咸水在黏性土中迁移转化的试验研究

通信作者：成建梅，教授。E-mail:jmcheng@cug.edu.cn

咸水在黏性土中迁移转化的试验研究

李亚美,成建梅,李敏敏,崔莉红

(中国地质大学(武汉)环境学院,湖北 武汉430074)

摘要：采用衡水地下水科学试验场浅层钻孔土样进行室内一维土柱渗流试验,并用地球化学模拟方法探讨黏性土对咸水迁移转化的控制机理。结果表明:黏性土对咸水迁移有一定的阻隔作用,1号土柱对Na+的阻滞作用以吸附为主,2号土柱对Na+的阻滞作用由吸附和阳离子交换共同影响;1号和2号土柱的阻盐率分别为49.8%和54.5%;1号和2号土柱中黏性土的阻滞因子R1和R2分别为1.54和3.78;咸水迁移过程中,控制水岩相互作用的主要因素是岩盐的沉淀,石膏、方解石的溶解,Mg2+、Ca2+与Na+之间的离子交换。

关键词：黏性土;一维土柱渗流试验;地球化学模拟;水岩相互作用

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)(2010CB428802)

作者简介：李亚美(1987—)，女，助理工程师，硕士，主要从事地下水溶质运移研究。E-mail:lymandly@163.com

中图分类号：P641.3文献标志码：A

收稿日期：(2014-05-16编辑：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

近年来,由于地下水用水量不断增大,衡水市深层地下水长期处于超采状态,导致浅层咸水逐年下移,对深层淡水形成潜在的威胁。处于该区浅层及深层含水层之间的黏性土层对控制浅层咸水下移起着重要作用,因此,有必要深入研究黏性土对咸水迁移转化的控制机理。

黏性土颗粒较细,孔隙较小,对有机溶质与无机溶质的迁移均有一定的阻隔作用。溶质的阻隔能力,与黏性土渗透性大小、水分渗流规律及溶质本身的性质有关。国内外许多学者利用室内土柱及野外试验两种方法研究了盐水[1-3]、重金属[4-10]、垃圾淋滤液[11]及无机离子[12]等无机溶质通过黏性土的迁移转化规律及黏性土对其的吸附、阻滞作用;利用吸附/解吸试验、渗透试验及土柱淋滤试验等，研究了挥发性有机化合物[13-15]、石油[16-17]及多环芳烃[18-19]等有机溶质在黏性土中的迁移转化规律,得出黏性土具有一定截污能力并对有机溶质具有净化作用的结论。

笔者利用衡水市科学试验场不同深度的两个黏性土样进行室内土柱渗流试验,监测淋滤液中各离子浓度随时间的变化规律,通过分析计算对比了两黏性土样对咸水的阻滞能力大小,并用水文地球化学模拟软件PHREEQC模拟了两土柱不同时间段的水岩相互作用及阳离子交换过程,在此基础上探讨黏性土层对咸水迁移转化的控制机理。

表1　土样的矿物成分质量分数 　%

表2　土样易溶盐质量比 　mg/kg

1一维土柱渗流试验

1.1试验过程

本次试验利用两组土样进行咸水渗流试验,1号、2号土样分别取自河北衡水地下水科学试验场44.5～44.7m和60.6～60.8m深度处,分别对应1号土柱和2号土柱。研究区咸淡水过渡带位于41～63m段,以亚砂土、亚黏土为主,咸淡水分界面位于53m处[20]。两土样在咸淡水过渡带垂向上的位置见图1。

图1　两土柱垂向位置图

本文的研究重点是黏性土对咸水迁移转化的控制机理。研究区浅层咸水主要为Cl-Na型水,但受取样条件限制,室内试验采用配制的类似的氯化钠溶液作为本次试验的淋滤液。

经颗粒分析可知,1号、2号土样粒径小于0.005mm的比例分别为49.4%、32.1%,两土样均为粉质黏土,级配良好。利用X-射线衍射法对土样进行物相分析,结果见表1。利用质量法测定土样易溶盐总量,利用ICS-1100离子色谱仪测定易溶盐阴离子,ICP-Z6000氩等离子体原子发射光谱仪测定易溶盐阳离子,结果见表2。

咸水在黏性土中的渗透、迁移、转化等均可利用一维土柱渗流试验进行研究,试验满足达西定律。试验装置如图2所示,图中装置内径为8.0cm,装置高度为50cm。

图2　试验装置

试验中渗透系数K为

(1)

式中:K为渗透系数,m/s;V为t时间内的土柱底部渗出液体积,m3;L为渗流途径长度,m;A为过水断面面积,m2;t为渗流时间,s;h为渗滤液的水头,m。

采用分层装土,土样高度为10cm。用去离子水对土柱饱水。1、2号土柱的定水头分别为48cm、46cm;1、2号土柱淋滤液NaCl的初始质量浓度分别为6g/L、3g/L。

在试验过程中使用专门容器收集出水口的水样,利用电导率仪(DDB-3)测量土柱出口溶液电导率值随时间的变化情况,并根据咸水质量浓度与电导率值标准曲线换算求得水样的质量浓度。图3 显示了出水口处溶液质量浓度与时间的关系。

图3　土柱出水口溶液质量浓度与时间的关系

试验过程中,对两土柱出口处不同时刻所取水样进行常规离子及微量元素测试。其中,阴离子利用ICS-1100离子色谱仪进行测试,阳离子利用ICP-Z6000氩等离子体原子发射光谱仪进行测试。两土柱试验过程中主要离子随时间的变化曲线如图4、图5所示。

图4　1号土柱渗出液中不同离子浓度与时间的关系

图5　2号土柱渗出液中不同离子浓度与时间的关系

1.2 黏性土阻盐能力分析

由图3～5可知,从总质量浓度的角度来看,咸水已经穿透土柱,但是作为穿透离子的Na+与Cl-,其浓度均未达到最大值。咸水在下移的过程中淋滤了土柱中的其他离子成分,使得总浓度上升,造成上部咸水穿透的假象;黏性土对Cl-离子的阻滞作用最小,通常认为其阻滞因子R=1,即无阻滞作用。两土柱的变化曲线较为接近。虽然2号土柱与1号土柱顶部的咸水质量浓度相差一倍,但是2号土柱的渗流流速却将近是1号土柱的2倍(v1=2.70×10-3cm/h,v2=6.72×10-3cm/h),流场的差异几乎抵消了浓度场的影响,使得两土柱无阻滞作用的Cl-离子质量浓度变化曲线一致。经计算,1号土柱截留盐分量占总加盐量的49.8%,2号土柱为54.5%。

黏性土中溶质的滞后现象是指溶质在通过黏性土的过程中,由于外界诸多因素的影响,使溶质的迁移与其周围地下水运动产生差异,出现溶质迁移滞后地下水运动的现象。通常用阻滞因子R定量描述滞后现象(R=1,表示无阻滞;R>1，表示有阻滞)。阻滞作用的大小主要与介质的种类、温度、pH值、溶质的种类、介质对溶质的吸附能力等因素有关。因此,不同介质对同一种溶质的阻滞作用大小不同,同一种介质对不同溶质的阻滞作用大小也不相同。

动态土柱阻滞因子R可表示为

(2)

式中:v为渗透土柱的流体平均流速;u为溶质的迁移速度;I为水力坡度。

利用直线图解法和试验相关数据,经过分析计算可求得两土柱阻滞因子,具体过程如下:

a. 溶质迁移速度u可利用直线图解法[3]求解。

(3)

(4)

式中:t为时间，s;tm为溶液浓度最大的时刻，s;ρm为溶液的最大质量浓度,g/L;ρ为x处溶液的质量浓度，g/L。

其中Y与X为线性关系,其斜率i为

(5)

式中，x为观测孔距入水口的距离，m。

则

(6)

(7)

式中,DL为弥散系数,m2/s。

经计算可知,试验过程中两土柱的平均渗透系数分别为K1=5.62×10-4cm/h、K2=1.46×10-3cm/h,又由土柱的平均渗透系数v=KI可得:v1=2.70×10-3cm/h,v2=6.72×10-3cm/h。

利用图3中土柱淋滤液浓度及式(3)～(7)可求得盐水的迁移速度u1=1.75×10-3cm/h,u2=1.78×10-3cm/h。

将v1、v2及u1、u2代入式(2)可求得两土柱的阻滞因子分别为R1=1.54,R2=3.78。

两土柱阻滞因子均大于1,说明两土柱对盐水的运移均有一定的阻滞作用,其中2号土柱的阻滞因子大于1号土柱,与前面提到的2号土柱的阻截盐分的能力大于1号土柱相一致(1、2号土柱所截留的盐分量分别占总加盐量的49.8%、54.5%)。

综上,不同介质对同一种溶质的阻滞作用的大小不同,同一种介质对不同溶质的阻滞作用大小也不相同。同时,咸水下移并非只是咸水自身溶质的下移,同时还伴随水文地球化学作用,其中溶解作用及阳离子交换作用会促进下部淡水的咸化进程。

表3　不同时刻两土柱淋滤液主要矿物饱和指数(SI)

2水文地球化学模拟

地球化学模拟是解决水-岩相互作用的重要手段之一,其中PHREEQC反向水文地球化学模拟是查明不同反应路径水文地球化学模拟过程的常用方法。在咸水通过黏性土渗透试验的基础上,利用PHREEQC软件模拟该水流路径过程中发生的水-岩相互作用,探讨咸水通过黏性土的水文地球化学变化过程。

反向水文地球化学模拟是利用某水流路径上始端及末端水溶液化学组分的差异反向推测系统中发生的水文地球化学变化。利用反向水文地球化学模拟可以计算矿物的饱和指数,定量分析在此水流路径上矿物的沉淀/溶解量,以解决系统中地下水的水文地球化学演变问题。反向水文地球化学模拟满足质量守恒、能量守恒、电荷守恒三大定律,主要表现形式是“初始水溶液”加“反应相”,生成“终止水溶液”加“生成相”。

2.1“可能矿物相”选取

“可能矿物相”的选取决定了水流路径过程中发生的水文地球化学反应,目前其选择依据主要有:含水层的矿物成分、水化学分析，地下水的赋存条件，水文地球化学演化过程，矿物的饱和指数等。根据试验土样的矿物成分分析,出水口处水溶液水化学分析,阳离子交换量的计算及Cl-平衡等,选择绿泥石、伊利石、高岭石、石英、长石、白云石、方解石、岩盐作为该反应过程中的“可能矿物相”;考虑到本次试验过程发生阳离子交换,CO2(g)也参与反应,因此,将阳离子交换及CO2(g)也作为此次模拟的“可能矿物相”。

2.2反向路径化学模拟

反向路径化学模拟是建立在质量守恒的基础上,因此,应先计算不同时刻两土柱淋滤液中矿物的饱和指数,据此,来选择试验过程中不同水流路径可能发生的水文地球化学反应。将试验过程中不同时刻两土柱淋滤液中各离子质量浓度输入模拟软件PHREEQC中,计算可得淋滤液矿物饱和指数,结果如表3所示。根据计算结果,选取合理的模型,得到两土柱不同时刻物质转移量,见表4。其中,初始时刻两土柱淋滤液分别是矿化度为6g/L、3g/L的NaCl溶液,阳离子以Na+为主,阴离子以Cl-为主。1号土柱初始时刻土柱淋滤液中Na+、Cl-浓度均为103.2mmol/L,2号土柱初始时刻土柱淋滤液中Na+、Cl-浓度均为51.5mmol/L。

由表3可知:两土柱淋滤液中“可能矿物相”钠长石、伊利石、钾长石、高岭石处于过饱和状态;石膏、霰石、方解石、天青石、玉髓、绿泥石、白云石、岩盐处

表4　不同时刻两土柱淋滤液物质转移量　nmol

于不饱和状态;石英处于基本饱和状态。“可能矿物相”中除玉髓和石英饱和指数基本不变之外,其他“可能矿物相”的饱和指数随两土柱淋滤时间的增加而增大。

3结论

a. 浅层黏性土对Na+的阻滞作用以吸附为主,深层黏性土对Na+的阻滞作用由吸附和阳离子交换共同影响;深层黏性土的阻盐能力比浅层黏性土柱明显。

b. 咸水迁移过程中,控制水岩相互作用的主要因素是岩盐的沉淀和石膏、方解石的溶解,Mg2+、Ca2+与Na+之间的交换。

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