（环境工程专业论文）咸淡水过渡带水敏感性及其应用研究.pdf

咸淡水过渡带水敏感性及其应用研究 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 内批量和柱状试验，研究了咸淡水过渡带的水敏感性及其应用。 首先，研究了盐度突变和渐变过程中含水介质的渗透性变化和不同粘土矿物 ( 高岭土、蒙脱石) 对含水介质渗透性的影响，并结合粘土矿物在盐度突变过程 中物理形态和化学性质的变化情况，应用胶体化学和界面化学理论对咸淡水过渡 带水敏感性的机理进行了探讨。然后，深入分析了咸淡水过渡带水敏感性的影响 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 等。此外，针对水敏感性发生过程中大量微粒释放、迁移的现象，首次对水敏感 性影响下重金属污染物和有机污染物去除的可行性进行了研究。最后，结合大沽 河下游地下咸水体修复的工程实例，充分考虑咸淡水界面含水层的水敏感性，应 用地下水模拟软件( v i s u a l m o d f l o wp r o3 1 ) 对咸水恢复方案进行了数值分 析。 淡水与海水驱替试验表明：盐度突变会导致含水介质发生明显的水敏感性， 表现为渗透性快速、剧烈地降低，渗透系数下降达8 0 9 ，而盐度渐变过程中( 海 水、5 0 海水和5 0 地下淡水、1 0 海水和9 0 地下淡水、5 海水和9 5 地下 淡水、地下淡水依次驱替) ，渗透性的降低缓慢且不明显，渗透系数下降仅为3 6 。 粘土矿物对水敏感性的影响试验表明：盐度突变过程中，当高岭土含量从 1 5 增加到1 2 时，砂柱的渗透系数由0 8 1 m d 下降n o 3 9 m d ，而蒙脱石含量为 3 - - 4 时，砂柱渗透系数便下降n l o 培 - - 0 e r a s ；电镜扫描结果显示，高岭土矿 物大都互相离散，并松散堆积在一起，在砂柱中多附着在孔隙壁上，或作为粒间 的填充物；而蒙脱石则在晶体膨胀和絮凝作用下形成了体积很大的胶团，这些大 胶团随水流的迁移能力弱，大都阻塞在孔隙中，使得含水介质渗透系数呈现对数 级下降。 含水介质微粒释放试验表明：淡水和海水流速分别超过9 0 m d 和5 5 m d 时， 水流剪切应力也会导致微粒释放，但释放量非常有限；n a c l 溶液引起微粒释放 的临界盐浓度为0 0 6 0 0 0 5 m o l l ，临界盐浓度递减率为0 0 1 2m o l l ；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1 0 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0 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，碱性条件下，微粒释放时间长，微粒释放累积量大。 微粒释放去除污染物试验表明：含水介质中的重金属污染物( 二价汞离子) 和有机污染物( 苯酚) ，在水流淋洗和释放微粒携带作用下，分别有8 9 7 7 和 8 5 7 1 和污染物迁移出砂柱，其中，因微粒释放而去除的污染物分别占5 9 5 和 3 0 0 。 地下咸水恢复抽水方案的数值分析表明：考虑含水层水敏感性情况下，抽 水方案对地下咸水体的去除效率大大提高，治理时间缩短了1 3 ，残留低浓度咸 水面积减少了8 1 3 ，总抽水量减少2 0 9 。 关键词：咸淡水过渡带；水敏感性；盐度突变；微粒释放 s t u d yo nw a r e s e n sitiit yo ft h es e a w a t e r - f r e s h w a t e r u d yo nw ae rs e n svs e a w a trr e sw a t e rltii tr a n sitio nz o n ea n dit sa p piic a tio n s 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 g 诵t l lt 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 lc 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 ew a t e rs e n s i t i v i t yo ft h es e a w a t e r - f r e s h w a t e r t r a n s i t i o nz o n ea n di t sa p p l i c a t i o n sa r es t u d i e db yl a b o r a t o r yb a t c ha n dc o l u m n a tf i r s t ，t h ev a r i a t i o no ft h ep e r m e a b i l i t yf o rt h ea q u i f e r sm e d i ad u r i n ga b r u p ta n d g r a d u a ls a l i n i t yd e c r e a s ep r o c e s s e si ss t u d i e d a tt h es a m et i m e ，w i t ht h ec h a n g e so f c l a ym i n e r a l s p h y s i c a lf o r m sa n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sd u r i n ga b r u p ts a l i n i t yd e c r e a s e ， t h em e c h a n i s mt h a td i f f e r e n t c l a ym i n e r a l s ( k a o l i na n ds m e c t i t e ) h a v ed i f f e r e n t i n f l u e n c e so nt h ep e r m e a b i l i t yo fp o r o u sm e d i ai ns a l i n i t yd e c r e a s ep r o c e s si s e x p l o r e da n de x p l a i n e da c c o r d i n gt oc o l l o i da n ds u r f a c ec h e m i s t r yt h e o r i e s t h e n , t h e i m p a c t i n gf a c t o r so nt h ew a t e rs e n s i t i v i t y ，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 t c 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 ha n dp he r e a r e a n a l y z e dd e e p l y i na d d i t i o n , f o rf i r s tt i m e ，af e a s i b i l i t ys t u d yo nh e a v ym e t a la n d o r g a n i cp o l l u t a n t s r e m o v a lb yt h ep r o c e s s o f p a r t i c l e r e l e a s ea n dt r a n s f e ri s r e s e a r c h e d f i n a l l y ，c o m b i n i n g 诵t l lt h ee n g i n e e re x a m p l eo fs a l i n ew a t e rr e s u m p t i o n d o w n s t r e a mt h ed a g ur i v e r ，u n d e rt h ec o n s i d e r a t i o no fw a t e rs e n s i t i v i t y ，t h e r e s u m p t i o ns c h e m e ( p u m p i n gs c h e m e ) i ss i m u l a t e db yt h eg r o u n d w a t e rs i m u l a t i o n s o f t v i s u a l m o d f l o w3 1 t h er e p l a c i n ge x p e r i m e n t so ff r e s h w a t e ra n ds e a w a t e ri n d i c a t et h a ta b r u p ts a l i n i t y d e c r e a s ew i l lr e s u l ti no b v i o u sw a t e rs e n s i t i v i t yi nt h ea q u i f e rm e d i a 、析t i lt h e p e r m e a b i l i t y sr a p i d l ya n dd r a s t i c a l l yd e c l i n ea n dh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yd e c r e a s e db y 8 0 9 b 此i nt h eg r a d u a ls a l i n i t y ( s e a w a t e r ，5 0 s e a w a t e ra n d5 0 g r o u n d w a t e r ， 10 s e a w a t e ra n d9 0 g r o u n d w a t e r , 5 s e a w a t e ra n d9 5 g r o u n d w a t e r , a n d g r o u n d w a t e rr e p l a c i n gi nt u r n ) d e c r e a s ee x p e r i m e n t s ，t h ep e r m e a b i l i t yd e c l i n e ss l o w l y a n dt h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo n l yd e c r e a s e sb y3 6 c l a ym i n e r a l s i n f l u e n c ee x p e r i m e n t so nw a t e rs e n s i t i v i t yi n d i c a t et h a t ，d u r i n ga b r u p t s a l i n i t yp r o c e s s ，t h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo ft h es a n dc o l u m nd e c r e a s e sf r o m0 81 m dt o0 3 9m dw h e nt h ew e i g h tc o n t e n to fk a o l i ni n c r e a s e sf r o m1 5 t o12 a n d t h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yd e c r e a s e sf r o m10 8 c m st o0 c r n sw h e nt h ew e i g h tc o n t e n t o fs m e c t i t ei n c r e a s e sf r o m3 t o4 p h o t o ss c a n n i n gb ye l e c t r o nm i c r o s c o p ys h o w t h a tm o s to ft h ek a o l i nm i n e r a l sa r ei nad e c e n t r a l i z e ds t a t ea n ds t a c kl o o s e l yt o g e t h e r w h i c ha t t a c ht ot h ep o r ew a l lo ra st h ef i l l i n gi nt h es a n dp o r e s ，b u tf o rt h es m e c t i t e m i n e r a l s ，c r y s t a ls w e l l i n ga n df l o c c u l a t i o ne f f e c t sr e s u l ti nt h ef o r mo fal a r g ea m o u n t o ft h em i c e l l e ，w h i c hm o s t l yb l o c ki nt h ep o r e sa n db r i n ga b o u tt h e h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t yd e c r e a s eb yl o g a r i t h m i cg r a d e 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 tt h e f l u i d s h e a rs t r e s sc a nl e a dt ot h eo c c u r r i n g o fr e l e a s ep 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 ra n df r e s h w a t e ri so v e r 9 0 m da n d5 5 m dr e s p e c t i v e l y ，a n dt h e r ea r eo n l yf e w p a r t i c l e sr e l e a s e d f o rt h en a c l s o l u t i o n ，i t sc r i t i c a l s a l tc o n c e n t r a t i o nw h i c hc a nc a u s e p a r t i c l e r e l e a s ei s 0 0 6 - 士0 0 0 5 m o l l ，a n dt 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 ei s0 0 1 2m o l l c a + h a sa s 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 o rm i x e ds o l u t i o no fn a c ia n d c a c l 2 ，t h ec r i 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 r t i c l er e l e a s ed e c l i n et oo 0 2 m o l l a n do 0 0 7 m o l lw h e nc a 2 + m o l a rp e r c e n t a g e sa r e5 a n d10 r e s p e c t i v e l y , w h i c hi s f a rb e l o wt h ec r i t i c a lc o n c e n t r a t i o no fn a c is 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 h h 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 ea n dt h er e l e a s et i m ea n dp a n i c l eq u a n t i t yi s f 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 p o l l u t a n tr e m o v a lb yt h ep a n 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 tt h e r ea r e8 9 7 7 o f h e a v ym e t a lp o l l u t a n t ( d i v a l e n tm e r c u r yi o n ) a n d8 5 7 1 o fo r g a n i cp o l l u t a n t ( p h e n 0 1 ) m o v eo u to ft h es a n dc o l u m n su n d e rt h ee f f e c t so fw a t e rl e a c h i n ga n dp a r t i c u l a t e r e l e a s i n g w h e r et h e r ea r e5 9 5 a n d3 0 0 p o l l u t a n t sr e m o v ed u et op a n i c l er e l e a s e r e s p e c t i v e l y n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so ft h er e s u m i n gs c h e m e s ( p u m p i n gs c h e m e s ) f o r u n d e r g r o u n ds a l i n ew a t e ri n d i c a t et h a t ，u n d e rc o n s i d e r a t i o no fw a t e rs e n s i t i v i t yo ft h e a q u i f e r ，t h ee f f i c i e n c yo ft h ep u m p i n gr e s u m es c h e m ew i l lb ei m p r o v e dg r e a t l y ，a n d t h er e s u m i n gt i m es h o r t sb y1 3 ，t h ea r e ao fr e s i d u a ll o wc o n c e n t r a t i o ns e a w a t e rb o d y d e c r e a s e sb y81 3 a n dt h et o t a lp u m p i n g q u a n t i t yr e d u c e sb y2 0 9 k e yw o r d s ：s e a w a t e r - f r e s h w a t e rt r a n s i t i o nz o n e ；w a t e rs e n s i t i v i t y ；a b r u p ts a l i n i t y d e c r e a s e ；p a r t i c l er e l e a s e 咸淡水过渡带水敏感性及其应用研究 o 前言 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【1 ，2 】。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。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【2 。5 】。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【2 6 - 9 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 1 0 1 o 天然含水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，对于咸淡水过渡带含水介质中 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。 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 ) 的资助下，充分借鉴国内外研究成果，对青岛地区大沽 河下游咸淡水过渡带含水层渗透性突变的机理和影响因素进行了深入研究和探 咸淡水过渡带水敏感性及其应用研究 讨，重点研究流速、盐度、离子强度和p h 值等因素导致渗透性突变的微观机理 以及渗透性突变对海水入侵区地下咸水恢复治理过程的影响等。迄今为止，作者 已发表和被接收的与基金相关的文章有7 篇，分别刊发在水科学进展( e i 收 录) 、天津大学学报( 英文版) ( e i 收录) 、水处理技术、水文地质工程地 质、水文和工程勘察上。 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己在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：韩起勇 签字日期：沙谚年6 月弘日 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：毒苇怎勇 签字日期：z 娟年6 月，弘日 导师签字：斟j ib 签字吼形g 月i b 日 咸淡水过渡带水敏感性及其应用研究 1 绪论 1 1 研究目的与意义 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普遍的环境问题。在天然情况下，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，造成淡水向海洋的渗流减弱甚至消失，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咸，导致一系列 生态、环境的恶化问题，如海咸水入侵、水质恶化、土壤盐渍化及荒漠化等，而 在世界各地，海咸水入侵己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己遭受 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【1 1 1 明。 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1 9 9 8 年，咸水入侵面积己超过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【lo 】。 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。 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 o d d ( 1 9 5 8 ) 完成的，仅包含一个章节。美国地质调查局 咸淡水过渡带水敏感性及其应用研究 的供水报告( u s g s ) 对海咸水入侵进行了早期的研究【1 9 1 。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【1 2 】。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。 水敏感性是指含微粒( 小于1 0 0 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【2 0 。2 9 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，还具有重要的现实意义。 滨海地区，在工业生产和运输的过程中，重金属和有机污染物的不合理排放 和泄漏，都会对过渡带地下水与土壤环境造成污染。由于上述污染物具有移动性 差、滞留时间长、不能被微生物降解的特点，故其有效治理方法的探求一直是一 个热点研究方向。鉴于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，研究释放微粒后携带上述污染物质在含水介质中的迁移，以达到去除污染 的目的，将会具有重要的实际应用意义。地下咸水的恢复治理一直是地下水工作 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 重要的理论和现实意义。 2 咸淡水过渡带水敏感性及其应用研究 1 2 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 【1 3 】，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【3 0 3 4 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 【3 5 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【3 6 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【3 7 4 2 1 。 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 2 1 渗透性突变 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【1 刀。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 成淡水过渡带水敏感性及其应用研究 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，即在含水介质中用淡水驱替咸水，含水介质会产生渗透性的突然 变化，砂样的渗透率甚至会降低1 4 个数量级【4 引。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a 5 1 。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含水介质的水敏感性，并通过数值模拟得出，淡水的 注入会引起含水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n t 4 6 】。 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 g h 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颗粒的松动和释放) 是渗透性降低的一个重要机带l j 4 7 1 。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【4 8 】。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 性下斛4 9 1 。 土壤学家研究了干旱和半干早地区过度灌溉土壤( 含有少量粘土矿物) 的导 水率变化，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人做了大量研究， 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【5 0 。5 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【5 3 ，5 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含水介质 ( 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【5 0 , 5 2 】。灌溉水钠吸附 4 咸淡水过渡带水敏感性及其应用研究 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t 氐1 5 5 , 5 6 】。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【5 7 , 5 8 】。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5 9 击1 1 。 1 2 2 机理与影响因素 针对水敏感性导致多孔介质渗透性发生突变的现象，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。 1 2 2 1 机理 研究结果表明，导致多孔介质水敏感性发生的机理和原因主要有以下几个方 面： ( 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。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 g e f f e c t ) ，或者在架桥作用( b r i d g i n ge 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【6 2 击刀。 ( 2 ) 反应性微粒的膨胀和絮凝作用 咸淡水过渡带水敏感性及其应用研究 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【1 7 】；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【6 8 】。 ( 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【6 9 】。 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子， 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【7 0 仍】。 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 。 6 咸淡水过渡带水敏感性及其应用研究 表卜l 微粒与孔喉大小的比值和相对应的渗透性变化【7 4 1 t a b l e1 1h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yv a r i a t i o nt y p e sw i t hd i f f e r e n td i a m e t e rr a t i oo f p a r t i c l ea n d p o r et h r o a t 微粒大小孔喉大小渗透性变化机制 1 0 1 - 0 6 0 0 4 - 0 1 0 0 0 1 - 0 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 表面沉积和可能发生的多微粒堵塞效应 1 2 2 2 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。因此，针对水敏感性影响因素的研究 集中在上述作用发生的原因和过程方面。 ( 1 ) 临界盐浓度( c s c c r i f 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【2 5 1 。 临界盐 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。从表中我们可以看出，溶液 中只存在一种阳离子时，临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。 ( 2 ) 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 4 】。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 7 咸淡水过渡带水敏感性及其应用研究 研究是很重要的。 表1 2 不同一价阳离子的临界盐浓度 t l b l e1 2c s c so fd i f f e r e n to r l ev a l u ec a t i o n s 8 咸淡水过渡带水敏感性及其应用研究 ( 3 ) 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 i 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8 0 ，8 1 】jj o n e s ，q u i r k 和s c h f i e l d ，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