典型砂介质含水层渗透系数盐度效应研究

姜伟男 王福刚 董维红

摘要：渗透系数是计算含水层出水量、水库渗透量，以及溶质迁移规律研究等不可或缺的重要水文地质参数。为探究地下水盐度变化大地区渗透系数的盐度效应，以粗、中、细3种典型砂介质为研究对象，配制不同盐度的NaCl溶液，采用室内常水头试验，定量分析了盐度变化对砂介质渗透系数的影响。结果表明：①地下水盐度小于10g/L时，盐度变化不会引起砂介质渗透系数明显改变；盐度大于10g/L时，渗透系数随着盐度的增大而减小。②盐度变化引起地下水运动黏度变化是砂介质渗透系数产生盐度效应的原因。③对于不同粒径的砂介质，粗砂介质渗透系数的盐度效应最明显，中砂次之，细砂最小。

关键词：渗透系数；盐度；运动黏度；砂介质

中图分类号：TV131

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.034

渗透系数也称为水力传导率，是综合表征岩层透水性的水文地质参数，也是计算含水层出水量、水库渗透量，以及溶质迁移规律研究等不可或缺的参数。渗透系数主要受土体特性（土的粒径和级配、孔隙率、结构、黏粒含量等）和流体特性（流体黏滞性、水头压力等）影响。地下水盐度的变化不仅会使其本身的流体性质发生变化，而且会改变黏性土介质的孔隙结构，进而影响含水介质的渗透系数。王玉杰等对土壤渗透系数与卤水黏度关系的研究表明，土壤渗透系数与卤水黏度成反比。在我国干旱、半干旱的华北、西北地区，地下水蒸发浓缩作用强烈，地下水盐度变化大：在沿海地区过度开采地下水导致海水入侵，地下水盐度明显增大。因此，探究渗透系数的盐度效应对于地下水盐度变化较大的干旱或沿海地区地下水开发利用和污染物迁移转化规律研究具有重要意义。

前人有关渗透系数盐度效应的研究集中在黏性土介质渗透系数的盐度效应上，综合考虑了流体性质变化和孔隙结构变化条件下地下水盐度变化对渗透系数的影响，但没有对这两方面的变化加以区分，并且缺乏对砂介质含水层渗透系数盐度效应的研究，而砂介质含水层是大多地下水开发的主要目标层位。因此，笔者从流体性质人手，结合相关理论和前人研究成果，选择不同粒径砂介质探究流体盐度变化对砂介质含水层渗透系数的影响。

1 试验设计

1.1 试验装置

采用室内常水头试验测定渗透系数。试验装置包括供水装置、渗透裝置、测压装置、排水装置4部分，见图1。供水装置采用马氏瓶：渗透装置采用有机玻璃网柱，网柱高为1m，内径为14Cm，上端用硅胶垫和有机玻璃盖密封，两侧有测压孔若干，用于连接测压板测量水位，底部设有滤板并铺一层砾石，下端设有出水口用于排水、排气；测压装置为测压板，上面放置若干测压管，测压管内径为3mm，下端口用胶管与砂柱上的测压孔相连，用于测定过水断面水位：排水装置为可垂向升降的水槽，并设进水口和溢水口各一个，用以调节排水水位，并设进水口和溢水口各一个，用于测定单位时间内的渗流量。

1.2 试验材料

石英砂物理化学性质稳定，渗透性良好，故本次试验将粗、中、细3种粒径的石英砂作为试验材料。选取孔径为0.10、0.25、0.50、2.00mm的筛子进行筛分，配成试验所需的3种砂样，见表1。先将砂样用稀盐酸浸泡，再用清水反复冲洗并烘干。装样前在砂柱底部滤板上铺一层粒径为3～5mm的砾石，防止砂样泄露。按石英砂的密度进行装样，每次在砂柱中装6cm高的砂样，计算每次装样所需要砂的质量。将称取好的砂样装入砂柱并用捣棒将其压实，确保每次填装高度为6cm，3种砂的总装填高度均为80cm。填装完成后如发现砂样不均匀或出现裂隙，则需要重装砂样。利用蒸馏水配制不同盐度的NaCl溶液作为渗流流体，水温为20℃。

1.3 试验步骤

（1）饱和试样。首先，打开供水装置，此时排水水位低于供水水位，采用白下而上的方法进行饱水，待砂样上表面出现水膜时，立即夹好止水夹，关闭供水装置。根据砂介质的总体积与马氏瓶中水减少的体积之比计算砂介质的孔隙度。然后，打开测压管止水夹，观察所有测压管水位是否在同一水平面上，以及连接测压孔与测压管的胶管中是否有气泡。若胶管中存在气泡，则利用洗耳球将胶管或测压管中的气泡吸出：若胶管中无气泡，且各测压管水位高度相同，则说明排气成功，饱和试样完毕，可测定渗透系数。

（2）测定渗透系数。采取自上而下供水。打开供水装置，采用定水头法测定渗透系数，调节排水水位，使上下游水头差为45cm（水头差△h=Hl-H2=45cm，其中H1为砂柱上表面测压管水位、H2为底部测压管水位）。待各测压管水位稳定后，测定单位时间内的渗流量。粗砂的流量较大，每30s测定一次流量；中砂每60s测定一次流量：细砂流量较小，每120s测定一次流量。每次测定流量时均利用温度计测定水温。渗流量、水温分别测定3次取平均值，并控制温度在20℃。对于3种砂介质，进行盐度分别为0、5、10、15、20、30、40、50、70g/L的渗流试验。为确保砂柱中流体盐度与所配制的盐溶液盐度相同，进行每种盐度的渗透试验前先用待试验盐度的盐水反复冲洗砂柱，并测定排出水的TDS（使用哈纳盐度计HI98203测定），当排出水的TDS与试验用盐水相同时，进行砂柱中相应盐度溶液的渗流试验。

2 试验结果

试验所用砂柱参数见表2。砂柱填装高度为80cm，上下各有7cm高的砂作为水流缓冲区，以防止水流将砂冲散产生裂隙，影响渗透系数的测定，因此两个测压孔之间砂柱的渗流长度为66cm。根据上下游水头差△h与渗流长度△L的比值计算水力梯度。

粗、中、细3种砂介质渗流量测定结果见表3。

根据达西定律求解不同盐度条件下的渗透系数。式中：K为渗透系数，cm/s：Q为渗流量，cm3/s；A为砂柱横截面面积，Cm2；I为水力梯度。

根据式（1）计算不同盐度的水在粗、中、细3种砂介质中的渗透系数，计算结果见表4。根据表4中的数据，得到3种砂介质渗透系数K与盐度的关系曲线，见图2。3种砂介质渗透系数总体上随盐度的增大呈减小趋势，两者成反比。但是，当盐水浓度较低，小于10g/L时，渗透系数几乎不随盐度的变化而变化，可视为定值：当盐水浓度大于10g/L时，随着盐水浓度的增大，渗透系数减小，且变化幅度不断增大，说明砂介质含水层的渗透系数具有明显的盐度效应。因此在沿海地区、蒸发作用强烈的干旱地区等地下水盐度变化大的地区，渗透系数的盐度效应不可忽略。

3 讨论

3.1 砂介质盐度效应机理分析

土体特性和流体特性均对渗透系数产生影响。由于石英砂性质稳定，本次试验所用盐水不会改变石英砂介质本身特性，因此盐水性质的改变是砂介质渗透系数产生盐度效应的原因。此外，在达西定律适用范围内，黏滞力大于惯性力对流速损失起主导作用，所以流体黏滞性的改变可能是砂介质渗透系数产生盐度效应的原因。

在重力作用下，流体的黏滞力可用运动黏度来描述。利用奥氏黏度计测得20℃时不同盐度水的黏滞系数，并测定不同盐度水的密度，采用黏滞系数与密度的比值计算运动黏度，盐度为0、10、20、30、40、50g/L时的运动黏度分别为0.01012、0.01017、0.01032、0.01044、0.01058、0.01074Cm2/S。不同盐度条件下运动黏度与3种砂介质渗透系数的关系曲线见图3。

由图3可知，运动黏度η与渗透系数K呈线性关系，确定系数R2都在0.98以上，符合式（2）。

K1/K2=η1/η2

（2）式中：K1、K2为相同砂介質不同盐度下的渗透系数，cm/s；η1、η2为对应K1、K2条件下水的运动黏度，cm2/s。

根据式（2），可以利用不同盐度水的运动黏度来估算相应盐度下砂介质的渗透系数。水在岩石孔隙中运动，需要克服孔隙通道与水以及水质点之间的摩擦阻力，而所受摩擦阻力的大小与水的黏滞性有关。当黏滞性不同的两种流体在同一岩性孔隙中运动时，在相同水力梯度条件下，黏滞性大的流体受摩擦阻力大，渗流速度慢，渗透系数小：黏滞性小的流体受摩擦阻力小，渗流速度快，渗透系数大。本次试验中，水盐度的改变不是对粗、中、细3种石英砂本身产生影响，而是盐度增大，水的运动黏度增大，最终导致渗透系数减小。盐度变化导致水运动黏度改变是砂介质渗透系数产生盐度效应的原因。

3.2 砂粒直径对渗透系数盐度效应的影响分析

为了探究盐度对不同粒径砂介质渗透系数的影响，利用试验数据，将粗、中、细3种砂介质渗透系数随盐度的变化进行做图比较，见图4。由图4可知，粗砂介质中盐度变化对渗透系数的影响较大，中砂次之，细砂的渗透系数变化最小，所以在相同盐度变化条件下，砂粒直径越大，渗透系数变化的幅度越大。粗、中、细3种砂的孔隙特征不同，粗砂孔隙大、连通性好，因此盐度效应最明显。

4 结论

（1）在常温、常压条件下，地下水盐度小于10 g/L时，盐度变化对砂介质渗透系数的影响很小：地下水盐度大于10 g/L时，随着水盐度的增大，砂介质渗透系数减小，且减小的幅度逐渐增大。

（2）地下水盐度变化时，其运动黏度随之改变，这是渗透系数产生盐度效应的原因。水的运动黏度与盐度成正比，当水的盐度增大时，运动黏度增大，导致水流动时所受摩擦阻力增大，进而渗流速度减小，渗透系数减小。

（3）由于孔隙特征不同，粗砂介质含水层渗透系数受盐度变化的影响大于中砂和细砂的，细砂受盐度变化的影响最小。