（环境工程专业论文）滨海地下咸水分布动态特征与治理可行性研究.pdf

滨海地下咸水分布动态特征与治理可行性研究 摘要 淡水和咸水是可混溶的流体，由于流体动力弥散作用，它们之间的接触带以 混合水的过渡带形式出现，即咸一淡水过渡带。在滨海的水文地质条件下，自然 变化和人为因素都会影响咸淡水过渡带的分布和形态，从而决定了地下咸水在含 水介质中的分布动态特征。由于过量开采地下水，海咸水入侵已经成为滨海地区 的一种严重地质灾害现象，很多地区也采取了相应的治理措施。因此深入研究地 下咸水分布动态特征与治理的可行性，对于合理开发、利用地下水资源以及咸水 入侵的预测和防治都具有非常重要的理论意义和实用价值。 本文在现场水文地质调查的基础上，测定了研究区( 青岛市大沽河下游) 含 水介质、水样理化性质及组成。通过在土柱和砂槽中进行的降雨模拟试验，分析 降雨强度和降雨方式对不同盐浓度的咸水分布动态特征的影响；通过盐度突变和 盐度渐变的咸淡水驱替砂槽试验，研究了咸淡水趋替过程中的水敏感性现象，深 入探讨了含水介质渗透性变化的机理及规律；采用土柱和砂槽试验，研究了渗流 速度、注入水盐浓度和不同治理方式对地下咸水的治理效果的影响，分析了在各 种因素影响下，进行咸水治理的可行性。通过上述一系列研究，得出了以下一些 认识和结论，主要包括： ( 1 ) 降雨强度对位于上层的含水介质盐浓度影响较大，停止降雨后，上层 含水介质盐浓度由于分子扩散作用会有所回升，在暴雨强度下，含水介质上层盐 浓度的回升幅度较大；降雨方式对含水介质盐浓度的变化趋势没有影响，只对其 变化速率和变化幅度有影响；含水介质初始盐浓度越低，其盐浓度的变化所受降 雨的影响越大。 ( 2 ) 在咸淡水驱替过程中，盐度突变过程和盐度渐变过程渗透性变化的机 制不同。盐度突变过程中渗透性急剧降低，主要是因颗粒释放导致相邻孔隙的连 接通道发生阻塞、中断引起的；而盐度渐变过程中渗透性降低，主要可能是含量 较少的反应性粘土矿物( 如蒙脱石) 体积增大，从而导致孔隙有效横截面积的减 小的结果。 ( 3 ) 含水介质渗透性变化具有明显的非均质性，即位于距入水处不同水平 距离以及不同高度处的含水介质，其渗透性变化规律有所不同。 ( 4 ) 注淡驱成时，通入淡水后，渗流速度越大，粘粒越容易从孔隙壁上脱 落而发生释放，粘粒释放量也随之增大，使得含水介质的渗透性下降幅度也越大。 注入溶液盐浓度越低以及注入溶液盐浓度递减梯度越大，粘粒越容易发生释放， 含水介质渗透性的降幅越大。 ( 5 ) 与采用完整井相比，采用不完整井对咸水进行恢复治理，含水介质渗 透性的变化幅度较小。但同时盐浓度变化速率也明显减慢，治理所需时间较长。 ( 6 ) 采用抽一注结合方案对地下咸水进行恢复治理时，含水介质渗流液盐浓 度变化速率较快。同时由于水流流速较大，不利于释放粘粒的沉积，甚至可能使 得原本堵塞的孔隙被再次冲开，从而使得其渗透性降幅比采用单一注水方案时略 小。因此，采用抽一注结合方案，治理所需的时间短且对含水介质的渗透性的损 害也较小，是较为理想的咸水恢复治理方案。 关键词：咸水分布；水敏感性；粘粒释放；咸水治理 i i s t u d yq nt h ed y n a m i cd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n d t h e f - e a s i b i l i t yo fr e m e d i a t i o ni nc o a s t a ls a l tg r o u n d w a t e r a b s t r a c t f r e s h w a t e ra n ds a a t e ra r e 1 i q u i d s w h j c hm a ym i x ， a sar e s u l to f h y d r o d y n 锄i c sd i s p e r s i o i l ，t h ec o n t a c tz o n ew i ub ei i l 廿l ef o n no fm i x e dw a t e r 仃a i l s i t i o n a lz o n e ，w 1 1 i c hi ss a l 删e r - 丘e s h w a t e r 仃a i l s i t i o n a lz o n e t h ed i s t r i b u t i o na n d f o r mo fs a l t w a t e r - 丘e s h w a t e r 仃a n s i t i o n a lz o n ea r ei n 丑u e n c e db yt 1 1 eh 1 】i 】 1 a nb e l a v i o r a n dn a t u i 四e n v i r o m e n tc h a n g ei i lc o 如t a lh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s e a 、a 舱ra n d s 甜似a t e ri i l _ m l s i o nb e c o m eas e r i o u sg e 0 1 0 9 i c md i s a s t e ri 1 1c o a s t a la r e 2 l sf o rp e o p l e e x p l o i tg r o u n d w a t e re x c e s s i v e l y 加l di i lm es 锄et i m e ，t 1 1 ep r o p e rr e m e d i a lm e a s u r e s h a v eb e e nt a k e nt op r o t e c tt 1 1 eg r o u n d w a t e r t h e r e f o 诧，咖d y m go nt l l ed y n 撇i c d i s t r i b u t i o n 。c h a r a c t e r i s t i ca i l dt 1 1 e f e a s i b i l i 锣 o fr e m e d i a t i o ni nc o a s t a ls a l t 铲o u n d w a t e r ，s u p p l yi m p o r t a n t 也e o r e t i c a l 蠡9 1 1 i 6 c a l l c ep r a c t i c a lv a l u ef o rr e 嬲o n d b l e d e v e l o p i n g 觚dl l s i i l g 目o u i l 弧眦e rr e s o u r c e sa 1 1 df b r e c a s ta n dp r e v e n t i o no fs a l 铆a t e r i n t r u s i o n b a s e do n 舭g e o h y d r o l o g i c a li n v e s t i g a t i o ni i ln l ef i e l d s ，p h y s i c a la 1 1 dc h e m i c a l c i m r a c t e ro fn l ea q u i f e rm e d i aa 1 1 dw a t e rs a m p l e sw 陆c hw a u sc o l l e c t e d 丘o mt h e d o 、) v i l s 仃e 锄0 fd a g u 础v e rw a sa i l a l y z e d t h r o u 曲c 0 1 硼ma i l ds a l l dt a 】 1 kr a j j l f a u s i i i l u l a t i o ne x p e r i i n e n t ，d ) r 1 1 a m i cd i “b 毗i o nc h a r a c t e r i s t i co fd i 丘e r e n tc o n c e n t r a t i o n o fs a l t 、) i a t e ri n 丑u e n c e db yr a i 谢l i n t e n s i 够龇l dp a t t e m i ss t u d i e d t h ew a t e r s e n s i t i v i t yi sr e s e a r c h e db ys a l 帆r a t e r 觚d 丘e s h v a t e rd i s p l a c i i 坞e a c ho t h e r i i l 也es a i l d t a i 出e x p e r i m e n t ，m ec h a l l g el a wa n dm e c h a i l i s mi 1 1h y d r 砌i cc o n d u c t i v i 够o fa q u i f e r m e d i u m 趾ed e e p l ya 1 1 a l y z e di 1 1s a l i l l i 够a b r u p tc h a i l g e da i l d 伊a d u a lc h a l l g e dp r o c e s s u s i n gc o l 眦ma 1 1 ds a i l dt a i l ke x p 缸m e n t ，f a c t o r ss u c h 嬲n o w i i l gv e l o c 埘、i 坷e c t i n g s a l i i l i 锣o fs 0 1 u t i o na n dr e m e d i a jm e a u s u r e st l l a tt 刖ee 筇e c to nr e m e d i a le 虢c td f s a 】t 啪t e ra r es t u d i e d ，a n df e a s i b i l i 够o fr e m e d i a t i o no fs a l t w a t e ri sd i s c u s s e d o nm e b a s i so fas e r i e so fr e s e 鲫c ha b o v e ，t h em 句o rc o n c l u s i o n sp r e s e m e di 芏l “sp 印e rc a i l ( 1 ) t h es a l i i l i 够o fu p p e rl a y e ra q u i f e rm e d i m ni sm o r ee a s i l y 砌u e n c e db y i h r a i n f a l li n t e n s 吼w h e nr a i n f a l ls t o p p e d ，t h es a l i i l i 够o fu p p e rl a y e ra q u i f e rm e d i u mi s r i s i n gd u et om o l e c u l a rd i 丘h s i o i l ，a 1 1 di n c r e a s e de x t e n ti s 伊e a t e ru n d e ri n t e n s i t ) ，o f h e a v yr a i n f a l l 1 1 1 ep a t t e mo fr a i n f a l lh a se 虢c to ns a l i i l i t ) rv a r i a t i o nr a t ea 1 1 de x t e n to f m ea q u i f e rm e d i u i n ，b u td o 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l a y ( a sm o m m o r i l l o i l i t e ) s w e l l i n g ( 3 ) c l 船g e si 1 1h y 血m l i cc o n d u c t i v 埘i si 仃e g u l a r ：i nv 撕o u sh o r i z o n t a ld i s t a n c e s 丘d mw a t e rl e t a i l dv 撕o u sh e i g h t s ，m ec h a n g el a wi nh y d r a u l i cc o n d u c t i v i 哆o f a q u i f e rm e d i ai so b v i o u s l yd i 丘e r e n t ( 4 ) i 内e c t i i l g 丹e s h w a t e rt 0d i s p l a c e 吐i cs a l 铆a t e r ，也em o r er a p i d 1 en u i d v e l o c i 吼m em o r ee a s i l yt h ep a r t i c l e sa r er e l e a s e d a c c o r d i n 9 1 y ，w h e nt h er e l e a s e 锄。咖协c r e a s e ，m el a f g e rm er e d l l c t i o nd e g r e eo f 仕l ep e 锄e a b i l i 够w o l l l db e t h e l o w e rn l ei 坷e c t m gs a l i l l i 够o fs o l u t i o na n d 也ef 瓠t e rc h a n g er a t eo f 让i es a l i 芏l i 够 d e c r e a s e ，t h el a r g e rn l er e d u c t i o nd e g r e eo ft 1 1 ep e m e a b i l i 够i s ( 5 ) c o m p a r e dw i m 如l l yp e n e 仃a t i n gw e l l ，a d o p t i n gp 耐i a l l yp e n 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i m eo nr e m e d i a t i o n m dd ol e s sd 锄a g e0 np e m e a b i l 时o fa q u i f e rm e d i u 1 k e ) 咖r d s ： d i s t r i b u t i o no f s a l 仰a t e r ； w a t e rs e n s i t i v i 锣； p a r t i c l e r e l e a s e ； r e m e d i a t i o no fs a l 细a t e r v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注；如遗直墓他盂要挂别童明数：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论支作者签名： 解签字日期：冲年台月形日 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，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将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、汇编学位论文。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。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：锗 导师签字： 签字日期：知哆年月，6 日 签字日期： 轧日 滨海地下咸水分布动态特征与治理可行性研究 - j l - 月i j 舀 咸水在含水介质中的分布动态特征同时受到各种水动力条件和水化学条件 的制约。降水、蒸发、人为活动以及咸淡水之间、水一岩之间的各种相互作用等 都会影响咸水在含水介质中分布的动态特征。实际上，淡水和咸水实际上是可混 溶的流体，它们之间的接触带由于水动力弥散作用常形成一个由淡水、低矿化水 逐渐变为高矿化水、咸水的过渡带【l 】。其厚度取决于含水层的物理性质( 如粒度、 成分、颗粒排列和充填状况) 和水动力特征。咸淡水过渡带的形成有两方面原因： 一种是由于陆地地下淡水水位下降，引起海水直接侵入淡水层而形成的，另一种 是由于淡水区地下水位下降，陆地上咸水含水层的咸水侵入淡水含水层而形成 的。通常我们称前者为海水入侵，后者为咸水入侵。 随着各国沿海地区经济快速增长，为了满足工农业生产日益增长的用水需 求，人们对淡水资源的开采力度不断加大，大面积的集中超采使得地下水位急剧 下降，形成大范围的地下漏斗区，严重破坏了地下淡水和海咸水之间的动态平衡， 使得咸淡水过渡带不断向淡水含水层推进，从而发生海咸水入侵，直接导致滨海 地区地下水环境逐渐恶化，有限的地下淡水资源更加匮乏，进而引发区域环境的 破坏和生态系统的失衡。 目前，国内外对海咸水入侵的研究工作主要集中在含水介质中咸淡水过渡带 的形态和位置的定量研究、咸淡水界面的监测技术、咸淡水入侵的管理和控制技 术等方面，除此之外，部分学者对于咸淡水过渡带水岩间发生的各种水文地球 化学作用( 例如阳离子交换、溶解沉淀作用等) 也做了研究。对于在降雨条件下 咸水的分布动态特征以及咸淡水驱替过程中含水介质渗透性的变化特征的研究 并不多见。 咸淡水过渡带中，水动力和水化学因素对天然含水介质中的粘粒物质的形态 或在孔隙中的位置都会产生一定影响，从而引起孔隙有效横截面积变小或孔隙的 连接通道被粘粒阻塞、中断，造成含水介质过水断面面积减小，渗透性发生降低， 含水介质渗透性的变化不仅会影响咸水在含水介质中分布的动态特征，对地下咸 水的恢复治理也会产生重要影响。目前，对于咸淡水过渡带含水介质中粘粒物质 滨海地下咸水分布动态特征与治理可行性研究 导致渗透性变化的机理和影响因素的研究还很少，而对于这一过程对地下咸水恢 复治理的影响研究则更少。 本文在国家自然科学基金项目咸淡水过渡带渗透性突变的机制与效应研 究( 编号：4 0 5 7 2 1 4 2 ) 和青岛市水利科技资金资助项目大沽河地下水库水质 变化与供水风险分析( 2 0 0 6 一0 0 2 ) 的资助下，通过室内土柱试验、砂槽试验，对 在降雨条件下咸水在含水介质中的的分布动态特征、咸淡水驱替过程中含水介质 渗透性变化特征以及渗透性突变对地下咸水恢复治理过程的影响等进行了深入 分析和探讨。 在此基础上，本人撰写的论文咸淡水界面含水介质渗透性变化实验研究 已被水文地质工程地质接受。 2 滨海地下咸水分布动态特征与治理可行性研究 1 绪论 1 1 研究目的与意义 海咸水入侵地下水是咸淡水相互作用：相互制约的流体动力学过程。在自然 状态下，滨海地区的地下淡水是向海洋泄流的，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，会造成淡水向海洋的渗流减弱甚至消失，使得咸淡水之 间的动态平衡被打破，咸淡水过渡带向陆地方向移动，含水层中淡水的储存空间 被咸水取代，从而发生海水入侵【2 1 。海咸水入侵是沿海地区的一种重大灾害现象， 对工业生产、农业灌溉、居民生活、生态环境都会产生重大的有害影响，如水质 恶化、土壤盐渍化及荒漠化等，海咸水入侵已成为制约沿海地区社会经济发展的 重要因素。目前，在世界范围内已有5 0 多个国家和地区发生了海水入侵，我国 的海南、广西、广东、江苏、山东、河北和辽宁等省都有海咸水入侵的报道【3 棚， 2 0 世纪8 0 年代以来，我国渤海、黄海沿岸海水入侵现象有所加剧，其中以莱州 湾沿岸最为突出。 滨海地区大面积的海( 咸) 水入侵，对当地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，自1 9 8 1 年以来，由于连续的地下水超量开采以及持续 性的气候干旱等因素引起了近海端地下咸水和南部胶州湾的海水入侵。由于没有 及时采取有效的防治措施，海水入侵面积逐步扩大，由1 9 8 1 年最初的7 0 平方 公里扩大到1 9 8 8 年的7 0 平方公里，使得当地的地下淡水资源逐步枯竭，成为影 响大沽河水源地可持续开发利用的主要问题之一。1 9 9 8 年，研究区内麻湾庄截 渗墙的修建，切断了地下水库内侧和外侧咸水体之间的水力联系，有效地阻止了 海水入侵，同时也使地下水库库区内残留一定区域的咸水体，截渗墙修建后的几 年中，咸水体的分布范围没有发生大的改变，咸水体的北部边界一直维持在周臣 屯一黄家屯西北一李哥庄镇东南一王家庄一南张家庄一石拉子一截渗墙这一区 域【7 1 。但是，通过观测井得到的氯化物实测浓度可以看出，咸水体的体积在不断 增大，地下水水质咸化必将破坏宝贵有限的地下淡水资源，因此有必要对地下咸 3 滨海地下咸水分布动态特征与治理可行性研究 水分布的动态特征及其治理和防治进行深入研究。 国内外学者对咸水在含水介质中的分布动态特征和对地下咸水恢复治理的 研究，多集中在区域调查和数值模拟方面，对其具体机制研究的较少，因此仍然 需要做大量基础工作，进行室内试验对其机制进行进一步的研究。目前，对于咸 水在降雨条件下的分布特征以及咸淡水驱替过程中含水介质渗透性变化特征的 研究都较少，而对于地下咸水的治理，世界各国学者提出了各种见解和方法，如 加强地下水资源的管理、利用沟渠或井进行人工回灌从而形成淡水帷幕、对咸水 进行利用等，其中淡水帷幕法是最常采用的治理方法。但在注淡驱咸的过程中， 含水介质渗透性的会大幅度下降，这非常不利于咸水的恢复治理，如何降低含水 介质渗透性变化在治理方案中的负面作用，从而提高咸水治理的可行性，将是一 个很有挑战性的课题。 因此，对咸水在降雨条件下分布动态特征、咸淡水相互作用过程中含水层渗 透性的变化规律以及含水介质渗透性变化在咸水恢复治理方面影响的研究，在咸 水入侵的预测和防治、合理的开发和利用地下水资源中都将具有重要的理论和现 实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 咸水体分布的动态特征 水动力弥散作用、水文地球化学作用、流体粘滞性的变化以及由于咸淡水之 间存在密度差而产生的液体密度的变化等都会影响咸水分布的动态特征。目前， 国内外学者对咸水在含水介质中分布动态特征的研究，多集中在区域调查和数值 模拟方面，进行室内试验研究的较少。而对于低密度差和中等密度差时，变密度 水流的数值模拟仍然存在一些困难，对于弥散作用对数值模拟结果准确性的影响 程度尚缺乏试验数据加以验证。因此，通过室内试验深入研究咸水在含水介质中 分布的动态特征，并根据室内试验的结果建立更符合实际的数值模型，提高数值 模拟的准确性、稳定性，这都是如今国内外学者所面临的挑战。 唐杰应用电导率法，通过大型砂槽模型试验成功地测定了咸淡水混合带的分 布，并对其动态特征进行了研究，在总体水头的水平梯度方向与浓度的水平梯度 方向相反的条件下，得到了咸水入侵进慢退快的特征和高浓度咸水的发展演化规 4 滨海地下咸水分布动态特征与治理可行性研究 律【8 。张奇总结了其在国外的部分研究成果，介绍了用着色海水和图像处理的 方法得到的在潮汐条件下咸淡水界面的形态和动态变化特征，研究结果表明，咸 淡水界面随海水水位的周期性变化而来回移动，在这种运动中，界面宽度和形态 没有明显的变化【1 0 1 。刘晓红在透明有机玻璃槽中，通过着色海水对海水入侵的 速度进行了试验研究，为海水入侵速度的计算提供了试验数据【l l 】。b i g g a r 和 n i e l s e n 通过土柱的咸淡水驱替试验得出，咸淡水界面的不稳定主要取决与两种 流体的密度差和平均孔隙流速【1 2 】。s c i l i n c a r i a l 和s c h w 鲫d z 通过砂槽试验表明， 随着咸淡水密度差的增加，由于对流弥散所引起的混合将会改变咸水的扩散过程 【1 3 】。o o s 仃o m 等的研究结果表明，咸水在含水介质中稳定与否主要取决于水平的 达西流速，以及咸水与周围地下水的密度差，而纵向弥散系数和横向弥散系数对 稳定性的影响较小【1 4 ，15 1 。w o o d i n g 等在h e l e s h a w 槽中进行室内试验模拟了理想 化的蒸发的盐湖系统，研究表明盐湖表层以下是不稳定的，并将会引起咸水体的 向下运移【1 6 1 。s 曲m o i l s 等对w 6 0 d i n g 所做的试验进行了数值模拟，其结果能很 好的与试验结果吻合【1 7 1 。g o s w a m i t 通过砂槽试验得出，在不同水动力条件下咸 水处于稳定、前进和退去状态时的规律，并用s e a w 玎软件进行了数值模拟， 首次根据咸水处于前进或后退状态时的试验数据对数值模拟结果进行了验证 【1 8 】。n l o r e n z 通过试验研究表明，在饱和带中的咸水和淡水相互驱替，不仅在饱 和带中会产生由于密度差所产生的密度驱动流，对非饱和带的水分迁移有重要的 影响【1 9 1 。 咸水在各向异性介质中分布的动态特征的研究工作是最近十几年才开始的。 研究表明，多孔介质的各向异性( 从微小的孔隙结构的差异到大范围尺度的各向 异性) 会扰动水流，使稳定系统的弥散作用加强，引起系统的不稳定，各向异性 是控制变密度水流产生、发展、衰退的一个关键的控制因素，从而使得对咸水分 布的预测产生了一定的困难，因此各向异性对于咸水分布动态特征的影响是今后 研究工作的重点和挑战。s c h i n c 撕o l 和s c h w a r d z 通过试验研究表明，由于含水 介质的各向异性，会使咸淡水之间产生更大范围的弥散【1 3 】。s c l l i n c 撕o l 等对上述 试验进行了数值模拟【2 0 ，2 。s h i l 眦e 研究表明，2 5 n u n 小的孔隙都足够加速咸水 的运移圈，这一点在s i i l l m o 璐中也有分析，并认为在较大区域范围内，由于各 向异性使得高浓度咸水在含水介质中的运移速率、方向都不太可能预测【z 引。 滨海地下咸水分布动态特征与治理可行性研究 s w a r t z 等通过试验研究了在分层介质中，流速、咸淡水密度差以及各层之间渗透 系数差对咸淡水混合的影响，研究结果表明降低流速将加剧低浓度溶液的咸化， 在很多情况下密度梯度会产生相邻层之间的混合对流，而渗透系数差增加将会减 弱相邻层之间的混合对流【2 4 】。 1 2 2 含水介质水敏感性 水敏感性是指与多孔介质不配伍的外来流体进入多孔介质后引起粘粒释放 迁移和沉积，导致含水介质渗透性降低的现象【2 5 1 。自1 9 3 3 年f a n c h e r 首次发现 水敏感性现象以来，国内外学者在石油工程和土壤领域进行了大量的研究工作， 对于水敏感性的机理、影响因素、诊断方法和控制技术等都有了广泛的研究，但 目前对于咸淡水过渡带的水敏性的研究还较少。 在石油工程领域，许多学者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。m o n o 曲a i l 和h e 谢t t 等分析了含水介质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颗粒的松动和释放) 是导致渗透性 降低的一个重要因素 2 6 】。l a l l 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，他们将蒙脱石的扩散看作渗透性降低的主要 原因刚。碰l a r 和f 0 9 1 e r 通过土柱试验，逐渐降低溶液的盐度，从而确定了粘粒 释放的临界盐度( c s c ) ，指出当盐度低于该值时，粘粒会从孔隙壁上释放出来阻 塞孔喉导致渗透性下斛2 8 1 。 在土壤学方面，许多学者提出了粘土膨胀及分散运移两种学说来解释n a + 引起的导水率衰减【2 9 。3 1 1 。f r e n k e l 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，会产生胶体释放，使得土壤的渗透性明显降低【3 2 1 。肖振 华等通过研究发现灌溉水钠吸附比( s a r ) 增加和矿化度减小都会引起土壤渗透 性降低：当灌溉水的s a r 增加时，粘粒膨胀引起连通孔隙变小和阻塞导致渗透 性降低，随着灌溉水矿化度增加，絮凝作用增强而膨胀减弱，有效孔隙增加引起 渗透性变大；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 壤渗透性降低3 3 1 。当用非常低矿化度( 0 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 4 3 5 1 。 6 滨海地下咸水分布动态特征与治理可行性研究 g o l d e n b e 唱和m a g 撕t z 通过渗透试验发现，在含水介质中用淡水驱替咸水 时；含水介质的渗透性会发生突然的变化，而用咸水再驱替淡水，则渗透性几乎 不能恢复【3 6 】；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，在同样的水化学条件下， 含水层中含有蒙脱石或注入含膨润土的溶液，会产生比高岭土和伊利石更大的渗 透性降低【3 7 3 引。张晓辉、郑西来等通过咸淡水驱替的土柱试验发现，咸淡水驱替 过程中，含水介质渗透性的变化不仅受盐度的影响，同时也受盐度递减速率的影 响，溶液盐度递减速率快则渗透性降低程度大，渗透性变化的主要原因是由于粘 粒在渗流柱内发生了释放、迁移和沉积【3 9 1 。 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 ) 相邻孔隙的连接通道发生阻塞、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 大颗粒的空间形状出现变化；( 5 ) 流体的密度发生变化【柏】。目前国内外对含水层 渗透性的研究主要是分别针对含水介质、渗透液体的物理性质，而且相关研究主 要集中在含水介质的粒度、粘土矿物的成分和含量以及渗透液体的密度、粘滞性 对渗透性变化的影响，而对于渗透液体与含水介质相互作用后导致的渗透性变化 的研究报道很少。现有的研究工作表明，土壤溶液或者地下水矿化度的快速变化， 会使含水介质介质中粘粒发生释放、膨胀、迁移、重沉积等，从而引起的孔喉阻 塞并导致含水介质的渗透性迅速降低，这正是发生水敏性的机理所在。 针对水敏感性导致含水介质渗透性发生突变的现象，国内外学者对水敏性的 影响因素进行了深入研究。 ( 1 ) 临界盐浓度( c s c 。c r i t i c 2 l ls a l tc o n c e 纳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 1 0 c c u l a t i o n c o n c e n t r a t i o n ) ，k i l i l a r 和f 0 9 1 e 提出了临界盐浓度( c s c ) 的概念。临界盐浓 度是指能够引起含水介质中粘粒发生释放的盐浓度【4 1 1 。删l a r 和f o g l e 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。他们还指出， 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。 由于自然界含水介质的非均质性，临界盐浓度值通常为一范围值。 ( 2 ) 盐浓度变化率 7 滨海地下咸水分布动态特征与治理可行性研究 盐浓度变化率表征的是含水介质中盐浓度下降的幅度对粘粒释放的影响。 j o n e s 、k h l a r 等【4 2 ，4 3 1 研究发现盐溶液中盐浓度变化梯度越小，含水介质渗透性 的降低幅度越小。跚l a r 等指出，不同的盐浓度变化率引起的粘粒释放量和粘粒 释放速度不同，瞬时、急剧的浓度变化会导致粘粒迅速大量释放，而缓慢的浓度 变化会使得粘粒释放的量很少、速度很小，甚至不产生释放。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。 ( 3 ) 临界离子强度 盐溶液中只有一种阳离子时，对应粘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，对应粘粒释放时的盐浓度则 称为临界离子强度或极限离子强度m ，4 5 1 。j o n e s ，q u i r k 和s c m e l d ，鼬a 等人研 究表明，粘粒表面上的c a 2 十能极大地降低表面z e t a 电势，所以溶液中一定数量 c a 2 + 的存在会对粘粒释放产生抑制作用m 。4 胡。在n a c l 和c a c l 2 混合盐溶液系统 中，粘粒表面上吸附的c a 2 十数量由溶液的离子强度和钙离子的摩尔百分数而定。 蹦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 1 。 表1 1n a c l 和c a c l 2 混合盐溶液系统的临界离子强度【4 1 】 t a b l e l - 1c r i t i c a li o ns t r e n g t h so f t h en a c c a c l 2m i x e ds o l u t i o n s 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。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 由于粘粒表面上吸附较多的伊利石；! 其比高岭石携带更多的电荷。 ( 4 ) 临界流速 当含水介质中的渗流液浓度达到临界盐浓度，或水流速度达到临界流速时都 会引起粘粒释放。不同的渗流速度在多孔介质中形成的剪应力大小不同，特别在 8 滨海地下咸水分布动态特征与治理可行性研究 孔隙度和渗透性较大的多孔介质中，粘附在孔隙表面的粘粒极易受到水流剪切应 力的影响而发生释放。在注淡驱咸的过程中，大流速的地下水流在含水砂层中会 在靠近注水井的区域形成强剪应力带，从而导致砂层中粘粒释放的发生，这些粘 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 9 1 。 沿x 、y 、z 轴方向上的作用力分别使粘粒产生三种不同的运动方式( 滚动、 滑动、上升) ，因此水动力引发粘粒释放的过程比胶体力更加复杂。o n e i l l 研究 表明，作用在粘粒上并导致粘粒运动的力是与水流方向同向的切向力而不是升力 【5 0 1 。而c 1 e a v e r 和y a t e s 通过分析紊流状态下粘粒释放的机制，发现紊流边界层 由于粘滞内层的不稳定性，是升力作用导致粘粒运动【5 。 d 嬲等曾假设粘粒释放存在一个临界水动力条件【5 2 】。a 肌l a i l a l l d a i l 等通过试 验发现流体中存在一个临界剪应力，该值的大小与粘土类型、渗流液体的离子强 度、成分、p h 值及温度有关【5 3 】。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 m e b e c k 和 c o l l 硫通过岩心试验发现，当注入b e r e a 含水砂层流体的流速逐渐增大到某一值 时，会引起地层中的粘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，使得地层渗透率明显下降，称该流速值为该地层粘粒释放的临界 流速【5 4 】。 ( 5 ) p h 值 p h 值对粘粒释放的影响与粘粒边缘表面上的双电层有关。双电层会随着p h 值而变化，从而影响粘粒与颗粒表面的作用力，进一步影响粘粒释放的数量和速 度。研究结果表明，相同水动力条件下，酸性条件抑制粘粒释放，碱性条件加速 粘粒释放【5 5 】。 1 2 3 咸水治理 对于地下咸水体治理措施的研究，国内外有很多数学模拟和工程实例。在国 内，大多停留在理想化的数学模拟和建立小型工程防止咸水体扩大方面。如李白 玲等对存在截渗墙情况下，对均质、各向同性、单一含水层中的咸水体进行单井 注水恢复治理的数学模拟，注水量1 4 m 3 s ，系统运行4 个月成功迫使地下咸水 9 滨海地下咸水分布动态特征与治理可行性研究 退回到截渗墙附近【5 6 1 。韩志勇等对大沽河下游地区地下咸水恢复方案进行了数 值分析，研究结果表明，单一的抽水方案对于高浓度咸水的去除非常有效，但是低 浓度咸水残留量较大；而抽水优化方案不但能够同时去除高浓度和低浓度的咸水， 并且更加彻底和快速【5 7 1 。杨建华采用便变密度过渡带模型，根据广西北海市的 实际水文地质条件，计算了超采地下水、实施防渗、抽水、注水、抽注结合情 况下，咸淡水界面随时间推移过程，得出各种帷幕的适用条件，以及注水是北海 市较为理想的防治海水入侵措施的结论【5 8 1 。应用于咸水防治的工程措施主要有 浇灌防渗墙、抽水、注水和抽注结合，统称帷幕法。如莱州市朱由镇沿海岸开 挖的蓄水渠，通过积蓄雨水下渗形成地下淡水帷幕；防止咸水体扩大【5 9 1 。除此 之外，一些学者通过室内模拟试验，对咸水的恢复治理进行了研究。如刘青勇和 武晓峰通过染色和摄像技术在砂槽内，模拟了均质条件下沟渠回灌地下水淡水帷 幕的形成和发展过程