咸水越流中膜效应对溶质运移的影响

王英，左文喆，陈永理

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北唐山 063009;2.河北省地勘局第五地质大队，河北唐山 063004)

华北平原位于中国东部，是水资源最为短缺的地区之一，具有“上咸下淡”的双层水质结构。据统计［1］，近年来该地区70%的供水资源来源于地下水，浅层水由于水质咸而开采量小，水位基本保持自然状态，进而导致了深层地下水的大量开采。在自然状态下，深层淡水以侧向补给作用为主，但由于长期超量开采深层地下水，深层水由顶托排泄转而变为接受上层水越流补给［2］。多项研究结果表明，在深层地下水的总开采量中，其越流量约占40%～70%，但深层淡水并未因越流补给而整体咸化，因此研究盐分在运移过程中的运移规律，是预测盐分运移的关键。影响盐分运移的因素很多，对于同一种物质，在不同的条件下其运移的规律也是不一样的。本文的目的是以氯化钠为研究对像，研究在不同的水力梯度条件下，盐分运移过程的影响因素。

1 材料与方法

本实验依托左文喆老师的河北省自然科学基金资助项目:华北平原咸水越流过程中水－岩作用实验研究项目。实验土样取自唐山市区，经过实验判断属粉质粘土。实验采用垂直土柱渗透实验，土柱材料为有机玻璃，土样的尺寸φ104 mm×800 mm，每100 mm设定一排水口，填装土柱时采用分层填装法，按照计算好达到自然孔隙度时的高度进行土柱填装，为了防止细粒土样流失，土柱下部需要填装厚度约4～5 cm的砾石，在砾石层之上，称取500 g土样为一层，每装一层需要用面积等于有机玻璃柱横截面积的装填工具进行打击压实，使土样达到预计孔隙度。在本渗透试验中有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个土柱，Ⅰ土柱因实验中出现问题停止试验，再次不做介绍。Ⅱ号、Ⅲ号土柱分别取样22次，最终装填高度为43.53 cm，孔隙比为0.98。实验开始前，先将土柱缓慢从下往上注水排气饱和，饱和6天后，调换入水口，做定水头实验时改为从上部上水，进行定水头渗透实验，Ⅱ号土柱高水头定为141 cm，出水口高度为24.5 cm，即水头差为116.5 cm;Ⅲ号土柱高水头定为187.5 cm，出水口22.5 cm，即水头差为155 cm。每日定时从出水口取水样，测量水样体积、电导率、Cl－含量，Na+含量，并每隔一定时间测入水口的电导率，当出水口溶液浓度到达稳定后停止实验。

2 实验结果与讨论

2.1 拟合穿透曲线法求解溶质运移参数

土柱底部出流液的相对浓度随孔隙体积的变化曲线称为穿透曲线，其可以反映溶质在介质中运移的特征。依据一维流条件下的简化弥散公式［3］，求的相关参数:

式中:

DL—弥散系数，m2/d;

x—出水口到入水口的距离，cm;

u—土柱中示踪剂离子的平均运动速度，cm/s;

t0.16—某一固定位置，浓度达到示踪剂注入浓度0.16倍的时间，s;

t0.84—某一固定位置，浓度达到示踪剂注入浓度0.84倍的时间，s。

运移参数如表1

表1 运移参数

从表中发现流速及弥散系数较小，初步判定对流及弥散作用影响较小。

2.2 运移规律的比较

溶质在土中的运移过程除受到对流、弥散等因素影响外，还要受到物理的、化学的固定、吸附作用的影响［4］。如果只存在粘土对溶质的吸附作用，以及弥散和对流作用，则当吸附达到平衡时，从出水口流出的溶质浓度应与原始配制的溶质浓度一致或接近。从图1、图2中看出，随着时间的增长，氯离子浓度比值已超过1，而钠离子浓度比值仍未达到1。因此初步得出在溶质运移过程中，除了吸附作用还存在其他截盐作用，初步判断为粘土的“膜效应”。

通过定时间的对土柱上端入水口处电导率的检测，发现每个土柱中电导率都有变大的现象，证明存在浓缩现象;而通过出水口的钠离子浓度检测，发现滤出液的浓度小于配制盐水的浓度，即有分离现象。而此正好吻合膜作用的特点:一、在常温下作用，不存在相变;二、浓缩分离同时进行;三、不需要投加其他物质，也没有改变分离物质的性质;四、适应性强运行稳定。因此判断为该种特殊的截盐作用为“膜效应”。

3 结 论

通过室内扰动土渗透实验对溶质运移规律进行了研究，得到了以下结论:

通过扰动土动态土柱实验，计算得出了水、盐在粘性土中的运移速率、弥散系数，根据实验参数，判断在低水力梯度下，盐分在粘性土中的运移过程除存在对流、弥散、阻滞效应，还存在“膜效应”。“膜效应”增加了粘性土对盐分的阻滞作用。

实验虽验证了粘土的“膜效应”，但“膜效应”的阻盐效率较低，且受多种因素影响。建议华北平原有咸水区的地下水开采应制定保护性开发方案，防止咸水大量下移污染深层淡水。

［1］张兆吉，费宇红，陈宗宇，等.华北平原地下水可持续利用调查评价［M］.北京:地质出版社，2009.

［2］张宗祜，沈照理.华北平原地下水环境演化［M］.北京:地质出版社，2000.

［3］何俊杰，王明伟，王廷国.地下水动力学［M］.北京:地质出版社，2009，1:81.

［4］王平.咸水通过粘性土层的弥散作用实验研究［D］.北京:中国地质大学，2010.