咸水在黏性土中遷移轉(zhuǎn)化的試驗(yàn)研究

2015-12-29 01:26:08李亞美,成建梅,李敏敏等

水資源保護(hù) 2015年3期

通信作者：成建梅，教授。E-mail:jmcheng@cug.edu.cn

李亞美,成建梅,李敏敏,崔莉紅

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北武漢430074)

摘要：采用衡水地下水科學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)淺層鉆孔土樣進(jìn)行室內(nèi)一維土柱滲流試驗(yàn),并用地球化學(xué)模擬方法探討?zhàn)ば酝翆?duì)咸水遷移轉(zhuǎn)化的控制機(jī)理。結(jié)果表明:黏性土對(duì)咸水遷移有一定的阻隔作用,1號(hào)土柱對(duì)Na+的阻滯作用以吸附為主,2號(hào)土柱對(duì)Na+的阻滯作用由吸附和陽(yáng)離子交換共同影響;1號(hào)和2號(hào)土柱的阻鹽率分別為49.8%和54.5%;1號(hào)和2號(hào)土柱中黏性土的阻滯因子R1和R2分別為1.54和3.78;咸水遷移過(guò)程中,控制水巖相互作用的主要因素是巖鹽的沉淀,石膏、方解石的溶解,Mg2+、Ca2+與Na+之間的離子交換。

關(guān)鍵詞：黏性土;一維土柱滲流試驗(yàn);地球化學(xué)模擬;水巖相互作用

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2010CB428802)

作者簡(jiǎn)介：李亞美(1987—)，女，助理工程師，碩士，主要從事地下水溶質(zhì)運(yùn)移研究。E-mail:lymandly@163.com

中圖分類(lèi)號(hào)：P641.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：(2014-05-16編輯：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

近年來(lái),由于地下水用水量不斷增大,衡水市深層地下水長(zhǎng)期處于超采狀態(tài),導(dǎo)致淺層咸水逐年下移,對(duì)深層淡水形成潛在的威脅。處于該區(qū)淺層及深層含水層之間的黏性土層對(duì)控制淺層咸水下移起著重要作用,因此,有必要深入研究黏性土對(duì)咸水遷移轉(zhuǎn)化的控制機(jī)理。

黏性土顆粒較細(xì),孔隙較小,對(duì)有機(jī)溶質(zhì)與無(wú)機(jī)溶質(zhì)的遷移均有一定的阻隔作用。溶質(zhì)的阻隔能力,與黏性土滲透性大小、水分滲流規(guī)律及溶質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用室內(nèi)土柱及野外試驗(yàn)兩種方法研究了鹽水[1-3]、重金屬[4-10]、垃圾淋濾液[11]及無(wú)機(jī)離子[12]等無(wú)機(jī)溶質(zhì)通過(guò)黏性土的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及黏性土對(duì)其的吸附、阻滯作用;利用吸附/解吸試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)及土柱淋濾試驗(yàn)等，研究了揮發(fā)性有機(jī)化合物[13-15]、石油[16-17]及多環(huán)芳烴[18-19]等有機(jī)溶質(zhì)在黏性土中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律,得出黏性土具有一定截污能力并對(duì)有機(jī)溶質(zhì)具有凈化作用的結(jié)論。

筆者利用衡水市科學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)不同深度的兩個(gè)黏性土樣進(jìn)行室內(nèi)土柱滲流試驗(yàn),監(jiān)測(cè)淋濾液中各離子濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律,通過(guò)分析計(jì)算對(duì)比了兩黏性土樣對(duì)咸水的阻滯能力大小,并用水文地球化學(xué)模擬軟件PHREEQC模擬了兩土柱不同時(shí)間段的水巖相互作用及陽(yáng)離子交換過(guò)程,在此基礎(chǔ)上探討?zhàn)ば酝翆訉?duì)咸水遷移轉(zhuǎn)化的控制機(jī)理。

表1　土樣的礦物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) 　%

表2　土樣易溶鹽質(zhì)量比　mg/kg

1一維土柱滲流試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)過(guò)程

本次試驗(yàn)利用兩組土樣進(jìn)行咸水滲流試驗(yàn),1號(hào)、2號(hào)土樣分別取自河北衡水地下水科學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)44.5～44.7m和60.6～60.8m深度處,分別對(duì)應(yīng)1號(hào)土柱和2號(hào)土柱。研究區(qū)咸淡水過(guò)渡帶位于41～63m段,以亞砂土、亞黏土為主,咸淡水分界面位于53m處[20]。兩土樣在咸淡水過(guò)渡帶垂向上的位置見(jiàn)圖1。

圖1　兩土柱垂向位置圖

本文的研究重點(diǎn)是黏性土對(duì)咸水遷移轉(zhuǎn)化的控制機(jī)理。研究區(qū)淺層咸水主要為Cl-Na型水,但受取樣條件限制,室內(nèi)試驗(yàn)采用配制的類(lèi)似的氯化鈉溶液作為本次試驗(yàn)的淋濾液。

經(jīng)顆粒分析可知,1號(hào)、2號(hào)土樣粒徑小于0.005mm的比例分別為49.4%、32.1%,兩土樣均為粉質(zhì)黏土,級(jí)配良好。利用X-射線衍射法對(duì)土樣進(jìn)行物相分析,結(jié)果見(jiàn)表1。利用質(zhì)量法測(cè)定土樣易溶鹽總量,利用ICS-1100離子色譜儀測(cè)定易溶鹽陰離子,ICP-Z6000氬等離子體原子發(fā)射光譜儀測(cè)定易溶鹽陽(yáng)離子,結(jié)果見(jiàn)表2。

咸水在黏性土中的滲透、遷移、轉(zhuǎn)化等均可利用一維土柱滲流試驗(yàn)進(jìn)行研究,試驗(yàn)滿足達(dá)西定律。試驗(yàn)裝置如圖2所示,圖中裝置內(nèi)徑為8.0cm,裝置高度為50cm。

圖2　試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)中滲透系數(shù)K為

(1)

式中:K為滲透系數(shù),m/s;V為t時(shí)間內(nèi)的土柱底部滲出液體積,m3;L為滲流途徑長(zhǎng)度,m;A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,m2;t為滲流時(shí)間,s;h為滲濾液的水頭,m。

采用分層裝土,土樣高度為10cm。用去離子水對(duì)土柱飽水。1、2號(hào)土柱的定水頭分別為48cm、46cm;1、2號(hào)土柱淋濾液NaCl的初始質(zhì)量濃度分別為6g/L、3g/L。

在試驗(yàn)過(guò)程中使用專(zhuān)門(mén)容器收集出水口的水樣,利用電導(dǎo)率儀(DDB-3)測(cè)量土柱出口溶液電導(dǎo)率值隨時(shí)間的變化情況,并根據(jù)咸水質(zhì)量濃度與電導(dǎo)率值標(biāo)準(zhǔn)曲線換算求得水樣的質(zhì)量濃度。圖3 顯示了出水口處溶液質(zhì)量濃度與時(shí)間的關(guān)系。

圖3　土柱出水口溶液質(zhì)量濃度與時(shí)間的關(guān)系

試驗(yàn)過(guò)程中,對(duì)兩土柱出口處不同時(shí)刻所取水樣進(jìn)行常規(guī)離子及微量元素測(cè)試。其中,陰離子利用ICS-1100離子色譜儀進(jìn)行測(cè)試,陽(yáng)離子利用ICP-Z6000氬等離子體原子發(fā)射光譜儀進(jìn)行測(cè)試。兩土柱試驗(yàn)過(guò)程中主要離子隨時(shí)間的變化曲線如圖4、圖5所示。

圖4　1號(hào)土柱滲出液中不同離子濃度與時(shí)間的關(guān)系

圖5　2號(hào)土柱滲出液中不同離子濃度與時(shí)間的關(guān)系

1.2 黏性土阻鹽能力分析

由圖3～5可知,從總質(zhì)量濃度的角度來(lái)看,咸水已經(jīng)穿透土柱,但是作為穿透離子的Na+與Cl-,其濃度均未達(dá)到最大值。咸水在下移的過(guò)程中淋濾了土柱中的其他離子成分,使得總濃度上升,造成上部咸水穿透的假象;黏性土對(duì)Cl-離子的阻滯作用最小,通常認(rèn)為其阻滯因子R=1,即無(wú)阻滯作用。兩土柱的變化曲線較為接近。雖然2號(hào)土柱與1號(hào)土柱頂部的咸水質(zhì)量濃度相差一倍,但是2號(hào)土柱的滲流流速卻將近是1號(hào)土柱的2倍(v1=2.70×10-3cm/h,v2=6.72×10-3cm/h),流場(chǎng)的差異幾乎抵消了濃度場(chǎng)的影響,使得兩土柱無(wú)阻滯作用的Cl-離子質(zhì)量濃度變化曲線一致。經(jīng)計(jì)算,1號(hào)土柱截留鹽分量占總加鹽量的49.8%,2號(hào)土柱為54.5%。

黏性土中溶質(zhì)的滯后現(xiàn)象是指溶質(zhì)在通過(guò)黏性土的過(guò)程中,由于外界諸多因素的影響,使溶質(zhì)的遷移與其周?chē)叵滤\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生差異,出現(xiàn)溶質(zhì)遷移滯后地下水運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。通常用阻滯因子R定量描述滯后現(xiàn)象(R=1,表示無(wú)阻滯;R>1，表示有阻滯)。阻滯作用的大小主要與介質(zhì)的種類(lèi)、溫度、pH值、溶質(zhì)的種類(lèi)、介質(zhì)對(duì)溶質(zhì)的吸附能力等因素有關(guān)。因此,不同介質(zhì)對(duì)同一種溶質(zhì)的阻滯作用大小不同,同一種介質(zhì)對(duì)不同溶質(zhì)的阻滯作用大小也不相同。

動(dòng)態(tài)土柱阻滯因子R可表示為

(2)

式中:v為滲透土柱的流體平均流速;u為溶質(zhì)的遷移速度;I為水力坡度。

利用直線圖解法和試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)分析計(jì)算可求得兩土柱阻滯因子,具體過(guò)程如下:

a. 溶質(zhì)遷移速度u可利用直線圖解法[3]求解。

(3)

(4)

式中:t為時(shí)間，s;tm為溶液濃度最大的時(shí)刻，s;ρm為溶液的最大質(zhì)量濃度,g/L;ρ為x處溶液的質(zhì)量濃度，g/L。

其中Y與X為線性關(guān)系,其斜率i為

(5)

式中，x為觀測(cè)孔距入水口的距離，m。

則

(6)

(7)

式中,DL為彌散系數(shù),m2/s。

經(jīng)計(jì)算可知,試驗(yàn)過(guò)程中兩土柱的平均滲透系數(shù)分別為K1=5.62×10-4cm/h、K2=1.46×10-3cm/h,又由土柱的平均滲透系數(shù)v=KI可得:v1=2.70×10-3cm/h,v2=6.72×10-3cm/h。

利用圖3中土柱淋濾液濃度及式(3)～(7)可求得鹽水的遷移速度u1=1.75×10-3cm/h,u2=1.78×10-3cm/h。

將v1、v2及u1、u2代入式(2)可求得兩土柱的阻滯因子分別為R1=1.54,R2=3.78。

兩土柱阻滯因子均大于1,說(shuō)明兩土柱對(duì)鹽水的運(yùn)移均有一定的阻滯作用,其中2號(hào)土柱的阻滯因子大于1號(hào)土柱,與前面提到的2號(hào)土柱的阻截鹽分的能力大于1號(hào)土柱相一致(1、2號(hào)土柱所截留的鹽分量分別占總加鹽量的49.8%、54.5%)。

綜上,不同介質(zhì)對(duì)同一種溶質(zhì)的阻滯作用的大小不同,同一種介質(zhì)對(duì)不同溶質(zhì)的阻滯作用大小也不相同。同時(shí),咸水下移并非只是咸水自身溶質(zhì)的下移,同時(shí)還伴隨水文地球化學(xué)作用,其中溶解作用及陽(yáng)離子交換作用會(huì)促進(jìn)下部淡水的咸化進(jìn)程。

表3　不同時(shí)刻兩土柱淋濾液主要礦物飽和指數(shù)(SI)

2水文地球化學(xué)模擬

地球化學(xué)模擬是解決水-巖相互作用的重要手段之一,其中PHREEQC反向水文地球化學(xué)模擬是查明不同反應(yīng)路徑水文地球化學(xué)模擬過(guò)程的常用方法。在咸水通過(guò)黏性土滲透試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用PHREEQC軟件模擬該水流路徑過(guò)程中發(fā)生的水-巖相互作用,探討咸水通過(guò)黏性土的水文地球化學(xué)變化過(guò)程。

反向水文地球化學(xué)模擬是利用某水流路徑上始端及末端水溶液化學(xué)組分的差異反向推測(cè)系統(tǒng)中發(fā)生的水文地球化學(xué)變化。利用反向水文地球化學(xué)模擬可以計(jì)算礦物的飽和指數(shù),定量分析在此水流路徑上礦物的沉淀/溶解量,以解決系統(tǒng)中地下水的水文地球化學(xué)演變問(wèn)題。反向水文地球化學(xué)模擬滿足質(zhì)量守恒、能量守恒、電荷守恒三大定律,主要表現(xiàn)形式是“初始水溶液”加“反應(yīng)相”,生成“終止水溶液”加“生成相”。

2.1“可能礦物相”選取

“可能礦物相”的選取決定了水流路徑過(guò)程中發(fā)生的水文地球化學(xué)反應(yīng),目前其選擇依據(jù)主要有:含水層的礦物成分、水化學(xué)分析，地下水的賦存條件，水文地球化學(xué)演化過(guò)程，礦物的飽和指數(shù)等。根據(jù)試驗(yàn)土樣的礦物成分分析,出水口處水溶液水化學(xué)分析,陽(yáng)離子交換量的計(jì)算及Cl-平衡等,選擇綠泥石、伊利石、高嶺石、石英、長(zhǎng)石、白云石、方解石、巖鹽作為該反應(yīng)過(guò)程中的“可能礦物相”;考慮到本次試驗(yàn)過(guò)程發(fā)生陽(yáng)離子交換,CO2(g)也參與反應(yīng),因此,將陽(yáng)離子交換及CO2(g)也作為此次模擬的“可能礦物相”。

2.2反向路徑化學(xué)模擬

反向路徑化學(xué)模擬是建立在質(zhì)量守恒的基礎(chǔ)上,因此,應(yīng)先計(jì)算不同時(shí)刻兩土柱淋濾液中礦物的飽和指數(shù),據(jù)此,來(lái)選擇試驗(yàn)過(guò)程中不同水流路徑可能發(fā)生的水文地球化學(xué)反應(yīng)。將試驗(yàn)過(guò)程中不同時(shí)刻兩土柱淋濾液中各離子質(zhì)量濃度輸入模擬軟件PHREEQC中,計(jì)算可得淋濾液礦物飽和指數(shù),結(jié)果如表3所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,選取合理的模型,得到兩土柱不同時(shí)刻物質(zhì)轉(zhuǎn)移量,見(jiàn)表4。其中,初始時(shí)刻兩土柱淋濾液分別是礦化度為6g/L、3g/L的NaCl溶液,陽(yáng)離子以Na+為主,陰離子以Cl-為主。1號(hào)土柱初始時(shí)刻土柱淋濾液中Na+、Cl-濃度均為103.2mmol/L,2號(hào)土柱初始時(shí)刻土柱淋濾液中Na+、Cl-濃度均為51.5mmol/L。

由表3可知:兩土柱淋濾液中“可能礦物相”鈉長(zhǎng)石、伊利石、鉀長(zhǎng)石、高嶺石處于過(guò)飽和狀態(tài);石膏、霰石、方解石、天青石、玉髓、綠泥石、白云石、巖鹽處

表4　不同時(shí)刻兩土柱淋濾液物質(zhì)轉(zhuǎn)移量　nmol

于不飽和狀態(tài);石英處于基本飽和狀態(tài)?！翱赡艿V物相”中除玉髓和石英飽和指數(shù)基本不變之外,其他“可能礦物相”的飽和指數(shù)隨兩土柱淋濾時(shí)間的增加而增大。

3結(jié)論

a. 淺層黏性土對(duì)Na+的阻滯作用以吸附為主,深層黏性土對(duì)Na+的阻滯作用由吸附和陽(yáng)離子交換共同影響;深層黏性土的阻鹽能力比淺層黏性土柱明顯。

b. 咸水遷移過(guò)程中,控制水巖相互作用的主要因素是巖鹽的沉淀和石膏、方解石的溶解,Mg2+、Ca2+與Na+之間的交換。

參考文獻(xiàn)：

[1] CROOKS V E,QUIGLEY R M.Saline leachate migration through clay:a comparative laboratory and field investigation [J].Canadian Geotechnical Journal,1984,21,349-362.

[2] 王家兵.華北平原深層淡水在開(kāi)采條件下接受上覆咸水越流補(bǔ)給:以天津平原為例[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2002 (6):35-37.(WANG Jiabing,Leakage recharge from pores saline groundwater to deep fresh groundwater on the condition of pumping in Huabei Plain:a case of Tianjin Plain [J].Hydrogeology and Engineering Geology,2002(6):35-37.(in Chinese))

[3] 王平.咸水通過(guò)黏性土層的彌散作用實(shí)驗(yàn)研究 [D].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2010.

[4] 任欣,劉和平,劉金潔,等.鉻在黏土襯層中遷移轉(zhuǎn)化的研究[J].環(huán)境科學(xué)研究,1994,7 (4):26-29.(REN Xin,LIU Heping,LIU Jinjie,et al.A study on the fate and transport of Cr(VI) in compacted clayliner [J].Research of Environmental Sciences,1994,7(4):26-29.(in Chinese))

[5] 劉和平,鄭潔明,劉巧麗.鉛和鎘在黏土襯層中滲透遷移轉(zhuǎn)化的研究[J],環(huán)境科學(xué)研究,1997,7(4):57-60.(LIU Heping,ZHENG Jieming,LIU Qiaoli.A study on infiltration,transportation and transformation of Pb and Cd in compacted clayliner [J].Research of Environmental Sciences,1994,7(4):57-60.(in Chinese))

[6] KENT M,BAZZI A,CRYSTAL C,et al.Distribution and mobility of lead in soils at an outdoor shooting range [J].Journal of Soil Contamination,1997,6 (1):79-93.

[7] KOHN J,KRTLSE E,SANTOS J.Behaviour of contaminant plumes at the interface between the Pampeano and Puelehe aquifers in the province of Buenos Aires [J].Argentina IAHS Publication:International Association of Hydrological Sciences,2000,260:81-86.

[8] 成春奇.黏土對(duì)重金屬污染物容納阻滯能力研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2001(6):12-14.(CHENG Chunqi.A study on heavy metal retention capacity of clay[J].Hydrogeology and Engineering Geology,2001(6):12-14.(in Chinese))

[9] CHANG C M,WANG M K,CHANG T W,et al.Transport modeling of copper and cadmium with linear and nonlinear retardation factors [J].Chemosphere,2001,43 (8):1133-1139.

[10] FERRELL R A,FORSMAN J,LEA G,et al.Application of a geochemical transport model to predict heavy metal retention (Pb) by clay liners [J].Applied Clay Science(Clay Barrier Sand Waste Management),2002,21(1/2):59-66.

[11] 劉長(zhǎng)禮,張?jiān)?焦鵬程,等.上海浦東表層黏性土對(duì)城市垃圾污染質(zhì)的阻隔能力[J].地球?qū)W報(bào),2001,2 (4):360-364.(LIU Changli,ZHANG Yun,JIAO Pengcheng,et al.The capacity of clayey soil liner at surface layer for obstructing garbage pollutant in Pudong Area,Shanghai [J].Acta Geoscientica Sinica,2001,2 (4):360-364.(in Chinese))

[12] 賀連娟.氮污染物通過(guò)飽和黏性土層垂直滲透時(shí)遷移機(jī)理研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2009.

[13] VALSARAJ T,KOMMALAPATI R,ROBERTSON E,et al.Partition constants and adsorption/desorption hysteresis for volatile organic compounds on soil from a Louisiana Superfund site [J].Environmental Monitoring and Assessment,1999,58 (2):225-241.

[14] ITAKURA T,AIREY D W,LEO C J.The diffusion and sorption of volatile organic compounds through kaolin tic clayey soils [J].Journal of Contaminant Hydrology,2003,65 (3/4):219-243.

[15] JAE Y K,TUNCER B E,JAE K P.Volatile organic compound (VOC) transport through compacted clay [J].Journal of Geotechnical and Geo-environmental Engineering,2001,127 (2):126-134.

[16] RAMEBACK H,ALBINSSON Y,SKALBERG M,et al.Transport and leaching of technetium and uranium from spent UO2 fuel in compacted bentonite clay [J].Journal of Nuclear Materials,2000,277 (2/3):288-294.

[17] 張建偉,王艷秋,張洪斌.水分及污染質(zhì)在弱透水層的飽和黏性土層中滲透與濃度變化規(guī)律研究[J].吉林水利,2003(9):23-25.(ZHANG Jianwei,WANG Yanqiu,ZHANG Hongpin.Laws of infiltration and concentration changes of water and pollutants in the saturate clay with weak permeability [J].Jilin Water Resources,2003 (9):23-25.(in Chinese))

[18] 裴麗欣.黏性土的不同特性對(duì)多環(huán)芳烴阻隔能力影響研究[D].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2011.

[19] 袁旭音，李阿梅，王禹，等. 太湖表層沉積物中的多環(huán)芳烴及其毒性評(píng)估[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，32(6)：607-611.(YUAN Xuyin, LI Amei,WANG Yu, et al. Polycyclic aromatic hydrocarbons in sediments from Taihu Lake and their toxicity evaluation[J]. Journal of Hohai University: Natural Sciences, 2004,32(6):607-611.(in Chinese))

[20] 李強(qiáng).華北平原典型區(qū)咸淡水過(guò)渡帶水文地球化學(xué)演化研究[D].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2012. V E,QUIGLEY R M.Saline leachate migration through clay:a comparative laboratory and field investigation [J].Canadian Geotechnical Journal,1984,21,349-362.