配成試驗所需的3種砂樣，見表1。先將砂樣用稀鹽酸浸泡，再用清水反復沖洗并烘干。裝樣前在砂柱底部濾板上鋪一層粒徑為3～5mm的礫石，防止砂樣泄露。按石英砂的密度進行裝樣，每次在砂柱中裝6cm高的砂樣，計算每次裝樣所需要砂的質(zhì)量。將稱取好的砂樣裝入砂柱并用搗棒將其壓實，確保每次填裝高度為6cm，3種砂的總裝填高度均為80cm。填裝完成后如發(fā)現(xiàn)砂樣不均勻或出現(xiàn)裂隙，則需要重裝砂樣。利用蒸餾水配制不同鹽度的NaCl溶液作為滲流流體，水溫為20℃。

1.3 試驗步驟

（1）飽和試樣。首先，打開供水裝置，此時排水水位低于供水水位，采用白下而上的方法進行飽水，待砂樣上表面出現(xiàn)水膜時，立即夾好止水夾，關閉供水裝置。根據(jù)砂介質(zhì)的總體積與馬氏瓶中水減少的體積之比計算砂介質(zhì)的孔隙度。然后，打開測壓管止水夾，觀察所有測壓管水位是否在同一水平面上，以及連接測壓孔與測壓管的膠管中是否有氣泡。若膠管中存在氣泡，則利用洗耳球?qū)⒛z管或測壓管中的氣泡吸出：若膠管中無氣泡，且各測壓管水位高度相同，則說明排氣成功，飽和試樣完畢，可測定滲透系數(shù)。

（2）測定滲透系數(shù)。采取自上而下供水。打開供水裝置，采用定水頭法測定滲透系數(shù)，調(diào)節(jié)排水水位，使上下游水頭差為45cm（水頭差△h=Hl-H2=45cm，其中H1為砂柱上表面測壓管水位、H2為底部測壓管水位）。待各測壓管水位穩(wěn)定后，測定單位時間內(nèi)的滲流量。粗砂的流量較大，每30s測定一次流量；中砂每60s測定一次流量：細砂流量較小，每120s測定一次流量。每次測定流量時均利用溫度計測定水溫。滲流量、水溫分別測定3次取平均值，并控制溫度在20℃。對于3種砂介質(zhì)，進行鹽度分別為0、5、10、15、20、30、40、50、70g/L的滲流試驗。為確保砂柱中流體鹽度與所配制的鹽溶液鹽度相同，進行每種鹽度的滲透試驗前先用待試驗鹽度的鹽水反復沖洗砂柱，并測定排出水的TDS（使用哈納鹽度計HI98203測定），當排出水的TDS與試驗用鹽水相同時，進行砂柱中相應鹽度溶液的滲流試驗。

2 試驗結果

試驗所用砂柱參數(shù)見表2。砂柱填裝高度為80cm，上下各有7cm高的砂作為水流緩沖區(qū)，以防止水流將砂沖散產(chǎn)生裂隙，影響滲透系數(shù)的測定，因此兩個測壓孔之間砂柱的滲流長度為66cm。根據(jù)上下游水頭差△h與滲流長度△L的比值計算水力梯度。

粗、中、細3種砂介質(zhì)滲流量測定結果見表3。

根據(jù)達西定律求解不同鹽度條件下的滲透系數(shù)。式中：K為滲透系數(shù)，cm/s：Q為滲流量，cm3/s；A為砂柱橫截面面積，Cm2；I為水力梯度。

根據(jù)式（1）計算不同鹽度的水在粗、中、細3種砂介質(zhì)中的滲透系數(shù)，計算結果見表4。根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，得到3種砂介質(zhì)滲透系數(shù)K與鹽度的關系曲線，見圖2。3種砂介質(zhì)滲透系數(shù)總體上隨鹽度的增大呈減小趨勢，兩者成反比。但是，當鹽水濃度較低，小于10g/L時，滲透系數(shù)幾乎不隨鹽度的變化而變化，可視為定值：當鹽水濃度大于10g/L時，隨著鹽水濃度的增大，滲透系數(shù)減小，且變化幅度不斷增大，說明砂介質(zhì)含水層的滲透系數(shù)具有明顯的鹽度效應。因此在沿海地區(qū)、蒸發(fā)作用強烈的干旱地區(qū)等地下水鹽度變化大的地區(qū)，滲透系數(shù)的鹽度效應不可忽略。

3 討論

3.1 砂介質(zhì)鹽度效應機理分析

土體特性和流體特性均對滲透系數(shù)產(chǎn)生影響。由于石英砂性質(zhì)穩(wěn)定，本次試驗所用鹽水不會改變石英砂介質(zhì)本身特性，因此鹽水性質(zhì)的改變是砂介質(zhì)滲透系數(shù)產(chǎn)生鹽度效應的原因。此外，在達西定律適用范圍內(nèi)，黏滯力大于慣性力對流速損失起主導作用，所以流體黏滯性的改變可能是砂介質(zhì)滲透系數(shù)產(chǎn)生鹽度效應的原因。

在重力作用下，流體的黏滯力可用運動黏度來描述。利用奧氏黏度計測得20℃時不同鹽度水的黏滯系數(shù)，并測定不同鹽度水的密度，采用黏滯系數(shù)與密度的比值計算運動黏度，鹽度為0、10、20、30、40、50g/L時的運動黏度分別為0.01012、0.01017、0.01032、0.01044、0.01058、0.01074Cm2/S。不同鹽度條件下運動黏度與3種砂介質(zhì)滲透系數(shù)的關系曲線見圖3。

由圖3可知，運動黏度η與滲透系數(shù)K呈線性關系，確定系數(shù)R2都在0.98以上，符合式（2）。

K1/K2=η1/η2

（2）式中：K1、K2為相同砂介質(zhì)不同鹽度下的滲透系數(shù)，cm/s；η1、η2為對應K1、K2條件下水的運動黏度，cm2/s。

根據(jù)式（2），可以利用不同鹽度水的運動黏度來估算相應鹽度下砂介質(zhì)的滲透系數(shù)。水在巖石孔隙中運動，需要克服孔隙通道與水以及水質(zhì)點之間的摩擦阻力，而所受摩擦阻力的大小與水的黏滯性有關。當黏滯性不同的兩種流體在同一巖性孔隙中運動時，在相同水力梯度條件下，黏滯性大的流體受摩擦阻力大，滲流速度慢，滲透系數(shù)小：黏滯性小的流體受摩擦阻力小，滲流速度快，滲透系數(shù)大。本次試驗中，水鹽度的改變不是對粗、中、細3種石英砂本身產(chǎn)生影響，而是鹽度增大，水的運動黏度增大，最終導致滲透系數(shù)減小。鹽度變化導致水運動黏度改變是砂介質(zhì)滲透系數(shù)產(chǎn)生鹽度效應的原因。

3.2 砂粒直徑對滲透系數(shù)鹽度效應的影響分析

為了探究鹽度對不同粒徑砂介質(zhì)滲透系數(shù)的影響，利用試驗數(shù)據(jù)，將粗、中、細3種砂介質(zhì)滲透系數(shù)隨鹽度的變化進行做圖比較，見圖4。由圖4可知，粗砂介質(zhì)中鹽度變化對滲透系數(shù)的影響較大，中砂次之，細砂的滲透系數(shù)變化最小，所以在相同鹽度變化條件下，砂粒直徑越大，滲透系數(shù)變化的幅度越大。粗、中、細3種砂的孔隙特征不同，粗砂孔隙大、連通性好，因此鹽度效應最明顯。

4 結論

（1）在常溫、常壓條件下，地下水鹽度小于10 g/L時，鹽度變化對砂介質(zhì)滲透系數(shù)的影響很小：地下水鹽度大于10 g/L時，隨著水鹽度的增大，砂介質(zhì)滲透系數(shù)減小，且減小的幅度逐漸增大。

（2）地下水鹽度變化時，其運動黏度隨之改變，這是滲透系數(shù)產(chǎn)生鹽度效應的原因。水的運動黏度與鹽度成正比，當水的鹽度增大時，運動黏度增大，導致水流動時所受摩擦阻力增大，進而滲流速度減小，滲透系數(shù)減小。

（3）由于孔隙特征不同，粗砂介質(zhì)含水層滲透系數(shù)受鹽度變化的影響大于中砂和細砂的，細砂受鹽度變化的影響最小。