咸水越流中膜效應(yīng)對溶質(zhì)運(yùn)移的影響

王英，左文喆，陳永理

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山 063009;2.河北省地勘局第五地質(zhì)大隊，河北唐山 063004)

華北平原位于中國東部，是水資源最為短缺的地區(qū)之一，具有“上咸下淡”的雙層水質(zhì)結(jié)構(gòu)。據(jù)統(tǒng)計［1］，近年來該地區(qū)70%的供水資源來源于地下水，淺層水由于水質(zhì)咸而開采量小，水位基本保持自然狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致了深層地下水的大量開采。在自然狀態(tài)下，深層淡水以側(cè)向補(bǔ)給作用為主，但由于長期超量開采深層地下水，深層水由頂托排泄轉(zhuǎn)而變?yōu)榻邮苌蠈铀搅餮a(bǔ)給［2］。多項研究結(jié)果表明，在深層地下水的總開采量中，其越流量約占40%～70%，但深層淡水并未因越流補(bǔ)給而整體咸化，因此研究鹽分在運(yùn)移過程中的運(yùn)移規(guī)律，是預(yù)測鹽分運(yùn)移的關(guān)鍵。影響鹽分運(yùn)移的因素很多，對于同一種物質(zhì)，在不同的條件下其運(yùn)移的規(guī)律也是不一樣的。本文的目的是以氯化鈉為研究對像，研究在不同的水力梯度條件下，鹽分運(yùn)移過程的影響因素。

1 材料與方法

本實驗依托左文喆老師的河北省自然科學(xué)基金資助項目:華北平原咸水越流過程中水－巖作用實驗研究項目。實驗土樣取自唐山市區(qū)，經(jīng)過實驗判斷屬粉質(zhì)粘土。實驗采用垂直土柱滲透實驗，土柱材料為有機(jī)玻璃，土樣的尺寸φ104 mm×800 mm，每100 mm設(shè)定一排水口，填裝土柱時采用分層填裝法，按照計算好達(dá)到自然孔隙度時的高度進(jìn)行土柱填裝，為了防止細(xì)粒土樣流失，土柱下部需要填裝厚度約4～5 cm的礫石，在礫石層之上，稱取500 g土樣為一層，每裝一層需要用面積等于有機(jī)玻璃柱橫截面積的裝填工具進(jìn)行打擊壓實，使土樣達(dá)到預(yù)計孔隙度。在本滲透試驗中有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個土柱，Ⅰ土柱因?qū)嶒炛谐霈F(xiàn)問題停止試驗，再次不做介紹。Ⅱ號、Ⅲ號土柱分別取樣22次，最終裝填高度為43.53 cm，孔隙比為0.98。實驗開始前，先將土柱緩慢從下往上注水排氣飽和，飽和6天后，調(diào)換入水口，做定水頭實驗時改為從上部上水，進(jìn)行定水頭滲透實驗，Ⅱ號土柱高水頭定為141 cm，出水口高度為24.5 cm，即水頭差為116.5 cm;Ⅲ號土柱高水頭定為187.5 cm，出水口22.5 cm，即水頭差為155 cm。每日定時從出水口取水樣，測量水樣體積、電導(dǎo)率、Cl－含量，Na+含量，并每隔一定時間測入水口的電導(dǎo)率，當(dāng)出水口溶液濃度到達(dá)穩(wěn)定后停止實驗。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 擬合穿透曲線法求解溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)

土柱底部出流液的相對濃度隨孔隙體積的變化曲線稱為穿透曲線，其可以反映溶質(zhì)在介質(zhì)中運(yùn)移的特征。依據(jù)一維流條件下的簡化彌散公式［3］，求的相關(guān)參數(shù):

式中:

DL—彌散系數(shù)，m2/d;

x—出水口到入水口的距離，cm;

u—土柱中示蹤劑離子的平均運(yùn)動速度，cm/s;

t0.16—某一固定位置，濃度達(dá)到示蹤劑注入濃度0.16倍的時間，s;

t0.84—某一固定位置，濃度達(dá)到示蹤劑注入濃度0.84倍的時間，s。

運(yùn)移參數(shù)如表1

表1 運(yùn)移參數(shù)

從表中發(fā)現(xiàn)流速及彌散系數(shù)較小，初步判定對流及彌散作用影響較小。

2.2 運(yùn)移規(guī)律的比較

溶質(zhì)在土中的運(yùn)移過程除受到對流、彌散等因素影響外，還要受到物理的、化學(xué)的固定、吸附作用的影響［4］。如果只存在粘土對溶質(zhì)的吸附作用，以及彌散和對流作用，則當(dāng)吸附達(dá)到平衡時，從出水口流出的溶質(zhì)濃度應(yīng)與原始配制的溶質(zhì)濃度一致或接近。從圖1、圖2中看出，隨著時間的增長，氯離子濃度比值已超過1，而鈉離子濃度比值仍未達(dá)到1。因此初步得出在溶質(zhì)運(yùn)移過程中，除了吸附作用還存在其他截鹽作用，初步判斷為粘土的“膜效應(yīng)”。

通過定時間的對土柱上端入水口處電導(dǎo)率的檢測，發(fā)現(xiàn)每個土柱中電導(dǎo)率都有變大的現(xiàn)象，證明存在濃縮現(xiàn)象;而通過出水口的鈉離子濃度檢測，發(fā)現(xiàn)濾出液的濃度小于配制鹽水的濃度，即有分離現(xiàn)象。而此正好吻合膜作用的特點(diǎn):一、在常溫下作用，不存在相變;二、濃縮分離同時進(jìn)行;三、不需要投加其他物質(zhì)，也沒有改變分離物質(zhì)的性質(zhì);四、適應(yīng)性強(qiáng)運(yùn)行穩(wěn)定。因此判斷為該種特殊的截鹽作用為“膜效應(yīng)”。

3 結(jié) 論

通過室內(nèi)擾動土滲透實驗對溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了以下結(jié)論:

通過擾動土動態(tài)土柱實驗，計算得出了水、鹽在粘性土中的運(yùn)移速率、彌散系數(shù)，根據(jù)實驗參數(shù)，判斷在低水力梯度下，鹽分在粘性土中的運(yùn)移過程除存在對流、彌散、阻滯效應(yīng)，還存在“膜效應(yīng)”?！澳ば?yīng)”增加了粘性土對鹽分的阻滯作用。

實驗雖驗證了粘土的“膜效應(yīng)”，但“膜效應(yīng)”的阻鹽效率較低，且受多種因素影響。建議華北平原有咸水區(qū)的地下水開采應(yīng)制定保護(hù)性開發(fā)方案，防止咸水大量下移污染深層淡水。

［1］張兆吉，費(fèi)宇紅，陳宗宇，等.華北平原地下水可持續(xù)利用調(diào)查評價［M］.北京:地質(zhì)出版社，2009.

［2］張宗祜，沈照理.華北平原地下水環(huán)境演化［M］.北京:地質(zhì)出版社，2000.

［3］何俊杰，王明偉，王廷國.地下水動力學(xué)［M］.北京:地質(zhì)出版社，2009，1:81.

［4］王平.咸水通過粘性土層的彌散作用實驗研究［D］.北京:中國地質(zhì)大學(xué)，2010.