咸水體修復過程中含水層物理堵塞試驗研究

張淑慧，鄭西來，2，單蓓蓓，劉玉紅

（1．中國海洋大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100；2．中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100）

0 引 言

含水層存儲和再利用（ASR）是一種地下水人工補給與再利用的技術，在世界上許多國家都有井和池塘的人工回灌工程。在沿海地區(qū)，人類嘗試把“抽咸注淡”的方法用于海水入侵控制和地下咸水體的治理。但是，實踐證明，在人工回灌工程實施中，注入水和目的含水層不匹配容易導致回灌系統(tǒng)嚴重堵塞。這種堵塞會出現在人工回灌工程開始后的幾天（甚至幾分鐘），從而使注水壓力增加、注水速率（效率）明顯降低，甚至造成人工回灌工程的徹底失敗。

含水介質堵塞問題是阻礙人工回灌技術向實踐層面推廣的關鍵因素?；毓喽氯话惴譃?種：物理堵塞、化學堵塞和生物堵塞［1－5］。其中，物理堵塞是最常見的堵塞類型。很多學者基于不同的試驗方法在堵塞的形成機理、影響因素與發(fā)展過程等方面取得了一定的研究成果。陳思寧等研究了人工回灌過程中的懸浮物堵塞問題，利用3組不同懸浮物質量濃度的回灌水進行室內砂柱回灌試驗［6］。黃修東等采用砂柱，在室內模擬井灌過程中注水井周圍砂層的堵塞過程，認為懸浮物填充砂層空隙引起了物理堵塞［7］。黃大英通過室內模擬試驗探討了不同條件下淤層厚度的形成及其對人工回灌效果的影響［8］。Siriwardene等基于物理堵塞的室內柱試驗，分別在定水頭和變水頭的情況下通入不同質量濃度的懸浮物，發(fā)現物理堵塞主要由小于6μm的顆粒遷移造成的［9］。Katarzyna通過室內砂柱淋濾的方式進行物理堵塞微觀結構和堵塞速率的影響因素室內試驗［10］。Baghdikian等研究在不同質量濃度的懸浮物等條件下注入單一的黏土礦物后含水介質的堵塞情況，通過滲透系數的減小和出水懸浮物質量濃度的變化來反映堵塞的程度［11］。McDowell－Boyer等通過試驗表明黏顆粒物的釋放和截留能明顯改變介質的滲透性，顆粒物和含水介質之間的物理化學力影響著小顆粒物的遷移，靜電吸引力和范德華力決定了小顆粒物的吸附作用［12］。

國內外學者還沒有專門就咸水含水層修復過程中發(fā)生的物理堵塞問題進行過研究。筆者擬針對山東半島大沽河下游咸水體修復過程中含水介質物理堵塞問題，現場采集樣品，通過模擬試驗，系統(tǒng)研究懸浮物質量濃度和粒徑對咸水體含水介質物理堵塞的影響，并通過測定人工回灌過程中滲透系數的時空變化，定量分析和評價含水介質物理堵塞的機理和程度，為地下咸水體修復工程提供依據。

1 試驗裝置和方法

1．1 裝置與材料

試驗裝置由有機玻璃柱、蠕動泵、供水箱（有攪拌器）、上游和下游控水頭裝置等組成。有機玻璃柱高100cm，內徑11cm。柱體左側分布有16個測壓孔，1～4號測壓孔間距均為3cm，4～10號測壓孔間距均為5cm，10～15號測壓孔間距均為3cm。左側分布有4個取樣口，1號與2號取樣口之間的距離為19cm，2號與3號取樣口之間的距離為20cm，3號與4號取樣口之間的距離為30cm。試驗裝置見圖1。

輔助器具包括秒表、Lead－2蠕動泵、量筒、燒杯、天平、分光光度計、MS2000激光粒度儀、X－衍射儀、離子色譜分析儀和電導率儀。

試驗材料包括供試含水介質、懸浮物和水樣。含水介質是采集于大沽河下游地區(qū)咸水含水層上層的砂樣，砂樣的D50為0．267mm，D10為0．133mm，屬于細砂，砂樣的粒徑分布曲線見圖2。其中，D50為樣品累計粒度分布百分數達到50%時所對應的粒徑；D10為樣品累計粒度分布百分數達到10%時所對應的粒徑。根據X射線衍射分析，含水介質中石英含量（質量分數，后文同）為85．7%，長石為6．4%，白云石為2．1%，角閃石為0．1%，黏土礦物為3．0%。其中，黏土礦物主要有伊利石、高嶺石、綠泥石和蒙脫石，含量分別為56．4%、17．9%、20%和5．7%。

采集當地的雨洪水，分別通過靜置和過濾，得到懸浮物；經過烘干后，過0．038mm孔徑的篩，取得粒徑小于0．038mm的懸浮物；分別配置成質量濃度為50、100、200mg·L－1的懸浮物，用于研究懸浮物質量濃度對物理堵塞的影響。然后，將粒徑小于0．038mm的懸浮物進行不同粒徑的分級提取，可以得到3種不同粒徑的懸浮顆粒；利用MS2000激光粒度儀對分級提取的樣品進行粒度測定，測得其D50分別為1．2、2．6、9．9μm，從而研究不同顆粒粒徑對物理堵塞的影響。飽水采用的咸水和注入采用的淡水主要離子質量濃度見表1。

圖1 試驗裝置Fig．1 Experiment Equipment

1．2 試驗方法

含水介質堵塞產生的影響。2組試驗的方法和步驟完全相同，只是注入懸浮物質量濃度不同。

圖2 供試砂樣的粒徑分布曲線Fig．2 Particle Size Distribution Curve of Sand Sample

將風干松散、均勻的砂樣分層裝入玻璃柱；每次裝入一定質量的砂樣，等重度將其壓實，逐步完成整個裝柱過程；從底部向砂柱內緩慢注入咸水；完全飽水后，繼續(xù)以緩慢的速度從下向上滲流；持續(xù)滲流1～2d，以保證砂柱內沒有氣泡，測得砂體的孔隙度為28%～30%，土粒質量比為2．67。

打開供水裝置的攪拌器，使水箱中懸浮物質量濃度保持均勻；在回灌液中加入少量苯酚溶液，消除生物堵塞的影響。利用蠕動泵供水，同時打開溢流管，每隔一段時間（開始間隔為0．5h，之后為2h）讀取各測壓管的水頭值；連續(xù)測定淡水驅替咸水過程中出水電導率、鹽度變化，直到鹽度變化趨于穩(wěn)定為止。鹽度穩(wěn)定后測得出水樣中陰、陽離子的質量濃度見表1。

表1 供試水樣中主要離子質量濃度及鹽度Tab．1 Mass Concentrations of Main Ions and Salinization of Water Samples

保持滲流柱上、下游的水頭差不變，待砂柱體的初始滲透系數穩(wěn)定后，用Lead－2蠕動泵將懸浮物以一定的流量從滲流柱上端通入，并保證有少量的懸浮物從溢流口流出（定水頭）；連續(xù)測定所有測壓管水頭值，由達西定律可以分段計算滲透系數K，其計算公式為

式中：Q為出水口的流量；Δx為任意兩測壓管間的距離；Δh為相應兩測壓管間水頭差；d為砂柱內徑。

筆者采用不同時段相對滲透系數K′（滲透系數K與該層位初始滲透系數K0之比）來刻畫滲透性的變化，由此來反映含水介質的堵塞程度。另外，由于物理堵塞主要發(fā)生在入滲的前段，所以重點討論0～3、3～9、9～17、17～32cm段滲透性變化，各段的相對滲透系數分別記作K′1～K′4。

2 結果與討論

2．1 懸浮物質量濃度對含水介質滲透性的影響

（1）滲透系數變化。根據現場堵塞情況，注入質量濃度分別為50、100、200mg·L－1的懸浮物，測定的含水介質各層滲透系數變化見圖3。從圖3可以看出，在不同質量濃度懸浮物注入過程中，各段的相對滲透系數K′1～K′4都是逐漸降低；在注入初期，各層滲透性下降幅度較大，但隨著注入時間t的延長，滲透性下降幅度減小，并逐漸趨于穩(wěn)定，K′1～K′4的下降幅度依次減小。當注入懸浮物質量濃度相同時，越接近表層，滲透系數下降幅度也越大；當注入懸浮物質量濃度為50mg·L－1時，K′1～K′4最后分別下降到初始值的10%、15%、62%、78%，即K′1＜K′2＜K′3＜K′4［圖3（a）］。另外，隨著注入懸浮物質量濃度由50mg·L－1增加到200mg·L－1，各段的滲透系數降低幅度明顯增大?？傊S著懸浮物注入時間的增加以及入滲深度的減小，相對滲透系數明顯減小。

圖3 不同懸浮物質量濃度下相對滲透系數隨注入時間的變化Fig．3 Changes of Relative Permeability Coefficient with Recharge Time for Different Mass Concentrations of Suspended Matters

（2）等效滲透性的變化。由于懸浮物對含水介質的堵塞作用，所以砂柱的滲透性從上到下逐漸增大。假設其滲透性呈階梯狀變化，整個滲透柱體等效滲透系數與各層滲透系數的關系可以表示為

根據實測的各段滲透系數和相應砂層厚度，由式（2）可以計算出砂柱整體的等效滲透系數。采用不同時段相對等效滲透系數（等效滲透系數與初始等效滲透系數0之比）來刻畫砂柱整體滲透性的變化，變化曲線見圖4。

圖4 不同懸浮物質量濃度下相對等效滲透系數隨注入時間的變化Fig．4 Changes of Relative Equivalent Permeability Coefficient with Recharge Time for Different Mass Concentrations of Suspended Matters

由圖4可以得出，在懸浮物注入初期，砂柱的等效滲透系數下降幅度較大；當注入60h后，其下降幅度減小，并趨于平穩(wěn)。在懸浮物質量濃度分別為50、100、200mg·L－1的條件下，當試驗持續(xù)70h后，含水介質的等效滲透系數分別為其初始值的38%、20%、10%。回灌懸浮物質量濃度越大，砂柱等效滲透系數降低的幅度越大，造成的堵塞也越嚴重。

2．2 懸浮物粒徑對含水介質滲透性的影響

（1）滲透性的變化。當懸浮物質量濃度為100mg·L－1時，選擇D50分別為1．2、2．6、9．9μm的懸浮物進行回灌試驗，分別測定土柱的0～3、3～9、9～17、17～32cm段的相對滲透系數，從而可以得到各段的滲透性變化（圖5）。

從圖5可以看出，在注入試驗初期，各層的相對滲透系數下降幅度較大；隨著回灌時間的延長，相對滲透系數下降幅度減小，并趨于穩(wěn)定。在懸浮物粒徑為1．2μm的條件下，試驗結束時，K′1～K′4分別約為初始值的5%、12%、30%、60%，K′1～K′3下降幅度較大。在懸浮物粒徑為2．6μm的條件下，K′1、K′2明顯下降，最后分別約為初始值的5%、30%；當試驗持續(xù)20h后，K′3和K′4基本趨于穩(wěn)定，最后分別為初始值的60%、65%。在懸浮物粒徑為9．9μm的條件下，K′1～K′4的下降幅度有很大差別；在20h之前，K′1有一個急劇的下降區(qū)，隨后趨于平穩(wěn)，最終約為初始值的5%；K′2最后為初始值的50%左右，而K′3和K′4變化不大，最終約為初始值的80%、85%。

在這組試驗中，表層相對滲透系數K′1最終的下降值基本相同，K′2～K′4的下降幅度隨著懸浮物粒徑的增大而增大。這說明懸浮物粒徑越小，回灌過程中顆粒物遷移的距離越遠，滲透系數明顯下降的深度越大，即砂柱深層滲透系數的下降幅度越大。反之，當懸浮物粒徑較大時，容易被截留在表層，僅造成表層滲透系數有大幅度的下降，對深層區(qū)域的滲透系數影響較小，故其下降幅度也較小。

（2）等效滲透性的變化。假設其滲透性呈階梯狀變化，整個滲透柱體的等效滲透系數可由式（2）計算得出，相對等效滲透系數的變化曲線見圖6。

從圖6可以看出，當懸浮物D50為1．2μm時，砂柱整體滲透系數降低的幅度最大，最終約為其初始值的10%。懸浮物的粒徑越小，砂柱等效滲透系數下降越明顯。當懸浮物粒徑較大時，其顆粒物被截留在表層，造成砂柱等效滲透系數的下降幅度較小，因此對整個砂柱內部的滲透性影響較小。

3 結 語

圖5 不同懸浮物粒徑下相對滲透系數隨注入時間的變化Fig．5 Changes of Relative Permeability Coefficient with Recharge Time for Different Particle Sizes of Suspended Matters

（1）在回灌試驗初期，砂柱各層滲透性下降幅度較大，隨著懸浮物注入時間的延長，滲透性下降幅度減小，并趨于穩(wěn)定。具體來說，當注入懸浮物質量濃度為50mg·L－1時，各段的相對滲透系數K′1～K′4分別下降到初始值的10%、15%、62%、78%。隨著注入懸浮物質量濃度由50mg·L－1增加到200mg·L－1，以及注入時間的增加和入滲深度的減小，相對滲透系數不斷減小。

（2）在懸浮物質量濃度分別為50、100、200mg·L－1的條件下，含水介質的等效滲透系數分別為其初始值的38%、20%和10%。回灌懸浮物質量濃度越大，砂柱等效滲透系數降低的幅度越大，造成的堵塞越嚴重。

（3）懸浮物粒徑影響試驗中，表層相對滲透系數K′1最終的下降值基本相同，K′2～K′4的下降幅度隨著懸浮物粒徑的增大而減小。懸浮物粒徑越小，遷移距離越大，造成滲透系數下降區(qū)的厚度越大；隨著懸浮物粒徑的不斷增大，粒徑大的顆粒容易被截留在表層，造成表層滲透系數下降幅度增大，而其余各層的滲透系數下降幅度隨深度增加而減小。

圖6 不同懸浮物粒徑條件下相對等效滲透系數隨注入時間的變化Fig．6 Changes of Relative Equivalent Permeability Coefficient with Recharge Time for Different Particle Sizes of Suspended Matters

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