平原区越流系统中粘土对水动力特征的影响机制

发布时间：2020-08-24 20:06

【摘要】：当今,地下淡水资源的紧缺及安全问题成为制约国民经济发展的重要影响因素。内陆平原区深层地下淡水开采量逐年增加,浅层咸水一旦越流补给至深层淡水层,则有限的深层淡水存在整体咸化的可能,使原本的淡水资源紧缺问题变得更加严峻。粘性土弱透水层作为内陆平原区越流系统中的重要组成部分,其在咸水的迁移过程中所起到的影响作用不容忽视,因此对于粘性土对水动力特征的影响机制的研究意义重大。本文以内陆平原区济阳县典型咸水区为例,以研究区不同深度的粘性土及咸水为研究对象,在查阅国内外相关文献的基础上,采用野外试验如地质调查、钻探、水位与水质分层监测与室内试验如含水介质物理性质测定、地下水离子组分测试、地下水同位素测试相结合的方法对平原区越流系统的水文地质特征、地下水水动力特征进行描述,并在此基础上,研究粘性土对地下水交替作用的影响机制;通过野外抽水试验、室内高压渗透试验等方法,探讨平原区越流系统中粘性土的水动力过程,并结合电镜扫描、孔隙定量分析、ArcGIS空间分析、数理统计、室内吸附等温试验等方法,运用越流系统、扩散双电层理论,研究粘性土的物理性质、粘土矿物对渗透系数的影响机制。为下一步开发利用内陆深层淡水及咸水的改良与利用提供理论依据。本文通过上述分析研究,得出以下结论:(1)研究区位于古河道的径流滞缓区,浅层、中层、深层地下水所处含水层的岩性分别为粉土、粘性土、砂层,~(14)C测定浅层、中层、深层地下水年龄分别为80~30、39010~36150、16247~13651a B.P.,表明粘性土层内地下水交替更新能力最差。结合野外试验将研究区浅层潜水、中层承压水、深层承压水所在含水层划分为浅层局部流动系统、中间流动系统、深层区域流动系统,不同流动系统内地下水水位动态特征存在差异性。受研究区地面坡降为1/7000~1/8000的影响,研究区水动力特征具有水力坡度较小,径流滞缓,浅层、中层、深层地下水循环交替强度较差的特点。揭示研究区地质背景影响地下水动力特征的形成。(2)高压渗透试验及粘性土扫描电镜特征分析表明,含水介质的孔隙度对渗透性具有明显影响。在越流过程中,粘性土内的细颗粒随渗流液运移、絮凝、沉淀、重新排列,使粘性土表面的粒团及团聚体结构逐渐变大,其排列更为密实,孔隙体积与颗粒体积的比值降低20%,进而导致粘性土的渗透系数呈减小的趋势。(3)高压渗透试验中的渗出液的水化学成分测试结果表明,粘性土的渗透系数受粘土矿物的交换吸附作用影响。在越流过程中,地下水中水化能力较强Na~+逐渐置换粘性土孔隙里原有的Ca~(2+),使粘性土颗粒周围的扩散层及水化膜逐渐变厚,粘性土孔隙度变小,进而导致粘性土的渗透系数呈下降趋势;室内吸附等温试验,当地下水流经不同深度粘性土时,粘性土深度48~48.2m、51~51.2m、71~71.2m、112~112.2m处渗透系数下降程度较深度6~6.2m、84~84.2m、97~97.2m、102~102.2m处渗透系数的下降程度大。(4)野外地下水水质监测表明,粉质粘土与粘土的阻隔或阻滞盐分穿透导致了电导率的突变,宏观上证明了垂向地下水水质的分带性受粘性土的阻滞作用控制。深度49m处地下水的电导率发生突变,其值达到最大,这使粘性土表面形成浓差极化层,进一步削弱地下水的径流条件,导致了深度49m处粘性土的渗透系数值较49m以浅粘性土的渗透系数低。(5)高压渗透试验及粘性土阻滞系数计算说明,粘性土的阻滞作用影响水化学类型的分带性。高压渗透试验过程中,供试水样中Na~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)分别在流经深度42、112m和97m原状土柱时,运移曲线首先呈“反S”型或“S”型,主要受弥散和对流作用的影响,然后呈上升趋势后稳定于某一浓度,且试验结束时渗出液中Na~+(Ca~(2+)、Mg~(2+))的浓度/供试水样中Na~+(Ca~(2+)、Mg~(2+))的浓度值均大于1,揭示粘性土柱对供试水样中的Na~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)的阻滞作用显著;根据阻滞系数的定量计算并分析,揭示在粘性土阻滞作用的控制下,粘性土深度6~6.2、84~84.2、97~97.2、102~102.2m的渗透系数主要受粘性土对Mg~(2+)的阻滞作用影响,粘性土深度自48~48.2、51~51.2、71~71.2、112~112.2m的渗透系数主要受粘性土对Na~+的阻滞作用影响。(6)高压渗透试验表明,深度42~42.2、81~81.2、95.2~95.4、118.8~119m处的厚度为150mm的粘性土分别在0.75、2.25、14.25、18.3m的水位差作用下,出现越流;深度95.2~95.4、118.8~119m处的厚度为150mm的粘性土的起始水头值分别为22.2、24.45m,揭示地下水径流滞缓,在较大的水力坡度驱动下,地下水发生越流。(7)高压渗透试验表明,在一定压力作用下,含水介质的渗透性整体首先呈下降趋势,再维持相对稳定。随压力的梯度增大,含水介质的渗透性整体呈梯度增加。地下水渗透过程中,主要受阳离子交换作用、渗流液的粘滞性、颗粒释放及膨胀、地下水温度的影响,不同阶段其影响因素存在差异。综上,内陆平原区水动力特征变化主要受地形、气象、沉积环境、水文地球化学作用、含水介质的性质、水力坡度等的影响。
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P641
【图文】：

动态特征,地下水位,标高,交替运动

深层（2）图2.2 全球大气降水、研究区大气降水、黄河水及各含水层内地下水的氢氧同位素关系图研究区地下水运动方向总体是西南~北东（图2.3），与地形坡向一致，平均水力坡度0.17‰左右，水平径流缓慢。本区地下水运动垂直交替运动大于水平运动。潜水蒸发和人工开采是地下水排泄的主要途径。图 2.3 区域水文地质图2.3.2.2 地下水水位动态特征根据研究区观测孔年观测曲线（2016~2017）（图2.4），地下水水位动态特征为：（1）浅层（底板埋深12m）地下水位标高20.51~21.51m，目前最大水位变幅为1m，最高水位出现在2017年3月19日，地下水位标高为21.51m，最低水位出现在2017年7月8日

咸水区,流网,咸水

水力坡度约0.17‰，局部水力坡度0.011，径流滞缓。天然状态下，中层咸水垂向交换作用较弱，性质稳定、开发程度及利用率低，地下水水头高，易在地势较低的河间地带向上运移，浅层地下水与其混合形成浅层孤立的咸水体，空间上咸淡水相间分布（图2.5）。中层咸水地下水年龄为39~36kaB.P.，处于间冰期向冰期的转变时期[53]，气候的温暖干燥使地下水强烈蒸发浓缩，矿化度的升高形成中层承压咸水；中层咸水水位稳定在18~18.5m，中层咸水与潜水水头差较小，上世纪70年代深层承压水水位约24m，深层承压水水位由于过度开采以0.1~0.5m/a速率下降，降至12.9~13.3m。受重力势能影响，地势较高的地下水在重力势能驱动作用下向地势较低的河间地带运动

监测点分布,滤水管,粉质粘性土,岩性

综合考虑野外实际水文地质条件和场地限制，为研究咸水在垂向上地下水水化学特征和含水介质渗透性的动态变化特征，在内陆平原咸水区选取济阳县孙耿镇王兴村为典型地段，在65m×45m范围内，布置钻孔4眼作为水位、水质长测孔（图3.1），钻孔编号依次为1#、2#、3#、4#，其中4#为已有钻孔，水文地质钻孔1#、2#、3#、4#滤水管下置深度分别为8~12、79~94、98~107.9、27~49.2m，水文地质钻孔1#滤水管下置深度处岩性为粉土、粉质粘性土夹粉土，水文地质钻孔2#滤水管下置深度处岩性为粉质粘性土、粘性土，水文地质钻孔3#滤水管下置深度处岩性为粉砂、细砂、中砂为主，水文地质钻孔4#滤水管下置深度处岩性为粉质粘性土、粉土、粉砂

【参考文献】