（环境工程专业论文）多孔介质微粒释放过程的研究.pdf

硕十? 住论文 摘要 本文在大沽河下游自然地理、地质、水文地质条件调查的基础上，结合样品 ( 砂样、水样和粘土矿物) 的采集、处理以及物理组成与化学性质分析，通过室 内批量试验和砂柱试验，应用胶体化学和界面化学理论深入分析了多孔介质微粒 释放过程的影响因素，包括临界流速、临界盐浓度、临界盐浓度递减率、临界离 子强度和p h 值。 多孔介质微粒释放试验表明： 进水流速产生的剪切力变化对微粒释放有着明显影响。当砂柱中为海水、 5 0 海水+ 5 0 地下淡水和地下淡水时，振荡频率分别超过1 8 0 次m i n 、1 6 0 次m i n 、 1 6 0 次m i n ，水流速度超过9 0 州d 、5 8 州d 和5 5 m d 时，有较明显微粒释放现象发 生： n a c l 溶液引起微粒释放的临界盐浓度为o 0 6 士0 0 0 5 m o l l ，临界盐浓度是一 价阳离子的特性，不同一价阳离子的临界盐浓度值不同，l i + 、k + ，n h 4 + 临界盐浓 度分别为o 0 5 土o 0 0 5 m o l l 、o 0 5 士0 0 0 5 m o l l 和o o l 士0 0 0 5 m o l l ，而二价阳离子 m 9 2 + 和c a 2 + 不存在临界盐浓度； 中性条件下，n a c l 溶液临界盐浓度递减速率在o 0 1 2 m o l l 左右，只有驱替 溶液( 低于临界盐浓度值) 与被驱替溶液的浓度差高于该值时，微粒释放才会发 生： c a 2 + 的存在对微粒释放过程具有很强的抑制作用，溶液中c a 2 + 摩尔百分数 为5 和l o 时，引起微粒释放的临界离子强度分别为o 0 2 m o l l 与o 0 0 7 m o l l ， 远低于n a c l 溶液的临界盐浓度； p h 值对微粒释放影响明显：酸性条件下微粒释放时间短，释放累积量少， 酸性条件抑制微粒释放；碱性条件下，微粒释放时间长，微粒释放累积量大，碱 性条件加速微粒释放。酸性条件下释放过的砂柱中，当用中性蒸馏水进行驱替试 验时，存在二次释放现象，且释放量远大于第一次释放过程。中性和碱性条件下， 砂柱不存在微粒二次释放。 关键词：多孔介质；微粒释放；临界流速；临界盐浓度；临界盐浓度递减率； i 晦界离子强度；p h 值 多孔介质微粒释放过稚的研究 a b s t r a c t b a s i n go nt h ei n v e s t i g a t i o n so ft h en a t u r a lg e o g r a p h y ，g e o l o g ya n dh y d r o g e o l o g y c o n d i t i o n sd o w n s t r e a mt h ed a g ur i v e r ，c o m b i n i n gw i t ht h ec o l l e c t i n g ，p r o c e s s i n g ， c h e m i c a ic o m p o s i t i o na n dp h y s i c a lp r o p e r t i e sa n a l y z i n go ft h es a m p l e s ( s a n ds a m p l e ， w a t e rs a m p l ea n dc l a ym i n e r a l ) ，t h ep a r t i c l er e l e a s ei np o r o u sm e d i aa r es t u d i e db y l a b o r a t o r yb a t c ha n dc o l u m ne x p e r i m e n t si nt h i sp a p e r t h ei m p a c t i n gf a c t o r so nt h e p a r t i c l er e l e a s ei np o r o u sm e d i ai sa n a l y s e da c c o r d i n g t oc o l l o i da n ds u r f - a c ec h e m i s t r y t h e o r i e s ，s u c ha sc r i t i c a lf l u i dv e l o c i t y ，c r i t i c a ls a l tc o n c e n t r a t i o n ，c r i t i c a lr a t i oo f s a l i n i t yd e c r e a s e ，c r i t i c a li o n i cs t r e n g t ha n dp hv a l u ee t c a r ea n a l y z e dd e e p l y p a r t i c l er e l e a s ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t ：t h en u i ds h e a rs t r e s sc a nl e a dt ot h ep a r t i c l e r e l e a s i n gp h e n o m e n o nw h e nt h ef l u i dv e l o c i t yo fs e a w a t e r 、 5 0 s e a w a t e ra d d5 0 f r e s h w a t e ra n df r e s h w a t e ri so v e r9 0 m d 、5 8m da n d5 5 m dr e s p e c t i v e l y ，b u tt h e r e l e a s e dq u a n t i t yi sl i m i t e d ；( 参f o rt h en a c ls o l u t i o n ，i t sc r i t i c a ls a l tc o n c e n t r a t i o n w h i c hc a nc a u s ep a n i c l er e l e a s ei s0 0 6 士o 0 0 5 m o l l c r i t i c a ls a l tc o n c e n t r a t i o ni st h e c h a r a c t e r i s t i co fu n i v a l e n tc a t i o na n dt h ev a l u e sa r ed i f f e r e n td u et ov a r i o u sc a t i o n s t h ec r i t i c a ls a l tc o n c e n t r a t i o n so fl i + 、k + 、n h 4 + a r eo 0 5 士o 0 0 5 m o l l 、0 0 5 士0 0 0 5 m o l la n do o1 o 0 0 5 m o l lr e s p e c t i v e l y ，b u tm 9 2 + a n dc a 2 + d o n th a v ec r i t i c a ls a l t c o n c e n t r a t i o n ；u n d e rn e u t r a lc o n d i t i o n ，t h ec r i t i c a lr a t i oo fs a l i n i t yd e c r e a s eo f n a c ls o l u t i o ni so ol2m o l l o n l yw h e nt h ec o n c e n t r a t i o nd i f k r e n c eb e t w e e n d i s p l a c i n gs o l u t i o na n dd i s p l a c e do n eh i g h e rt h a nt h i s v a l u ec a nc a u s ep a r t i c l e r e l e a s i n g ；c a 2 + h a sas t r o n gr e s t r a i n i n ge f f e c to np a r t i c l er e l e a s ep r o c e s s ，f 6 rm i x e d s o l u t i o no fn a c la n dc a c l 2 t h ec “t i c a li o n i cs t r e n g t h sw h i c hl e a dt op a n i c l er e l e a s e d e c l i n et o0 0 2 m o l la n do 0 0 7 m o l lw h e nc a 射m o l a rp e r c e n t a g e sa r e5 a n dlo r e s p e c t i v e l y ，w h i c hi sf a rb e l o wt h a nt h ec “t i c a lc o n c e n t r a t i o no fn a c ls o l u t i o n ； t e s t sa l s oi n d i c a t et h a tt h ep hh a ss i g n i f i c a n ti m p a c to np a n i c l er e l e a s e t h er e l e a s e t i m ea n dp a r t i c l eq u a n t i t yi sf a rl e s sa ta c i d i cc o n d i t i o nt h a na l k a l i n eo n e t h e r ea r e s e c o n dt i m ep a r t i c l er e l e a s ep h e n o m e n o n sw h e nu s i n gd i s t i l l e dw a t e rd i s p l a c et h es a n d c o l u m nw h i c hw a sr e l e a s e da ta c i d i cc o n d i t i o n ，a n dt h er e l e a s e dq u a n t i t i e sa r em o r e t h a nt h a ta tf i r s tt i m e t h e r ea r en o ts e c o n dt i m ep a r t i c l er e l e a s ea ta l k a l i n ea n dn e u t r a l c o n d i t i o n k e yw o r d s ：p o r o u sm e d i a ；p a r t i c l er e l e a s e ；c “t i c a ln o w r a t e ；c r i t i c a ls a l tc o n c e n t r a t i o n ；c r i t i c a lr a t i oo fs a l i n i t yd e c r e a s e ；c r i t i c a li o n i cs t r e n g t h ；p hv a l u e 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名痞闽俸眺呷年多月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名瘩阂侵 导师签名： 渺务矿 年么月j 1 日 年月 日 硕+ 学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着世界各国社会和经济的发展，使得人们对自然资源的开发利用程度迅猛 增大，导致地质大循环的某些环节加速。其中，水资源的长期超采会直接引起区 域地下水环境遭到破坏，一方面，可导致含水层的水位大幅度下降，造成沿海地 区发生大面积的海水和咸水入侵( 通称为咸水入侵) ，并对当地的工农业生产和人 们的日常生活造成严重影响，产生了巨大的经济损失和诸多社会问题。天然多孔 介质中都或多或少的含有多种微粒物质( 如粘土矿物) ，咸淡水过渡带中，水文地 球化学因素对微粒物质的形态或在孔隙中的位置将会产生一定影响，从而引起孔 隙有效横截面积变小或孔隙的连接通道发生阻塞、中断，造成含水层过水断面面 积减小，发生渗透性突变。目前，对于咸淡水过渡带多孔介质中微粒物质导致渗 透性变化的机理和影响因素的研究很少，从胶体化学、界面化学角度对其机理进 行微观力学分析的研究更不多见，而对于这一过程对地下咸水治理方案影响的研 究还没有见到。在工业生产和运输的过程中，大量的重金属和有机污染物的不合 理排放和泄漏给地下水及土壤环境造成难以修复的严重污染，而水量减少和水位 降低则迸一步加剧了污染物质对含水层的污染程度和修复难度f l 巧j 。其中，重金属 在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解，并可经水、植物等介质最 终影响人类健康：包括石油在内的非亲水相液体在开采过程中，会产生大量含油 废水、有害的废泥浆以及其他一些污染物，如果处理不好就会污染周边土壤、河 流甚至地下水；而石油、天然气本身就含有对人和动物有害的物质，一旦发生井 喷或泄漏，将对生活在油气田附近的人和动物构成致命威胁。因此，全球范围的 咸水入侵和地下水环境污染问题已经引起国际社会的共同关注，有关国家正积极 开展关于这些方面的理论和应用研究【6 9 1 。 咸淡水过渡带是指在地下含水层的咸淡水之间因水动力弥散作用而形成的盐 分浓度过渡带【l o 1 1 1 。其厚度取决于含水层的物理性质( 如粒度、成分、微粒排列 和充填状况) 和水动力特征。根据矿物度或氯化物的含量，咸淡水过渡带可被定 义其海水盐分质量浓度为1 9 5 的咸淡水分布区。除此之外，其低值可选择等 于饮用水标准中的矿物度或氯化物含量上限值，或选取区域淡水天然背景值开始 升高时的值；高值则取决于分析精度。在一些高弥散情况下，咸淡水过渡带宽度 可达到7 9 公里，而在其它一些情况下，咸淡水过渡带宽度相对于含水层厚度来 说往往较小【l 引。而在各国沿海地区，为满足工农业生产日益增长的用水要求，人 多孔介质微粒释放过w 的研究 们不断加大对淡水资源的开采力度，大面积的集中超采使得地下水位急剧下降， 并形成大范围的地下漏斗区，严重破坏了滨海地区地下淡水和海水之间的水力平 衡，导致大量海水进入淡水含水层，致使咸淡水过渡带不断向内陆推进。目前， 国内外对针对咸淡水过渡带的研究内容主要集中在咸淡水界面划定、水质变化监 测、入侵区地下水水化学变化、入侵咸水的治理技术等方面，少量对过渡带渗透性 的研究则集中在咸淡水密度和粘滞性等影响因素上【1 3 14 1 。另有少数学者对水文地 球化学作用引起的碳酸岩矿物的溶解沉淀对渗透性的改变也进行了研究【l5 。 天然多孔介质中都或多或少的含有多种微粒物质( 如粘土矿物) ，咸淡水过渡 带中，水文地球化学因素对微粒物质的形态或在孔隙中的位置将会产生一定影响， 从而引起孔隙有效横截面积变小或孔隙的连接通道发生阻塞、中断，造成含水层 过水断面面积减小，发生渗透性突变。目前，对于咸淡水过渡带多孔介质中微粒 物质导致渗透性变化的机理和影响因素的研究很少，从胶体化学、界面化学角度 对其机理进行微观力学分析的研究更不多见，而对于这一过程对地下咸水治理方 案影响的研究还没有见到【2 们。 多孔介质的水敏感性是一个已经被发现了7 0 多年的复杂胶体化学问题，其内 容是指当淡水置换多孑l 介质中最初的高浓度盐水时，含有粘性土微粒多孔介质的 渗透性会出现快速和明显的下降现象。研究结果表明，引起多孔介质渗透性变化 的主要原因是吸附于多孔介质骨架上的微粒物质发生了释放，并且随水流进行了 迁移，在迁移的过程中，微粒物阻塞了多孔介质的孔喉部分，导致渗透性降低【2 卜乃j 。 同时，水敏感性的产生与阴离子无关，并且仅仅发生在一价阳离子溶液相互置换 的过程中( 其余阳离子仅有镁离子溶液能产生轻微的水敏感性) 1 2 引。临界盐浓度 是引起多孔介质微粒释放的一个最重要的条件，当多孔介质中的溶液浓度大于该 值时，微粒释放就不再发生【2 7 ，2 8 1 。 从1 9 3 3 年f a n c h e r 首次发现水敏感性现象以来，在石油工程和土壤学领域， 许多学者对淡水的渗入或注入过程中砂岩储油层和土层的渗透性变化进行了研 究，而对咸淡水过渡带上多孔介质水敏感性的研究较少。g o l d e n b e r g 和m a g a r i t z 在渗透试验过程中发现，咸淡水过渡带上存在非常明显的水敏感性现象：在多孔 介质中用淡水驱替咸水时，多孔介质的渗透性发生了突然和急剧的变化，其渗透 系数降低了1 4 个数量级，而用咸水再驱替淡水，则渗透性几乎不能恢复【2 引。因 此，在地下咸水恢复过程中，多孔介质水敏感性的存在不但使得注淡驱成的过程 变得更加困难，而且使抽咸治理后的含水层供水能力大大下降。 已有的研究证明，土壤溶液或者地下水矿化度的快速变化，能够导致多孔介 质的渗透性迅速降低。这个现象在土壤盐渍化、灌溉，滨海含水层的咸淡水过渡 带以及石油开采等领域已经被广泛地研究。一般说来，一个连通性良好的多孔介 质，渗透性显著降低的主要原因可能包括以下几个方面：( 1 ) 相邻孑l 隙的连接通道 2 硕士字! 位论文 发生阻塞、中断；( 2 ) 单个孔隙的有效横截面积缩小；( 3 ) 流体的水动力粘滞系数 增大；( 4 ) 构成多孔介质骨架结构的大微粒的空间形状出现变化；( 5 ) 流体的密度 发生变化【3 2 1 。目前国内外对含水层渗透性的研究主要是分别针对岩石、渗透液 体的物理性质，而且相关研究主要集中在岩石的粒度、粘土矿物的成分和含量以 及渗透液体的密度、粘滞性对渗透性降低的影响。而对于渗透液体与岩石相互作 用后导致的渗透性变化的研究报道很少。 g o l d e n b e r g 和m a g a r i t z 通过渗透试验发现，咸淡水过渡带存在非常明显的水 敏感性现象，即在多孔介质中用淡水驱替咸水，多孔介质会产生渗透性的突然变 化，砂样的渗透率降低了l 一4 个数量级【”】。g o l d e n b e r g 和m a g a r i t z 进一步试验表 明，在一定的水化学条件下，含水层中含有蒙脱石或注入含膨润土的溶液，都会 产生比高岭土和伊利石更大的渗透性降低【3 4 】。m e h n e r t 和j e n n i n g s 进一步研究了 咸淡水过渡带多孔介质的水敏感性，并通过数值模拟得出，淡水的注入会引起多 孔介质渗透性的大大降低，并导致咸水入侵范围和咸淡水过渡带宽度的增加【2 1 1 。 在石油工程领域，许多学者曾经对淡水的渗入或注入过程中砂岩储油层的渗 透性变化进行了研究，普遍认为粘土胶体的原位膨胀、释放、运移和沉积过程是 产生水敏感性的主要原因。m o n o 曲a n 和h e w i t t 等分析了流体流动过程中原生膨胀 性粘土矿物、非膨胀性微粒的扩散和重新分布对含水层渗透性的损害，同时指出 粘土矿物的膨胀和扩散的共同作用( 轻微的膨胀促进了微小微粒的松动和释放) 是 渗透性降低的一个重要机制【3 5 】。同样，l a n d 和b a p t i s t 分析了含有1 3 蒙脱石的 石油储层在注入少量盐水时渗透性递减的现象，然而他们把蒙脱石的扩散看作渗 透性降低的主要原因【3 6 j 。k h i l a r 和f o g l e r 根据溶液盐度的渐变确定了临界盐度 ( c s c ) 的存在，低于该值时，粘粒会从孔隙壁上释放出来阻塞孔喉导致渗透性 下降【3 7 ，3 8 1 。 土壤学家研究了干旱和半干旱地区过度灌溉土壤( 含有少量粘土矿物) 的导 水率变化【2 5 。”】。灌溉水矿化度、钠吸附比( s a r ) 或交换性钠百分含量( e s p ) 是 研究土壤导水率及其机制的重要指标，有关三者对渗透性的影响前入做了大量研 究。许多学者都提出了粘土膨胀及分散运移两种学说来解释n a 离子引起的导水 率衰减【2 乩3 2 】。f r e n k e l 、肖振华等通过渗透试验表明，低矿化度和高钠吸附比的淡 水渗入土壤以后，其中的胶体会产生释放，并使土壤的渗透性明显降低【3 3 ，3 4 1 。郑 西来等在室内和野外的渗透试验中均发现，低矿化水的渗入可以使不同多孔介质 ( 亚粘土、粉砂样和砂样) 的渗透性明显降低，甚至造成堵塞；灌溉水的矿化度 降低或s a r 增加会导致土壤导水率降低，反之导水率增大【3 5 ，3 6 1 。灌溉水钠吸附比 增加和矿化度减小而引起土壤导水率降低的原因主要有两个：当灌溉水的s a r 增 加时，粘粒膨胀是导水率降低的主要原因，膨胀引起连通孔隙变小和阻塞导致含 水率降低，随着灌溉水矿化度增加，絮凝作用增强而膨胀减弱，有效孔隙增加引 多了l 介质微 i ：j ：平f 放过w i ，| 勺f j j 究 起导水率变大；反之，由于灌溉水矿化度减小，粘粒膨胀和扩散作用增强，引起 土壤导水率降低【3 7 ，3 引。当用非常低矿化度( o 1 9 l ) 的水灌溉时，扩散和分散作用 变大，粘粒分散和运动进入连通孔隙引起阻塞，这是导致导水率降低的另一个原 因【3 啦4 2 1 。灌溉水中的高矿化度可抑制土壤粘粒分散，雨季来时表层土壤经过雨水 淋滤，矿化度大大降低，引起土壤导水率显著下降，若土壤释放盐分的速度能维 系土壤矿化度高于粘土矿物在给定e s p 值时的絮凝值，就不会发生土壤粘粒的分 散【4 3 - 4 5 1 。 同时，如何利用多孔介质的水敏感性也已成为一个相应的热点问题。如在石 油开采领域，通过控制注入液体的各项指标来降低或避免含油岩层( 砂岩) 的水 敏感性，从而提高原油的开采流量；在农业灌溉方面，通过研究土壤的水敏感性 来控制灌溉用水水质，提高入渗率，节约灌溉用水；在地下水污染方面，水敏感 性产生过程中，胶体微粒会携带污染物( 如重金属或有机物) 从土壤中迁移出来， 有利于地下水污染的治理。对于滨海地区多孔介质，则可以通过一定措施提高含 水层的水敏感性，降低咸淡水过渡带上多孔介质的渗透性，以获得理想的天然或 人工地下防渗带，防止咸水入侵的发生。 1 2 研究目的和意义 滨海地区经常是人口高度集中和经济快速发展的地区，对淡水资源的需求会 愈来愈大，因而淡水资源短缺成为这个地区的普遍问题。在天然情况下，滨海地 区的地下淡水是向海泄流的，且咸淡水之间存在一个过渡带；咸淡水之间的动态 平衡致使咸淡水过渡带始终保持在一个稳定的位置。当人类不合理地开采地下淡 水时，造成淡水向海水渗流减弱甚至消失，陆区地下水向海的微弱或零对流项难 以抵消海水向陆地的弥散项，最终造成含水层中淡水变成，导致一系列生态、环 境的恶化问题，如水质恶化、土壤盐渍化及荒漠化等。海咸水入侵已成为沿海地 区的一种重大灾害现象，并成为制约沿海地区社会经济发展的重要因素。目前， 在世界范围内，如美国、荷兰、德国、以色列、日本、印度、泰国、马来西亚、 西班牙等许多沿海地区的含水层均已遭受了不同程度的海( 咸) 水入侵。我国的海 南、广西、广东、江苏、山东、河北和辽宁等省都有咸水入侵的报道【2 1 4 4 1 。 沿海地区大面积的海( 咸) 水入侵，对地区工农业生产和人们的日常生活造成了 严重影响，并造成了巨大的经济损失和诸多社会问题。以青岛市大沽河下游潜水 含水层咸水入侵为例：该地区由于长时间过度开采地下淡水，地下水位急剧下降， 导致在1 9 8 1 年发生咸水入侵，当时咸水入侵的面积约为7k m 2 ；由于没有及时采 取相应的措施，到l9 9 8 年，咸水入侵面积已超过7 0k m 2 ，致使青岛市的主要水源 地李哥庄水源地大部分被废弃，大量开采井和采水设备报废，并造成当地大 面积的土地因缺少灌溉水源而荒芜，上百家企业和数万人用水困难【46 l 。因此，全 4 硕十7 ：位论文 球范围的咸水入侵和地下水环境污染问题已经引起国际社会的共同关注，有关国 家正积极开展关于这些方面的理论和应用研究。 海( 咸) 水入侵的普遍性，引起了世界范围内科学家的普遍关注。但是直到近 3 0 年，人们才认识到研究海( 咸) 水入侵问题的重要性，第一本有关滨海含水层入 侵定量研究的书是t 0 d d ( 1 9 5 8 ) 完成的，仅包含一个章节。美国地质调查局的供水 报告( u s g s ) 对海咸水入侵进行了早期的研究【1 l 】。最早将海咸水入侵这一专题 列为会议内容的是在以色列h a i f a 召开的i a h 大会，而欧洲学者自1 9 6 8 年以来每 两年召开一次海咸水入侵会议( s w i m ) 。联合国教科文组织( u n e s c o ) 也积极 关注滨海地区地下水资源的环境问题，为海( 咸) 水入侵研究的普及作出了重要的贡 献【4 7 50 1 。我国的海咸水入侵研究起步较晚，在2 0 世纪7 0 年代末期，鉴于海咸水 入侵带来的特殊危害，才开始重视开展这方面的工作。滨海地区海咸水入侵是我 国重要的水环境问题，为国内研究者所关注。目前，防治海水入侵是采用“抽咸 注淡技术，主要是通过咸淡水过渡带的流场控制来达到防治咸水入侵的目的。 而对于盐分和多孔介质相互作用后含水层性质的改变( 粘土微粒释放，迁移，膨 胀等) 对咸淡水过渡带渗透性的影响研究甚少。而水敏感性的存在使得防止海水 入侵有了新的思路和方法。我们可以根据含水层的水敏感性理论，通过优化注入 水的水动力和水化学条件，在咸淡水过渡带人工形成低渗透带或不透水界面( 低 渗透帷幕) ，从而有效地防止和抑制咸水入侵，并大大降低工程的费用【5 卜5 4 j 。 水敏感性是指含微粒( 小于l o o 微米) 的多孔介质中所含液体盐度突然发生 降低时，渗透性急剧降低的现象。而渗透性是海咸水入侵和入侵海咸水治理最重 要控制性因素，海咸( 咸) 水入侵后，咸淡水过渡带成为维系淡水和咸水之间水化学 成分、水动力学关系的重要纽带，是咸淡水之间相互驱替、相互混合的一个带状 区域。因此，在过渡带含水层中，低盐度淡水进入会导致水敏感性的发生，引起 渗透性的变化，这对含水层蓄水和给水能力将产生相当大的影响【5 5 1 。因此，对( 咸) 水入侵后的治理和防治来说，研究咸淡过渡带的水敏感性( 渗透性变化) 不仅具 有理论意义，还具有实际意义。 水敏感性的实质是微粒物质的释放、迁移、重沉积和分布，因此，研究多孔 介质微粒释放的过程是地下咸水的恢复治理、地下水工作者的一个研究热点，尤 其在淡水资源日益短缺的今天，如何将入侵咸水合理、快速地驱除出地下含水层 而又尽可能减小对含水砂层的扰动和不利影响，将会在很大程度上决定一个方案 的采用与否。而如何最大程度降低水敏感性在治理方案中负面作用，也是一个很 有挑战性的课题。 因此，针对咸淡水过渡带独特的水动力学与水化学特征，对咸淡水相互作用 过程中水敏感性含水层渗透性的变化、机理和影响因素等进行深入的理论研究， 对水敏感性在过渡带污染物治理和咸水恢复方面的进行具体应用研究，都将具有 5 多孔介屈! 微粒释放过w 的研究 重要的理论和现实意义。 1 3 国内外研究现状 自1 9 3 3 年f a n c h e r 研究含水砂层渗透性时发现并提出水敏感性现象以来 【5 6 6 0 1 ，研究者在土壤和石油工程领域开展了大量的研究工作。上世纪6 0 年代以前， 研究工作集中在含水砂层的水敏感性验证方面，并试图找出水敏感性的影响因素 以及与粘土含量，特别是与膨胀性蒙脱石和混和粘土矿物之间的关系【6 1 6 6 1 。6 0 年 代，研究工作进一步深化，提出了诊断水敏感性的配套技术，包括渗流试验，x 射线衍射分析试验，膨胀试验，用显微镜观察粘土分布，从而能够对地层的水敏 感性进行评价。此时，研究者们初步达成共识：水敏感性发生原因是粘土膨胀、 分散、运移和重新沉积等引起孔喉部分的阻塞，大大减小了流体通过的断面积 【6 7 ，6 8 1 。7 0 年代，水敏感性损害研究主要在三个方向展开：扫描电镜的应用为从地 质角度揭示粘土矿物的产状与水敏损害原因的关系创造了条件；既然微粒运移十 分重要，并且具有普遍性，从试验直观显示微粒移位、运移、沉积、堵塞的过程， 并从理论上阐明机理就极具有现实意义：而如何控制微粒的运移则是具有广阔商 业前景的技术【6 9 1 。如果说6 0 、7 0 年代是水敏感性损害研究的关键阶段，那么8 0 年代至今，则进入了全面发展阶段，无论是试验分析技术、水敏损害机理，还是 水敏感性损害诊断和控制技术都得到了广泛的研究【7 0 】。 针对水敏感性发生的现象，许多研究者开始对其发生机理和影响因素进行了 深入研究。下面从不同研究方向对水敏性的国内外研究现状进行详细叙述。 1 3 1 多孑l 介质微粒释放的机理 1 3 1 1 非反应性微粒的释放迁移 多孔介质中的微粒物质，特别是一些非膨胀和弱膨胀性粘土矿物( 如高岭土 和伊利石等) ，在一定水化学和水动力学条件下，便从孔隙壁上脱落下来，这个过 程称为微粒释放。这些微细微粒可以是无机微粒、有机微粒或者生物微粒，它们 大小以微米为单位，具有表面带电荷的胶体特征。当渗流流体流经多孔介质时， 在一定条件下，孔隙表面的微小微粒从介质表面释放出来( 图1 1 ) 。释放出来的微 粒物质随流体在多孔介质中迁移，部分在重力作用下重新沉积并分布于新的孔隙 中，它们或者包裹于骨架微粒周围( c o a t i n ge f f e c t ) ，或者在架桥作用( b r i d g i n g e f f e c t ) 下成为骨架微粒间连接物，或者散落于孔隙之中成为填充物，上述行为都 会导致多孔介质局部区域流体通过的断面面积下降，渗透性降低；部分在孔隙孔 喉处因孔道面积的突然变小导致无法顺利通过而积聚，从而被重新捕获、沉积， 并堵塞孔喉，导致流体通过的断面面积下降，引起多孔介质渗透性降低1 7 卜乃j 。 6 硕十学位论文 图1 1 粘附在孔隙表面的微粒图 释放出的微粒可以在孔隙孔喉处被重新捕获或是从多孔介质中流出，不同的 情况会产生不同的后果。在第一种情况下，释放出来的粘粒具有膨胀性，如蒙脱 土，与水时体积会膨胀到原来的几十倍甚至几百倍，膨胀后的蒙脱土相互架桥粘 结，形成空间网状结构的大粘土胶团，从而使孔喉部分过水面积急剧变小，造成 多孔介质孔隙阻塞，渗透性降低如图1 2a ) ；在第二种情况下，粘土微粒以非膨胀 性为主，如高岭土，伊利石等，释放后会从孔壁脱落，随水流试图迁移如图1 2b ) 。 使多孔介质发生侵蚀，并导致多孔介质结构破坏，孔隙度增加，过水面积增大。 当微粒迁移了一段距离后，多孔介质中微粒的大小和含量会发生重新分布。 、a 、 一 厂、矿、 b i 彬庐、一 产、：地 a ) 粘粒膨胀 b ) 微粒的释放迁移 图1 2多孔介质中粘土微粒的释放机制 7 ) ，( 一 多孔介质微卡节秆放过楷的研究 1 3 1 2 反应性微粒的膨胀和絮凝作用 对于膨胀性和反应性粘土矿物( 如蒙脱石) ，其引起水敏感性的机理主要是： 微粒膨胀当淡水驱替盐水时，电解质浓度快速的降低和反絮凝作用使双 电层变厚，微粒体积膨胀。体积膨胀导致两种结果：一是微粒与骨架微粒之间的 吸引力因距离增大而变小，甚至变为零和负值( 斥力) ，导致微粒释放现象的发生， 释放下来的膨胀性微粒会阻塞孔隙孔喉部位，导致多孔介质渗透性降低，使水敏 感性发生【7 4 ，7 5 】；二是微粒本身体积膨胀，但并不一定释放出来，导致多孔介质中 流体通过的断面变小，渗透性降低，释放与否取决于流体的性质。 絮凝作用释放下来的反应性微粒在随水流迁移的过程中，相互碰撞、凝 聚、絮凝，形成具有较大体积和较大宾汉屈服值的胶团，这些胶团的迁移能力较 差，迁移距离较短，受重力影响较大，从而能快速沉积，并更大面积地充填和阻 塞孔隙，导致多孔介质发生急剧、快速的渗透性下降【3 6 4 0 1 。 1 3 1 3 胶体吸附架桥( 桥联) 作用 架桥( 或桥联) 是指溶液中胶体和悬浮物微粒通过有机或无机高分子絮凝剂 架桥联结，形成絮凝体而沉降下来，桥联的过程即为絮凝过程。桥联可以分为两 种类型：带负电荷的胶体微粒与带正电荷的阳离子的桥联和带相同电荷物质的桥 联【2 2 ，4 。 胶体微粒吸附高分子电解质而凝聚，属于专属吸附类型，主要是通过异电中 和作用。不过，即使负电胶体微粒也可吸附非离子型高分子或弱阴离子型高分予， 这也是异体凝聚作用。此外，聚合物具有链状分子，它也可以同时吸附在若干个 胶体微粒上，在微粒之间架桥粘结，使它们聚集成团。如果聚合物同时可发挥电 中和及粘结架桥作用，就表现出较强的絮凝能力，从而使多孔介质中的胶体微粒 可以凝聚成较大的胶团，导致其渗透性的降低，即水敏感性的发生【3 ，4 2 1 。 此外，许多研究者还针对微粒粒径与孔喉相对大小所导致的水敏性机理差异 进行了研究，研究结果如表1 1 。 表1 1 微粒与孑l 喉大小的比值和相对应的渗透性变化 微粒大小孔喉大小渗透性变化机制 三1 0 1 0 6 0 0 4 一o 1 0 0 0 1 o 0 4 架桥效应或体积排阻导致的阻塞 架桥和多微粒堵塞导致的阻塞 表面沉积、架桥和多微粒堵塞导致的阻塞 表l f 【沉积和可能发生的多微粒堵塞效应 8 硕卜学1 节论文 1 3 2 多孔介质微粒释放的影响因素 大量研究工作表明，多孔介质中微粒物质的释放、膨胀、迁移、重沉积等引 起的孔喉阻塞是导致水敏感性的机理所在。下面从不同研究方向对水敏性的国内 外研究现状进行详细叙述。引起多孔介质微粒释放的影响因素主要有： 1 3 2 1 临界流速 孔隙度和渗透性较大的多孔介质中，粘附在孔隙表面的微粒极易受到水流剪 切应力的影响而发生释放。在松软的堤岸和填充床上，上述现象更容易发生。研 究表明，有两个主要因素导致这种现象发生：水流速度较高；微粒的粒径较 大【2 1 ，4 4 1 。 微粒释放需要在某些参数的临界条件下才能发生，这些参数可能是胶体力化 学作用引发微粒释放时的临界盐浓度，或者是水动力作用引发微粒释放时所对应 的临界剪应力临界水流速。不同的渗流速度在多孔介质中形成的剪应力大小不同。 在注淡驱咸的过程中，大流速的地下水流在含水砂层中会在靠近注水并的区域形 成强剪应力带，从而导致砂层中微粒释放的发生，这些微粒在水动力作用以及扩 散与弥散效应下，在砂层中向下游方向运移并重新沉积，从而在注水井周围一定 距离的区域内被重新捕获，导致含水层的渗透性发生规律性的降低【4 5 1 。 由于沿x 、y 、z 轴方向上的作用力分别使微粒产生三种不同的运动方式( 滚 动、滑动、上升) ，因此水动力引发微粒释放的过程比胶体力更加复杂，以至于迄 今仍然没有定论。o n e i l l 研究表明，作用在微粒上并导致微粒运动的力是与水流 方向同向的切向力而不是升力【35 1 。而c l e a v e r 和y a t e s 通过分析紊流状态下微粒释 放的机制，发现紊流边晃层由于粘滞内层的不稳定性，是升力作用导致微粒运动 【3 3 】 o d a s 等曾假设微粒释放存在一个临界水动力【2 1 ，4 扪。a r u l a n a n d a n 等通过试验发 现流体中存在一个临界剪应力，该值的大小与粘土微粒类型、渗流体的离子强度、 成分、p h 值及温度有关【4 6 1 。实际上，这些参数与影响临界盐浓度的参数相同，这 就意味着胶体力和水动力引发的释放在现象上是相似的。g r u e b e c k 和c o l l i n s 通过 岩心试验发现b e r e a 含水砂层在水动力作用下的微粒释放存在一个临界流速，并 指出i 晦界流速是注入流体的流速逐渐增大到某一值时，引起地层中的细微微粒从 一个喉道经孔隙到另一喉道直到在孔隙收缩部位沉积下来堵塞通道而使地层渗透 率明显下降，称该流速值为该地层的临界流速【3 7 1 。 1 3 2 2l 临界盐浓度( c s c c r i t i c a ls a l tc o n c e n t r a t i o n ) 模仿描述胶体稳定性时常用的概念临界絮凝浓度( c f c c r i t i c a lf l o c c u l a t i o n c o n c e n t r a t i o n ) ， k h i l a r 和f o g l e 提出了临界盐浓度( c s c ) 的概念【1 7 1 。 临界盐 9 浓度是指能够引起介质中微粒发生释放的盐浓度。他们通过逐渐改变渗流溶液盐 浓度的方法确定了临界盐浓度。当渗流溶液中的盐浓度低于该浓度时，粘粒会从 孔隙壁上释放出来，阻塞孔喉，并导致渗透性下降。他们还研究发现，临界盐浓 度与渗流溶液的阴离子无关，只与阳离子有关，且只与一价阳离子有关，且临界 盐浓度值通常为一范围值。 表1 2 总结了不同盐溶液所对应的临界盐浓度。 表1 2不同一价阳离子的临界盐浓度 作者多孔介质 盐 p h 值 临界盐浓度 ( m o l l ) q u i r ka n d s c h o f i e l d 【4 9 】 r o w e l ，p a y n e a n da h m e d 【5 0 j h a r d c a s t l ea n d m i t c h e l 【5 1 】 k o la k o w s k i a n d m a t i j e v i e 【5 2 】 k h i l a ra n d f o g l a r l 2 4 1 k i a f o g l e r r e e d 【5 3 l 土壤填充床 粘土含量( 1 9 ) 高岭土( 4 0 ) 伊利土( 4 0 ) 土壤填充床 粘土含量( 2 2 ) 高岭土( 1 0 1 5 ) 伊利土( 7 5 8 0 ) 蒙脱石土( 5 l o ) 压缩土床 粘土含量( 1 5 ) 伊利土( 1 0 0 ) 玻璃珠填充床 氧化铬 自然固结含水砂层 粘土含量( 一8 ) 高岭土( 8 8 ) 伊利土( 1 2 ) 温度( 3 0 3 k ) 转速( 18 2 c m h ) i 一上 1 0 n a c l k c l m g c l 2 c a c l 2 o 2 5 0 0 6 7 0 o o l o o 0 0 3 n a c lo 1 n a c lo ，0 5 n a n 0 3 c a ( n 0 3 ) 2 c 0 3 ( c 1 0 4 ) 3 n a c l l i c l k c l n h a c l c s c l c a c l 2 m g c l 2 n a c l 0 2 0 0 ，0 0 0 l o 0 0 0 0 l 0 0 7 0 0 0 6 8 o 0 4 4 o 0 1 3 o 0 0 0 6 一 o o 0 0 1 0 0 0 0 l 5 2 5 2 5 4 5 4 1 1 5 1 1 5 1 1 5 8 0 o 0 0 3 0 0 0 4 8 5 9 5 硕七学：何论文 从表中我们可以看出，溶液中只存在一种阳离子时，i 晦界盐浓度和以下因素 有关：( a ) 阳离子的价态，( b ) 阳离子粒径，( c ) 溶液的p h 值，( d ) 多孔介质的类型， ( e ) 系统的温度。 1 3 2 3 临界盐浓度变化率 临界盐浓度变化率表征的是介质中盐浓度下降的幅度对微粒释放的影响。 k h i l a r 等发现，不同的临界盐浓度变化率引起的微粒释放量和微粒释放速度不同， 瞬时、急剧的浓度变化会导致微粒物的大量释放，而缓慢的浓度变化会使得微粒 释放的量很少、速度很小，甚至不产生释放【2 0 2 5 1 。在咸淡水过渡带上，咸淡水之 间的相互作用是一个既有突变又有渐变的过程，所以对于临界盐浓度变化率研究 是很重要的。 1 3 2 4 临界离子强度 盐溶液中只有一种阳离子时，对应微粒释放的盐浓度称为临界盐浓度或极限 盐浓度。而在n a c l 和c a c l 2 混合盐溶液的系统中，对应微粒释放时的盐浓度则称 为临界离子强度或极限离子强度【2 6 ，2 7 1 。q u i r k 和s c h f i e l d ，j o n e s ，k i a 等人研究表 明，微细微粒表面上的c a 2 + 能极大地降低表面z e t a 电势，所以溶液中一定数量c a 2 + 的存在对阻止微粒释放有重要作用【2 0 3 0 1 。在n a c l 和c a c l 2 混合盐溶液系统中，细 微粒表面上吸附的c a 2 + 数量由溶液的离子强度和钙离子的摩尔百分数而定。k h i l a r 等通过试验测定了混合盐溶液系统中不同钙离子摩尔百分数下b e r e a 岩心和土壤 的临界离子强度值，结果见表1 3 。 表1 3 n a c l 和c a c l 2 混合盐溶液系统的临界离子强度1 3 1 l 从表中我们可以看出，临界离子强度主要和钙离子的摩尔百分数有关。当含 钙离子的摩尔百分数大于1 5 时，就会阻止b e r e a 岩心的微粒释放，这与以往的研 究结果吻合。和含水砂层临界离子强度值相比，土壤系统对应的临界离子强度值 较大，部分原因是由于微粒表面上吸附较多的伊利石，其比高岭石携带更多的电 荷。 多扎介质微卡蕾平f