馬玖辰 ，武春彬，劉雪玲，張志剛

（1.天津城建大學 能源與安全學院，天津 300384；2.天津大學 中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津 30072）

1 引 言

我國環(huán)渤海低平原區(qū)地下淺層具有豐富的咸水資源，據(jù)估算咸水資源總儲量在2 500×108m3[1]，僅天津市所在濱海平原區(qū)，淺層地下咸水分布面積達到6 922 km2，占全市總面積2/3 以上[2]。淺層咸水所在地層主要為第四系上更新統(tǒng)（Q3）以及全新統(tǒng)（Q4），以沖積三角洲相沉積及海相沉積為主，具有儲量大、分布廣、埋藏淺、易開采、補給快、抽灌便捷、封閉條件好的特點，有利于地下儲能利用。然而基于咸水層特殊的含水介質(zhì)礦物構(gòu)成與水質(zhì)特性，一旦隨意開采、盲目利用，則會造成儲能區(qū)域水文地質(zhì)環(huán)境改變，導致地下水資源的空間分布與更新演化規(guī)律都發(fā)生巨大變化[3]。

根據(jù)Dillon 對于26 個發(fā)生回灌堵塞儲能系統(tǒng)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)由懸浮物在含水介質(zhì)中絮凝、沉積引起孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而導致的表層和內(nèi)部堵塞占到50%[4]。Zamani 等[5]通過對前人的研究成果進行總結(jié)認為，懸浮顆粒運移、沉積作用會改變多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙度以及壓力梯度等參數(shù)，從而降低含水層滲透性以及抽注水井的工作效率。Ahfir等[6]針對不同的多孔介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對懸浮顆粒遷移和沉積的影響展開研究，發(fā)現(xiàn)含水層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化影響懸浮顆粒與介質(zhì)骨架之間的碰撞。Bauer 等[7]采用隨機模型研究了顆粒的宏觀遷移特性，得出滲流張量變化取決于懸浮顆粒大小以及注入點的位置。國內(nèi)學者多采用石英砂、玻璃珠等理想多孔介質(zhì)與人造懸浮顆粒為試驗材料進行物理模擬試驗，根據(jù)不同層位滲透系數(shù)的變化特征，確定含水介質(zhì)滲透系數(shù)變化的急劇下降區(qū)、緩慢下降區(qū)和穩(wěn)定不變區(qū)[8]；對懸浮顆粒在不同多孔介質(zhì)中的沉積機制進行分析，擬合滲透系數(shù)衰減模型[9]；針對不同濃度的懸浮顆粒在不同的滲流速度下，分析懸浮顆粒的濃度對遷移與沉積過程的影響，確定顆粒濃度的臨界值[10]。張我華等[11]基于孔隙率和損傷變量之間的定量關(guān)系，從連續(xù)損傷力學的角度對多孔介質(zhì)巖土材料的滲流力學特性進行了研究，提出了孔隙介質(zhì)完備有效的達西定律模型。孔令偉等[12]通過引入粒間狀態(tài)參量概念，探討砂土滲透系數(shù)的細粒效應及其與表征砂土各種狀態(tài)參數(shù)的相互關(guān)聯(lián)性。

對于含水層內(nèi)部產(chǎn)生固體顆粒造成空間結(jié)構(gòu)改變的研究則集中于在水動力與水化學作用下含水介質(zhì)中膠體的釋放、運移領域[13]。Santos 等[14]針對含水介質(zhì)物理化學條件變化引起膠體的沉積展開研究，認為沉積往往發(fā)生在離子濃度較高的部分。Subba 等[15]通過現(xiàn)場試驗得到不同滲流溶液鹽度變化率引起的含水介質(zhì)中黏粒釋放總量與釋放速率均不相同。國內(nèi)學者通過批試驗與一維砂（土）柱試驗對于含水層內(nèi)部水動力[16]與水化學條件（離子強度[17]、pH 值[18]、鈉吸附比[19]等）變化引起含水介質(zhì)中膠體顆粒的釋放、遷移過程展開研究,識別不同膠體釋放的差異性，分析釋放過程中含水介質(zhì)滲透性變異特征。

綜上所述，國內(nèi)外學者對于回灌溶液攜帶顆粒物質(zhì)以及滲流溶液化學條件改變造成含水層滲透性能變化進行了深入研究，然而針對地下含水層熱環(huán)境的變化導致含水介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)改變的研究鮮見報道。本文通過構(gòu)建三維可控滲流系統(tǒng)，以天津市濱海地區(qū)代表性水樣、砂樣為試驗材料，從介觀尺度（≤10-5m）研究回灌溶液溫度、鹽度等宏觀參數(shù)變化與咸水層中微納米顆粒分散、遷移、絮凝過程的內(nèi)在關(guān)聯(lián)；探索顆粒物質(zhì)重組所引起的含水介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)演化規(guī)律；確定在不同儲能模式下垂直于地下水流方向的低滲透帷幕的形成機制與區(qū)域。

2 試驗系統(tǒng)與材料

2.1 試驗系統(tǒng)

為確保利用有限空間有效再現(xiàn)不同儲能模式的含水介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)動態(tài)演化過程，以咸水層儲能野外試驗系統(tǒng)為原型，基于試驗模型與原型中滲流、傳熱與傳質(zhì)過程具有相似數(shù)學模型，按照相似準則，依據(jù)方程分析法原理設計、建立三維可控定水頭供液滲流系統(tǒng)[20]，試驗系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 儲能試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of energy storage experiment

砂箱主體為采用8 mm 厚的有機玻璃板粘結(jié)而成的1 200 mm×300 mm×650 mm 的長方體，選用角鋼作為加強筋，確保填充過程中不會由于承重受壓而發(fā)生變形或開裂。在砂箱填充區(qū)兩端對稱設置100 mm 長的進（出）液區(qū)，其構(gòu)造完全相同以便根據(jù)試驗要求靈活調(diào)換供、回水位置，改變滲流方向。在進（出）液區(qū)與含水介質(zhì)填充區(qū)之間分別安裝粘貼有300 目濾布的壁厚8 mm、鉆滿孔眼（φ 5 mm）的有機玻璃板，確保含水層中滲流溶液水平均勻面狀流動，同時避免填充介質(zhì)隨滲流液流失對含水介質(zhì)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。在砂箱填充區(qū)一側(cè)分別距隔板100～900 mm 之間有機玻璃板上并列鉆間隔100 mm 的采樣孔（φ 8 mm）4 排，每排間距100 mm，試驗過程中用以監(jiān)測滲流液中顆粒質(zhì)量濃度變化過程。另一側(cè)有機玻璃板上距砂箱底部150 mm與350 mm 處并列打兩排間距200 mm 的測試孔（φ 8 mm），將砂箱填充區(qū)分為6個滲流單元，測試孔分別與精度為±1 mm 的測壓管連接，測量砂箱中不同垂直高度的各滲流單元水頭變化。

為確保回灌溶液溫度滿足儲能試驗要求，選用GDH-2010 系列高精度恒溫水浴作為冷熱源設備。該恒溫水浴容積為10 L，自帶循環(huán)泵流量為6 L/min，控制溫度范圍為-20～100 ℃。由于水浴循環(huán)泵提供的流量超出試驗中砂箱所需的供液量，系統(tǒng)設置溶液回收器通過溢流管回收高出供液水頭的溶液，再經(jīng)過潛水泵輸送回恒溫水浴。砂箱裝置、溶液回收器以及連接管道外部貼有5 mm 的橡塑發(fā)泡保溫材料。

2.2 試驗材料

基于儲能試驗中采用原水回灌、原砂填充的原則，砂樣與地下咸水均采集于天津濱海新區(qū)于家堡地下埋深40 m 處的咸水層。地下咸水提取后，為確保水樣中化學成分不發(fā)生變化，在儲水容器中加入適量穩(wěn)定劑就地密封保存。咸水樣品水質(zhì)分析結(jié)果見表1，咸水樣品的pH 值為7.13，礦化度為17 569 mg/L，固形物為171 99.8 mg/L。咸水層砂樣采集后就地蠟封，采用吸管法分析砂樣的顆粒組成，顆粒級配上屬于細砂與粉細砂，重度為1.787 kN/m3；采用Dmax 12kW 粉末衍射儀對砂樣礦物種類的相對含量進行X 射線衍射分析，砂樣顆粒組成及礦物種類分析見表2。

表1 咸水水質(zhì)成分表Table 1 Water constituents in the brackish aquifer

表2 咸水層砂樣機械組成與礦物種類Table 2 Particle size distribution and mineral composition of sand samples from brackish aquifer

3 試驗方案與測試方法

首先取出蠟封的天然咸水層砂樣，干燥后過30目砂石篩去除雜質(zhì)。采用濕裝法等重度填充砂箱，含水層填充高度為450 mm，每填充30 mm 砂樣，均勻噴淋地下咸水溶液并壓實，確保每層含水介質(zhì)重度（1.78±0.1 kg/L）相同，在含水層上部裝填50 mm的黏土層與100 mm 礫石作為隔水層將含水介質(zhì)與外界隔離，同時具有一定承壓能力。采用在砂箱內(nèi)壁貼砂和加肋方法解決由于填充不均勻，邊界上的滲流速度大于含水介質(zhì)內(nèi)部流速，形成流動短路問題。圖2為未裝保溫材料的砂箱實體照片。砂箱裝填結(jié)束，以140 mm 水頭差向砂箱通入15 ℃地下咸水進行飽水，同時采用水環(huán)式真空泵通過采樣孔排氣。當流出溶液的體積和溫度值基本保持穩(wěn)定，采樣孔及測壓管內(nèi)無氣泡與固體顆粒出現(xiàn)，則認為滲流砂箱飽水完成。

針對抽-注井固定與調(diào)換運行模式開展的兩組儲能試驗均包括儲熱、間歇與儲冷3 個過程，其中儲熱試驗與儲冷試驗各歷時8 h，間隙期4 h，3 部分試驗連續(xù)進行。砂箱飽水后，首先通入溫度為60 ℃、20%地下原水和80%去離子水混合溶液開展儲熱試驗，固定模式中經(jīng)過4 h 間歇期，由原注水端回灌5 ℃、1:4 混合溶液；在調(diào)換模式中，由原出水口通入低溫混合溶液，將原入水端變?yōu)槌鏊?。試驗中進出溶液的水頭差值始終保持140 mm 不變，每10 min 采用秒表-量筒法測試砂箱流出液的流量，同時讀取各滲流單元測壓管水頭值，根據(jù)達西定律計算出不同時段各空間含水介質(zhì)滲透系數(shù)K，同時分別測試各滲流單元中滲流溶液的密度與黏滯系數(shù)，確定滲透率k。為消除兩組試驗中砂箱填充、測試階段，由系統(tǒng)、偶然與過失誤差對試驗結(jié)果所產(chǎn)生的影響，選擇與試驗前飽水穩(wěn)定狀態(tài)的初始滲透率k0的比值相對滲透率k/k0作為評價含水介質(zhì)空間結(jié)構(gòu)變化的標準。

在砂樣填充過程中預先將K型熱電偶溫度傳感器固定，所有熱電偶在安裝前均進行標定，水平斷面測點布置如圖3 所示。試驗中采用HACN1900C濁度計測量流出液以及各滲流段內(nèi)部溶液的濁度值，通過擬合的顆粒質(zhì)量濃度與濁度標準曲線確定顆粒含量，作為判定含水介質(zhì)顆粒重組與滲透性變化的依據(jù)[21]。

圖2 滲流砂箱裝置實體照片F(xiàn)ig.2 Photograph of the infiltration sand box

圖3 砂箱水平斷面溫度測點分布圖（單位：mm）Fig.3 Layout of temperature monitoring points in different horizontal sections of sand box(unit:mm)

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 孔隙結(jié)構(gòu)演化過程

在兩組同期采灌咸水層儲能試驗中，儲熱階段含水介質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與流出液微納米顆粒的質(zhì)量濃度變化趨勢相同，變化幅度基本一致；然而儲冷階段含水層滲透性能的變化規(guī)律在進出液固定模式與調(diào)換模式下呈現(xiàn)顯著差異，試驗結(jié)果如圖4 所示。在進出液固定模式中，由于高溫、低鹽度混合溶液的注入，含水介質(zhì)中微納米顆粒從孔隙壁表面分離、脫落，隨著溶液滲流方向運移。遷移過程中顆粒之間不斷碰撞，絮凝形成體積較大的黏團發(fā)生沉積，堵塞有效過水斷面，造成砂箱整體滲透率在試驗進行190 min 后降低，至儲熱過程結(jié)束下降至初始狀態(tài)的73%。伴隨含水介質(zhì)滲透性能下降，270 min時流出液中出現(xiàn)顆粒物質(zhì)，其質(zhì)量濃度達到峰值5.2 g/L 后迅速下降，儲熱試驗結(jié)束降至1.2 g/L。

間歇期內(nèi)含水介質(zhì)中顆粒物質(zhì)重新分布與孔隙結(jié)構(gòu)變化并沒有因為回灌過程的結(jié)束而終結(jié)，儲冷試驗開始后k/k0下降至70%。正向通入5 ℃低鹽度混合溶液后，在水動力作用下末端滲流單元中的部分顆粒物質(zhì)遷移出砂箱，致使儲冷試驗進行100 min后，流出液中再次出現(xiàn)顆粒物質(zhì)，當濃度最大值達到1.2 g/L 后迅速下降，120 min 后降至0 g/L。同時k/k0在出現(xiàn)小幅回升后再次出現(xiàn)下降，至試驗結(jié)束后穩(wěn)定在63%。

圖4 儲能試驗中砂箱整體相對滲透率與流出液黏粒濃度變化曲線Fig.4 Relations between relative permeability and released clay particle concentration in the energy storage experiment

抽-注井調(diào)換運行模式中，在儲熱階段砂箱k/k0降至72.8%。由于填充介質(zhì)個體差異以及試驗過程中存在的系統(tǒng)誤差，釋放的顆粒質(zhì)量濃度峰值為5.6 g/L。由原出水口通入5 ℃低鹽度混合溶液50 min后，含水介質(zhì)整體滲透性能開始緩慢下降，試驗結(jié)束時k/k0由70%下降至57%；在儲冷過程中，砂箱流出液中并沒有顆粒物質(zhì)出現(xiàn)。通過兩類模式儲能試驗，含水介質(zhì)滲透性能均無法通過儲熱、儲冷過程的交替運行恢復到初始狀態(tài)，表明地下含水層微納米顆粒分布與孔隙結(jié)構(gòu)演化過程具有不可逆性。

4.2 微納米顆粒穩(wěn)定性影響因素

采用粉末衍射儀分別對含水介質(zhì)內(nèi)部滲流溶液以及流出液中微納米顆粒進行X 射線掃描，測試結(jié)果表明，顆粒中次生黏土礦物分別占總質(zhì)量的86%、74%，各類黏土礦物相對含量如表3 所示。利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察微納米顆粒形貌特征，直徑為0.5～3 μm 的黏土礦物以及絮凝形成的黏團附著在石英、斜長石等原生礦物表面。放大掃描倍數(shù)，流出液中顆粒外貌形態(tài)基本呈橢圓片狀和類球狀（見圖5），顆粒體積較大，總比表面積較低。然而，含水層內(nèi)滲流液中顆粒形貌則為薄片狀、環(huán)狀與鱗片狀（見圖6），不僅外比表面積很大，同時還具有很大的內(nèi)比表面，使其具有很強的漲塑性與粘結(jié)性，正是由于這種結(jié)構(gòu)特征使其更加容易絮聚、沉積，并在遷移過程中被含水介質(zhì)孔喉所捕獲。

表3 黏土礦物成分表Table 3 Clay mineral species of particles

圖5 儲能試驗釋放顆粒120 000 倍電鏡圖Fig.5 Photograph of released particles magnified by scanning electron microscope by 120 000 times in the energy storage experiment

圖6 儲能試驗滲流液顆粒100 000 倍電鏡圖Fig.6 Photograph of released particles magnified by scanning electron microscope by 100 000 times in the infiltration flow in the energy storage experiment

顆粒物質(zhì)不僅具有比表面積大、吸附能力強等膠體特性，同時黏土礦物主要構(gòu)成為次生鋁硅酸鹽[22]，帶電特性源于晶格取代方式，其帶電固體表面與相鄰電解質(zhì)溶液形成雙電層結(jié)構(gòu)。根據(jù)膠體穩(wěn)定性原理，在水動力坡度恒定情況下忽略滲流剪切應力，因此，微納米顆粒之間的長程范德華引力與擴散雙電層排斥力成為粒子重新分布的力學誘導機制。以表面化學雙電層理論Gouy-Champman 模型與膠體穩(wěn)定性理論（DLVO）為基礎[23-24]，針對電鏡掃描所得顆粒形貌特征，建立片狀與球狀粒子之間總位能關(guān)系式見式（1）、（2）。

式中：VA為長程范德華吸引力位能（J）；VR為雙電層排斥力位能（J）；A為Hamaker 常數(shù)（J）；D為平面狀粒子間距離（nm）；H0為球狀黏粒間最短距離（nm）；a為黏粒粒徑（nm）；n0為滲流溶液電解質(zhì)濃度（mol/m3）；k為Boltzmann 常數(shù)（K/J）；T為含水介質(zhì)溫度（K）；κ-1為Debye 長度，表征擴散雙電層的厚度（m）；ν0為粒子表面初始電位ψ0函數(shù)。

式中：ψ0為粒子表面初始電位（mV）；zi為滲流溶液 i 離子價位；ci為滲流溶液質(zhì)量摩爾濃度（mol/kg）；ε為介電常數(shù)（F/m）；NA為阿佛加德羅常數(shù)；e為電子的電量（C）。

Hamaker 常數(shù)A 是決定長程范德華吸引力位能大小的關(guān)鍵因素。多孔介質(zhì)中顆粒的A 值稱之為有效常數(shù)A121（見式5）是由分散項A11、分散介質(zhì)A22的化學性質(zhì)以及粒子本身的物理性質(zhì)所共同決定的[25]。由于儲能過程中含水介質(zhì)礦物構(gòu)成及滲流溶液化學組分、離子價位均不變，對應的A 也保持穩(wěn)定，則顆粒之間、顆粒與含水層孔隙壁面間的長程范德華吸引力不發(fā)生變化。

在滲流溶液其他物理性質(zhì)參數(shù)不發(fā)生變化的工況下，將Debye 長度κ-1與擴散雙電層排斥力位能VR分別轉(zhuǎn)化為溫度T與溶液電解質(zhì)濃度 n0的關(guān)系式。

式中：K1、K2、K3、K4為正常數(shù)。

儲熱階段隨著高溫、低鹽度溶液的注入，含水層溫度升高，顆粒間擴散雙電層厚度增大，擴散雙電層排斥力上升。由于滲流溶液鹽度的下降，溶液中補償離子的濃度降低，顆粒表面的陽離子逐漸由固定層進入擴散層，加劇擴散雙電層厚度增加，導致受力平衡被打破，顆粒物質(zhì)從多孔介質(zhì)骨架上脫離，原本絮凝的黏團分散，最終造成含水層孔隙結(jié)構(gòu)改變。儲冷階段中，由于滲流溶液溫度降低，粒子間擴散雙電層厚度變薄，引起排斥力下降，分散、脫離的顆粒發(fā)生絮凝，致使孔隙有效過水斷面變小，滲透性能下降。

4.3 低滲透帷幕形成區(qū)域

試驗結(jié)果表明，流出溶液中顆粒變化過程以及質(zhì)量濃度可以作為判定含水介質(zhì)滲透性變化的依據(jù)，但孔隙結(jié)構(gòu)的變化程度則取決于含水介質(zhì)內(nèi)滲流溶液中的顆粒含量及礦物構(gòu)成。由于含水介質(zhì)滲透性能的變化規(guī)律具有很強的空間非均質(zhì)性特征[26]，試驗中分別測試各滲流單元沿垂直方向距底板400 mm與200 mm 上、下兩層水平斷面相對滲透率與溫度變化過程。

試驗結(jié)果如圖7 所示，兩組儲能模式下，在儲熱階段各滲流段相對滲透率以及溫度變化規(guī)律一致。以抽-注井調(diào)換模式為例，由于高溫、低鹽度溶液的密度小于咸水的密度，混合溶液回灌初期位于咸水上部，造成上層含水介質(zhì)溫度與鹽度首先變化，從而導致含水層滲透性能變化不同步。100～300 mm 段由于靠近注水端，上部含水層k/k0在試驗進行70 min 首先下降，至230 min 降至80.5%。當釋放出的微納米顆粒隨滲流溶液遷移出該區(qū)域，含水介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)再次出現(xiàn)變化，滲透性能開始回升，試驗結(jié)束時達到110%。盡管下部含水層空間結(jié)構(gòu)變化滯后，釋放的顆粒與絮凝黏團在重力作用下聚沉，使下層顆粒含量上升，在相同水動力梯度下，遷移能力減弱，滲透率降低幅度增加，儲熱試驗結(jié)束時穩(wěn)定在104%。砂箱前端釋放的顆粒在遷移過程中不斷絮凝形成遷移能力差、體積較大的黏團，堵塞過水斷面，因此，隨著與注水端距離的增加，滲透性能降幅增大。至試驗結(jié)束，700～900 mm 段上、下層含水介質(zhì)k/k0分別下降至41%、38%，并且均有繼續(xù)下降的趨勢。

滲流砂箱100～300 mm、700～900 mm 滲流單元由于距離注（出）水口比較近，間歇期間受到環(huán)境的影響，溫度均小幅下降。在抽-注井固定模式下，儲冷試驗中回灌溶液鹽度不變，因此，滲流溶液密度效應影響消失，100～300 mm 段上、下層溫度變化基本同步并且幅度一致。以上層含水介質(zhì)為例，由于靠近注水口，滲流速度較高，在水動力作用下將孔隙間殘存的顆粒物質(zhì)遷移出去，導致滲透性能出現(xiàn)再次上升，試驗進行110 min 時k/k0由109%上升至115.2%。隨著低溫溶液注入，顆粒間擴散雙電層排斥力減弱，絮凝形成體積較大的黏團，孔隙間有效橫截面積減少，滲透性能降低，截至試驗結(jié)束時穩(wěn)定在92%。

圖7 儲能試驗不同滲流單元含水介質(zhì)相對滲透率與溫度變化曲線Fig.7 Relations between relative permeability and temperature in different infiltration regions in the energy storage experiment

700～900 mm 單元含水介質(zhì)中由儲熱期所通入的高溫水被低溫回灌水與砂箱末端的低溫水環(huán)繞包圍，因此，在儲冷試驗開始后，該滲流段含水層溫度發(fā)生小幅上升后開始緩慢下降。對比儲冷試驗結(jié)束時各滲流單元滲透性能變化，700～900 mm 段上、下層含水介質(zhì)k/k0分別降至38%、34%，同時含水介質(zhì)中微納米顆粒濃度最高，上層為2.47 g/L，下層則達到2.96 g/L（見圖8(a)）。根據(jù)試驗結(jié)果可得每經(jīng)歷一次儲能過程，距抽水井較近的含水層中微納米顆粒含量就會相應增大，從而導致該區(qū)域的滲透性能進一步降低，在抽水井附近區(qū)域形成低滲透帷幕，并且具有向抽水井緩慢遷移的趨勢。

在抽-注井調(diào)換模式中，儲冷試驗進行20 min后，700～900 mm 滲流單元上、下層k/k0經(jīng)過60 min分別由40%、37%上升至58%、55%。隨著該段含水介質(zhì)溫度迅速下降而逐漸降低，截止試驗結(jié)束時分別降至44%、41%。100～300 mm 滲流單元含水介質(zhì)滲透性能隨著儲冷試驗的進行緩慢下降，下層含水介質(zhì)至試驗結(jié)束時由103%降低至93%，溫度則穩(wěn)定在40 ℃上下。試驗結(jié)果表明，500～700 mm滲流段在儲冷試驗結(jié)束時上、下層含水層k/k0降幅最大，分別降至42%、39%；與之對應，含水介質(zhì)中微納米顆粒含量最高（見圖8(b)）。由于低滲透帷幕帶形成于該區(qū)域，不僅減緩咸水層滲流溶液流動速度，同時有效減小了熱（冷）量擴散范圍。在帷幕帶兩邊以高（低）溫注水井為中心形成了高滲透性的熱（冷）溶液庫，利用地下咸水層空間結(jié)構(gòu)變化的特性，增加儲能利用效率。

圖8 儲能試驗結(jié)束時砂箱各滲流單元顆粒含量Fig.8 Particle concentration in different infiltration regions at the end of the energy storage experiment

5 結(jié) 論

（1）不同咸水層儲能模式下，回灌溶液溫度、鹽度物性參數(shù)變化是引起介觀尺度上黏土礦物表面擴散雙電層排斥力變化，導致含水介質(zhì)微納米顆粒重新分布的誘導機制。

（2）在抽-注井固定與調(diào)換模式中，經(jīng)過完整的儲能周期，砂箱整體k/k0分別降至63%、57%。盡管含水介質(zhì)物性參數(shù)變化所引起的顆粒之間分散、聚沉現(xiàn)象本質(zhì)是可逆過程，但顆粒物質(zhì)重組所造成的含水層孔隙結(jié)構(gòu)變化具有不可逆性，含水介質(zhì)滲透性能無法通過儲熱與儲冷過程交替運行恢復到初始狀態(tài)。

（3）在抽-注井固定與調(diào)換模式中，含水介質(zhì)滲透率變化在水平與垂直方向具有空間非均質(zhì)性特征，低滲透帷幕帶分別形成于700～900 mm與500～700 mm 滲流單元。該區(qū)域含水介質(zhì)滲透性能最差，微納米顆粒質(zhì)量濃度最高，空間結(jié)構(gòu)變化顯著。

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