典型砂介質含水層滲透系數鹽度效應研究

姜偉男 王福剛 董維紅

摘要：滲透系數是計算含水層出水量、水庫滲透量，以及溶質遷移規律研究等不可或缺的重要水文地質參數。為探究地下水鹽度變化大地區滲透系數的鹽度效應，以粗、中、細3種典型砂介質為研究對象，配制不同鹽度的NaCl溶液，采用室內常水頭試驗，定量分析了鹽度變化對砂介質滲透系數的影響。結果表明：①地下水鹽度小于10g/L時，鹽度變化不會引起砂介質滲透系數明顯改變；鹽度大于10g/L時，滲透系數隨著鹽度的增大而減小。②鹽度變化引起地下水運動黏度變化是砂介質滲透系數產生鹽度效應的原因。③對于不同粒徑的砂介質，粗砂介質滲透系數的鹽度效應最明顯，中砂次之，細砂最小。

關鍵詞：滲透系數；鹽度；運動黏度；砂介質

中圖分類號：TV131

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.034

滲透系數也稱為水力傳導率，是綜合表征巖層透水性的水文地質參數，也是計算含水層出水量、水庫滲透量，以及溶質遷移規律研究等不可或缺的參數。滲透系數主要受土體特性（土的粒徑和級配、孔隙率、結構、黏粒含量等）和流體特性（流體黏滯性、水頭壓力等）影響。地下水鹽度的變化不僅會使其本身的流體性質發生變化，而且會改變黏性土介質的孔隙結構，進而影響含水介質的滲透系數。王玉杰等對土壤滲透系數與鹵水黏度關系的研究表明，土壤滲透系數與鹵水黏度成反比。在我國干旱、半干旱的華北、西北地區，地下水蒸發濃縮作用強烈，地下水鹽度變化大：在沿海地區過度開采地下水導致海水入侵，地下水鹽度明顯增大。因此，探究滲透系數的鹽度效應對于地下水鹽度變化較大的干旱或沿海地區地下水開發利用和污染物遷移轉化規律研究具有重要意義。

前人有關滲透系數鹽度效應的研究集中在黏性土介質滲透系數的鹽度效應上，綜合考慮了流體性質變化和孔隙結構變化條件下地下水鹽度變化對滲透系數的影響，但沒有對這兩方面的變化加以區分，并且缺乏對砂介質含水層滲透系數鹽度效應的研究，而砂介質含水層是大多地下水開發的主要目標層位。因此，筆者從流體性質人手，結合相關理論和前人研究成果，選擇不同粒徑砂介質探究流體鹽度變化對砂介質含水層滲透系數的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗裝置

采用室內常水頭試驗測定滲透系數。試驗裝置包括供水裝置、滲透裝置、測壓裝置、排水裝置4部分，見圖1。供水裝置采用馬氏瓶：滲透裝置采用有機玻璃網柱，網柱高為1m，內徑為14Cm，上端用硅膠墊和有機玻璃蓋密封，兩側有測壓孔若干，用于連接測壓板測量水位，底部設有濾板并鋪一層礫石，下端設有出水口用于排水、排氣；測壓裝置為測壓板，上面放置若干測壓管，測壓管內徑為3mm，下端口用膠管與砂柱上的測壓孔相連，用于測定過水斷面水位：排水裝置為可垂向升降的水槽，并設進水口和溢水口各一個，用以調節排水水位，并設進水口和溢水口各一個，用于測定單位時間內的滲流量。

1.2 試驗材料

石英砂物理化學性質穩定，滲透性良好，故本次試驗將粗、中、細3種粒徑的石英砂作為試驗材料。選取孔徑為0.10、0.25、0.50、2.00mm的篩子進行篩分，配成試驗所需的3種砂樣，見表1。先將砂樣用稀鹽酸浸泡，再用清水反復沖洗并烘干。裝樣前在砂柱底部濾板上鋪一層粒徑為3～5mm的礫石，防止砂樣泄露。按石英砂的密度進行裝樣，每次在砂柱中裝6cm高的砂樣，計算每次裝樣所需要砂的質量。將稱取好的砂樣裝入砂柱并用搗棒將其壓實，確保每次填裝高度為6cm，3種砂的總裝填高度均為80cm。填裝完成后如發現砂樣不均勻或出現裂隙，則需要重裝砂樣。利用蒸餾水配制不同鹽度的NaCl溶液作為滲流流體，水溫為20℃。

1.3 試驗步驟

（1）飽和試樣。首先，打開供水裝置，此時排水水位低于供水水位，采用白下而上的方法進行飽水，待砂樣上表面出現水膜時，立即夾好止水夾，關閉供水裝置。根據砂介質的總體積與馬氏瓶中水減少的體積之比計算砂介質的孔隙度。然后，打開測壓管止水夾，觀察所有測壓管水位是否在同一水平面上，以及連接測壓孔與測壓管的膠管中是否有氣泡。若膠管中存在氣泡，則利用洗耳球將膠管或測壓管中的氣泡吸出：若膠管中無氣泡，且各測壓管水位高度相同，則說明排氣成功，飽和試樣完畢，可測定滲透系數。

（2）測定滲透系數。采取自上而下供水。打開供水裝置，采用定水頭法測定滲透系數，調節排水水位，使上下游水頭差為45cm（水頭差△h=Hl-H2=45cm，其中H1為砂柱上表面測壓管水位、H2為底部測壓管水位）。待各測壓管水位穩定后，測定單位時間內的滲流量。粗砂的流量較大，每30s測定一次流量；中砂每60s測定一次流量：細砂流量較小，每120s測定一次流量。每次測定流量時均利用溫度計測定水溫。滲流量、水溫分別測定3次取平均值，并控制溫度在20℃。對于3種砂介質，進行鹽度分別為0、5、10、15、20、30、40、50、70g/L的滲流試驗。為確保砂柱中流體鹽度與所配制的鹽溶液鹽度相同，進行每種鹽度的滲透試驗前先用待試驗鹽度的鹽水反復沖洗砂柱，并測定排出水的TDS（使用哈納鹽度計HI98203測定），當排出水的TDS與試驗用鹽水相同時，進行砂柱中相應鹽度溶液的滲流試驗。

2 試驗結果

試驗所用砂柱參數見表2。砂柱填裝高度為80cm，上下各有7cm高的砂作為水流緩沖區，以防止水流將砂沖散產生裂隙，影響滲透系數的測定，因此兩個測壓孔之間砂柱的滲流長度為66cm。根據上下游水頭差△h與滲流長度△L的比值計算水力梯度。

粗、中、細3種砂介質滲流量測定結果見表3。

根據達西定律求解不同鹽度條件下的滲透系數。式中：K為滲透系數，cm/s：Q為滲流量，cm3/s；A為砂柱橫截面面積，Cm2；I為水力梯度。

根據式（1）計算不同鹽度的水在粗、中、細3種砂介質中的滲透系數，計算結果見表4。根據表4中的數據，得到3種砂介質滲透系數K與鹽度的關系曲線，見圖2。3種砂介質滲透系數總體上隨鹽度的增大呈減小趨勢，兩者成反比。但是，當鹽水濃度較低，小于10g/L時，滲透系數幾乎不隨鹽度的變化而變化，可視為定值：當鹽水濃度大于10g/L時，隨著鹽水濃度的增大，滲透系數減小，且變化幅度不斷增大，說明砂介質含水層的滲透系數具有明顯的鹽度效應。因此在沿海地區、蒸發作用強烈的干旱地區等地下水鹽度變化大的地區，滲透系數的鹽度效應不可忽略。

3 討論

3.1 砂介質鹽度效應機理分析

土體特性和流體特性均對滲透系數產生影響。由于石英砂性質穩定，本次試驗所用鹽水不會改變石英砂介質本身特性，因此鹽水性質的改變是砂介質滲透系數產生鹽度效應的原因。此外，在達西定律適用范圍內，黏滯力大于慣性力對流速損失起主導作用，所以流體黏滯性的改變可能是砂介質滲透系數產生鹽度效應的原因。

在重力作用下，流體的黏滯力可用運動黏度來描述。利用奧氏黏度計測得20℃時不同鹽度水的黏滯系數，并測定不同鹽度水的密度，采用黏滯系數與密度的比值計算運動黏度，鹽度為0、10、20、30、40、50g/L時的運動黏度分別為0.01012、0.01017、0.01032、0.01044、0.01058、0.01074Cm2/S。不同鹽度條件下運動黏度與3種砂介質滲透系數的關系曲線見圖3。

由圖3可知，運動黏度η與滲透系數K呈線性關系，確定系數R2都在0.98以上，符合式（2）。

K1/K2=η1/η2

（2）式中：K1、K2為相同砂介質不同鹽度下的滲透系數，cm/s；η1、η2為對應K1、K2條件下水的運動黏度，cm2/s。

根據式（2），可以利用不同鹽度水的運動黏度來估算相應鹽度下砂介質的滲透系數。水在巖石孔隙中運動，需要克服孔隙通道與水以及水質點之間的摩擦阻力，而所受摩擦阻力的大小與水的黏滯性有關。當黏滯性不同的兩種流體在同一巖性孔隙中運動時，在相同水力梯度條件下，黏滯性大的流體受摩擦阻力大，滲流速度慢，滲透系數小：黏滯性小的流體受摩擦阻力小，滲流速度快，滲透系數大。本次試驗中，水鹽度的改變不是對粗、中、細3種石英砂本身產生影響，而是鹽度增大，水的運動黏度增大，最終導致滲透系數減小。鹽度變化導致水運動黏度改變是砂介質滲透系數產生鹽度效應的原因。

3.2 砂粒直徑對滲透系數鹽度效應的影響分析

為了探究鹽度對不同粒徑砂介質滲透系數的影響，利用試驗數據，將粗、中、細3種砂介質滲透系數隨鹽度的變化進行做圖比較，見圖4。由圖4可知，粗砂介質中鹽度變化對滲透系數的影響較大，中砂次之，細砂的滲透系數變化最小，所以在相同鹽度變化條件下，砂粒直徑越大，滲透系數變化的幅度越大。粗、中、細3種砂的孔隙特征不同，粗砂孔隙大、連通性好，因此鹽度效應最明顯。

4 結論

（1）在常溫、常壓條件下，地下水鹽度小于10 g/L時，鹽度變化對砂介質滲透系數的影響很小：地下水鹽度大于10 g/L時，隨著水鹽度的增大，砂介質滲透系數減小，且減小的幅度逐漸增大。

（2）地下水鹽度變化時，其運動黏度隨之改變，這是滲透系數產生鹽度效應的原因。水的運動黏度與鹽度成正比，當水的鹽度增大時，運動黏度增大，導致水流動時所受摩擦阻力增大，進而滲流速度減小，滲透系數減小。

（3）由于孔隙特征不同，粗砂介質含水層滲透系數受鹽度變化的影響大于中砂和細砂的，細砂受鹽度變化的影響最小。