咸水通过黏性土层的弥散作用试验研究

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摘要：华北平原东部浅层咸水与深层淡水构成“上咸下淡”的区域性水质结构。相关调查研究表明，浅层咸水越流补给深层淡水的过程并未使得深层水矿化度显著提高。为研究黏性土层是否能截留水中盐分，通过渗透试验计算分析了咸水通过黏性土层时的弥散作用。结果表明：（1）黏性土可有效截留咸水中的大部分盐分，证实了前人提出的华北平原东部深层弱透水层滤盐现象的存在；（2）黏性土截留盐分的能力随渗透系数和弥散度的减小而增大。据推测，黏性土滤盐的原因可能是咸水中Na+被土壤胶体颗粒吸附或与土壤胶体吸附的一些组分发生了阳离子交换作用。

关键词：渗透试验；弥散作用；咸水淡化

中图分类号：P641.1 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2014）01-0101-04

由于地表水资源匮乏，华北平原东部地区用水以开采深层地下水为主。该区地下水水质结构为浅层咸水与深层淡水构成的“上咸下淡”结构，含水层之间多为钙化亚黏土[1]。浅层淡水与深层咸水之间水位差随着长期超量开采逐渐增大，深层地下淡水已经由顶托排泄转变为接受上层咸水越流补给[2]。

早在20世纪60年代Berry[6]就基于地下盐卤水成因分析提出了膜过滤的说法。Bredehoeft等[7]通过基于页岩“过滤”能力的理论模型来解释盆地中的盐卤水浓度。综合已有研究[8-14]得出影响黏土对盐分过滤特性的影响因素包括土的结构构造、粒度成分、矿物成分、黏土中的Ca/Na比、土壤中的压力状态以及孔隙水中溶质的类型和浓度，但滤盐的具体机理还有待研究。

本文通过咸水渗透试验研究咸水流过黏性土层时盐分的滤过特征，验证弱透水层滤盐现象是否存在，初步分析控制弱透水层滤盐作用的主要机理，研究成果可为华北平原深层地下水资源开发和保护提供重要依据。

1 试验设备与方案

1.1 试验设备与材料

本试验使用TST-55型渗透仪装填原状土或扰动土进行咸水渗透试验（图1），图中变水头管用来记录水头的变化。装填的试验土柱高4 cm，直径为6.18 cm，断面30 cm2。采用扰动土柱和原状土柱做了两组渗透试验。

4 结论与建议

（1）亦庄扰动土样的渗透系数和弥散度均较曹妃甸原状土样所得相应值偏小，而其截留盐分的比值较大，说明渗透

系数和弥散系数越小的土样对盐分的截留能力越强。

（2）两组渗透试验经过了较长时间的运行，可认为试验土柱对盐分有较大的截留容量。推断其原因是NaCl溶液中的Na+被土壤颗粒吸附或与土壤吸附的一些组分发生阳离子交换作用。

（3）本试验所用土样对水中的盐分的截留作用解释了前人所提出的现象，即在华北平原区域上虽然存在浅层咸水向深层淡水的越流，但由于弱透水层对盐分的阻截作用，深层淡水的矿化度却并未提高。这对深层水资源开发与保护有重要意义。

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