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        淡水垂向回注修復(fù)地下成水試驗(yàn)研究

        2018-09-10 06:53:35張博然周志芳郭巧娜朱書梅
        人民黃河 2018年7期
        關(guān)鍵詞:咸水出水口淡水

        張博然 周志芳 郭巧娜 朱書梅

        摘要:采用一維垂向模型連續(xù)注水試驗(yàn),在不同注水方向、不同注水速率條件下模擬淡水垂向回注修復(fù)地下咸水。在試驗(yàn)?zāi)M基礎(chǔ)上建立一維變密度水流運(yùn)動和溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型,通過數(shù)值模擬分析變密度流體垂直異向流動規(guī)律,并探討了最有效的咸水淡化模式,結(jié)果表明:在相同注水速率條件下,順重力方向注水修復(fù)地下咸水體相較于逆重力方向來說試驗(yàn)用時短,用水總量小,是一種更為有效的修復(fù)方法;隨著注水速率的減小,修復(fù)所用時間大幅增加,總用水量減小,但注水速率較小時分子擴(kuò)散作用的影響不可忽略。

        關(guān)鍵詞:地下咸水修復(fù);變密度;注水速率;注水方向

        中圖分類號:X523

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        doi: 10. 3969/j.issn.1000-1379.2018.07.016

        20世紀(jì)80年代以來,山東省萊州灣地下水過度開采造成了嚴(yán)重的海水人侵問題,海水入侵面積達(dá)到970km^2,導(dǎo)致地下水環(huán)境嚴(yán)重惡化和生態(tài)系統(tǒng)失衡 。為阻止海水入侵,青島市政府于1998年修建了一道長4km、深20m的地下混凝土防滲墻,阻止咸水進(jìn)一步入侵,取得了較好效果,但在防滲墻內(nèi)側(cè)仍滯留有15.67km^2的地下咸水體,嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活用水,急需采取進(jìn)一步的處理措施 。

        針對地下滯留咸水體的治理問題,注水驅(qū)除咸水是一種行之有效的方法,在國內(nèi)外得到了廣泛研究和實(shí)踐。室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬是研究咸水修復(fù)最常用的方法。目前,地下滯留咸水修復(fù)試驗(yàn)主要是在水平方向上注入淡水驅(qū)替咸水。淡水與咸水密度不同,存在天然的重力分異,在豎直方向上,考慮變密度流體的影響,順重力方向和逆重力方向注水修復(fù)效果可能存在差異。筆者采用室內(nèi)一維垂向模型連續(xù)注水試驗(yàn),模擬變密度流體垂直異向流動,在試驗(yàn)?zāi)M的基礎(chǔ)上建立一維變密度水流運(yùn)動和溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型,通過數(shù)值模擬進(jìn)一步分析變密度流體垂直異向流動規(guī)律,并探討最有效的咸水淡化模式,以期為淡水垂向回注修復(fù)咸水體提供依據(jù)。

        1試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

        1.1試驗(yàn)裝置

        為探討淡水垂向修復(fù)地下咸水體的可行性與修復(fù)效率,建立一維垂向模型對地下咸水體進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M研究。試驗(yàn)?zāi)P徒M成見圖1。模型主體為有機(jī)玻璃空心圓柱(外徑7cm、內(nèi)徑5cm、高120cm),兩端由橡皮塞封閉,確保試驗(yàn)的氣密性,并用針頭刺穿上下橡皮塞,作為進(jìn)水口與出水口。圓柱內(nèi)部是含水介質(zhì)填充區(qū),選用標(biāo)準(zhǔn)砂填充形成含水的試驗(yàn)砂柱。砂柱的頂?shù)捉孛媸褂脝螌油凉げ級|層,以保證面狀進(jìn)水的同時砂粒不會堵塞進(jìn)出水口。在有機(jī)玻璃圓柱的側(cè)壁每隔30cm設(shè)置可控制開閉的監(jiān)測孔A、B、C,用來監(jiān)測模型內(nèi)流體濃度場的變化。供水裝置由蠕動泵控制,可定流量向試驗(yàn)砂柱內(nèi)注入淡水。

        1.2試驗(yàn)材料

        所選取的標(biāo)準(zhǔn)砂符合《中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂》(GSB08-1337-2017)要求,粒徑為2~3mm,滲透系數(shù)經(jīng)常水頭滲透儀測定為2.2xl0-4m/s。淡水采用實(shí)驗(yàn)室制成的去離子水,去離子水濃度為0g/L,密度為1000kg/m^3,電導(dǎo)率為0mS/cm。咸水由去離子水與氯化鈉(分析純)配置而成,咸水濃度為9.0g/L,密度為1010kg/m^3,電導(dǎo)率為I5.13 mS/cm。

        1.3試驗(yàn)步驟

        試驗(yàn)通過向高密度飽和咸水試驗(yàn)砂柱中注入確定流量的低密度淡水來模擬地下咸水垂向修復(fù)過程,重點(diǎn)探討豎直不同方向注入淡水情況下,試驗(yàn)砂柱中變密度流體流動和溶質(zhì)運(yùn)移的差異,分析注水方向與注水速率對地下咸水修復(fù)效率的影響。

        步驟一:通過配置不同濃度氯化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液并測定其補(bǔ)償電導(dǎo)率(即該濃度溶液在25℃下的電導(dǎo)率),得到溶液電導(dǎo)率隨Cl-濃度變化的標(biāo)準(zhǔn)曲線,采用最小二乘法得到Cl-濃度與電導(dǎo)率的線性關(guān)系式:

        y=1.68x+351.2式中:y為溶液電導(dǎo)率,mS/cm,x為Cl-濃度,g/L。

        步驟二:關(guān)閉出水口與監(jiān)測孔,墊好土工布,驗(yàn)證裝置氣密性。如有未密封部位,采用702硅橡膠黏合封閉。

        步驟三:在有機(jī)玻璃圓柱中充人濃度為9g/L的NaCl溶液,每次液面高度不超過5cm,隨后緩緩倒人砂樣并不斷攪拌,使砂樣分布均勻同時排出孔隙中的氣泡。每次填砂至液面高度時,停止填砂,通過敲擊外壁施加應(yīng)力促進(jìn)砂層沉降。當(dāng)砂柱5min內(nèi)沉降小于1mm時,繼續(xù)充人咸水與砂樣,重復(fù)上述過程。當(dāng)砂柱高度接近出水口時,蓋上土工布并封閉模型。

        步驟四:靜置模型,使模型內(nèi)砂層不再沉降(砂柱1 h內(nèi)沉降小于1mm)且水頭趨于穩(wěn)定(1h內(nèi)測壓管中水頭變化小于5mm)。

        步驟五:將出水口水頭穩(wěn)定在1.2m后,同時打開進(jìn)出水口,通過蠕動泵按照預(yù)定的注水速率向模型內(nèi)定流量注入淡水,對模型進(jìn)行連續(xù)注水試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中每隔2~30min在監(jiān)測孔和出水孔處取得水樣,并通過水樣觀察模型內(nèi)電導(dǎo)率變化情況,具體取樣時間根據(jù)注水速率確定,但要確保每個觀測點(diǎn)的濃度下降曲線上有3個或3個以上有效數(shù)據(jù)。當(dāng)出水口的水樣濃度連續(xù)3次達(dá)到1g/L以下時,視作修復(fù)完成,此時單次試驗(yàn)完成。

        步驟六:每次試驗(yàn)結(jié)束后,將模型中的水排空,并且用自來水反復(fù)沖洗。變換試驗(yàn)條件,重復(fù)上述步驟進(jìn)行下一次試驗(yàn)。

        2試驗(yàn)與數(shù)值模擬對比分析

        2.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

        不同注水方向和注水速率條件下,Cl-濃度隨時間變化的穿透曲線見圖2、圖3,可以看出,淡水從不同方向以不同速率注入地下咸水體的過程中,各監(jiān)測孔和出水口Cl-濃度變化趨勢相似,即在試驗(yàn)開始的一段時間內(nèi)各點(diǎn)濃度沒有太大變化,隨著淡水的不斷注入,各監(jiān)測孔和出水口Cl-濃度從進(jìn)水口向出水口方向依次降低,最后趨近于0,其變化趨勢符合穿透曲線的濃度下降過程。這表明垂向注水時,淡水整體推進(jìn)并驅(qū)除咸水,咸淡水之間存在一個過渡帶,且過渡帶的寬度和修復(fù)用時成正比。觀察各點(diǎn)的濃度變化過程可以發(fā)現(xiàn),Cl-濃度變化遵循先快后慢的規(guī)律,即下降曲線前半段斜率較大,當(dāng)濃度下降到1g/L左有時,濃度變化速度減小,曲線斜率逐漸減小。當(dāng)改變注水方向和注水速率時,各對比試驗(yàn)的穿透曲線有所不同,需要進(jìn)一步分析。

        2.1.1單次試驗(yàn)分析

        (1)順重力方向。由圖2(b)可以看出,當(dāng)注水速率為5mL/min時,從進(jìn)水口向出水口方向上各點(diǎn)Cl-濃度分別在2700、5400、9000、11700s開始下降,在4500、8100、12600、15300s到達(dá)1g/L的修復(fù)標(biāo)準(zhǔn),修復(fù)用時分別為1800、2700、3600、3600s。即各監(jiān)測孔的修復(fù)用時依次增加,在出水口處達(dá)到穩(wěn)定,說明在順重力方向注水修復(fù)地下咸水體的試驗(yàn)過程中,隨著淡水的不斷推進(jìn),咸淡水之間的過渡帶逐漸變寬并趨于穩(wěn)定。

        (2)逆重力方向。由圖3(b)可以看出,當(dāng)注水速率為5mL/min時,從進(jìn)水口向出水口方向上各點(diǎn)Cl-濃度分別從1800、4500、6300、8100 s開始下降,在6300、9900、13500、18900s到達(dá)1g/L的修復(fù)標(biāo)準(zhǔn),修復(fù)用時分別為4500、5400、7200、10800s。表明在逆重力方向注水修復(fù)地下咸水體的試驗(yàn)過程中,隨著淡水的不斷推進(jìn),咸淡水之間的過渡帶逐漸變寬,且變化幅度不斷增大。

        (3)不同注水方向?qū)Ρ取Ρ葓D2(b)與圖3(b)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)逆重力方向注水時,沿注水方向各觀測點(diǎn)和出水口濃度開始變化的時間較順重力方向提前900~3600s,修復(fù)完成時間較順重力方向延后900~3600s。順重力方向注水時各點(diǎn)修復(fù)用時為1800~3600s,相對于整個試驗(yàn)時長來說并無太大變化;逆重力方向注水時,沿注水方向各點(diǎn)修復(fù)用時隨著淡水的推移不斷增加,為4500~10800s,是順重力方向的2~3倍。這說明在相同注水速率條件下,順重力方向注水相較于逆重力方向注水修復(fù)用時短,是一種更為有效的修復(fù)方法。

        2.1.2 注水速率對修復(fù)過程的影響

        (1)順重力方向。由圖2可以看出,在注水速率為2、5、8、10、20、40mL/min時,對應(yīng)的試驗(yàn)時長為41400、15900、9600、7800、3300、1680s。即注水速率越小,試驗(yàn)用時越長。由于砂柱中鹽分的修復(fù)主要是靠水動力驅(qū)使的,當(dāng)注水速率小時,實(shí)際流速小,水動力驅(qū)使的咸水運(yùn)動慢,因此試驗(yàn)總用時長。

        (2)逆重力方向。由圖3可以看出,在注水速率為2、5、8、10、20、40 mL/min時,對應(yīng)的試驗(yàn)時長為46800、19800、10200、8400、3600、2040s。說明逆重力方向注水時,試驗(yàn)用時同樣隨注水速率的減小而延長。

        (3)不同注水方向?qū)Ρ?。不同注水方向條件下,不同注水速率對咸水修復(fù)造成的影響不同。當(dāng)注水速率較大時,兩個方向試驗(yàn)用時區(qū)別不大,隨著注水速率的減小,試驗(yàn)用時差異逐漸增大,在注水速率為2mL/min時,試驗(yàn)用時差異最大。即逆重力方向注水試驗(yàn)用時相較于順重力方向普遍較長,且隨著注水速率的減小,二者之間的差異越來越明顯。

        2.2參數(shù)擬合分析與檢驗(yàn)

        為排除試驗(yàn)誤差對試驗(yàn)結(jié)果的影響,驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的精確度,對各分組試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)擬合,并選取平均值作為模型代表參數(shù)進(jìn)行淡水垂向回注修復(fù)地下咸水效率計算。

        模型參數(shù)包括滲透系數(shù)K、貯水率Ss、有效孔隙度ne和彌散度αo其中:K由常水頭滲透儀測得,為2.2x10-4m/s;Ss結(jié)合馬建良等數(shù)值計算經(jīng)驗(yàn)為不敏感系數(shù),故參考經(jīng)驗(yàn)值取10-6/m。通過對試驗(yàn)期間出水口Cl-濃度觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,在給定模型初始條件、邊界條件的基礎(chǔ)上,通過PEST參數(shù)擬合程序調(diào)整彌散度、有效孔隙度兩個參數(shù)。經(jīng)識別、校驗(yàn),試驗(yàn)參數(shù)見表1。將參數(shù)代人模型進(jìn)行計算,結(jié)果見圖2、圖3。擬合結(jié)果顯示,標(biāo)準(zhǔn)差在0.5g/L以下的試驗(yàn)占比為25%,標(biāo)準(zhǔn)差為0.5~1.0g/L的試驗(yàn)占比為58%,標(biāo)準(zhǔn)差大于1.0g/L的試驗(yàn)占比為17%,標(biāo)準(zhǔn)差最大不超過1.5g/L,表明模型能夠較好反映試驗(yàn)過程中溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律,優(yōu)化所得的參數(shù)是可靠的。

        可以發(fā)現(xiàn)在注水速率較小時,模型擬合彌散度偏大。當(dāng)注水速率大于5mL/min時,變密度作用對流體的影響較小,不同注水方向擬合彌散度接近。當(dāng)注水速率小于5mL/min時,順重力方向注水條件下,淡水白上而下注入,密度較大的咸水阻礙了淡水的流動,使得水動力彌散作用相對較弱;逆重力方向注水時,淡水白下而上注人,較重的咸水位于較輕的咸水之上,此時咸水對淡水的流動有促進(jìn)作用,加劇了過渡帶處的水動力彌散作用,使得擬合彌散度偏大。根據(jù)Klotz等的研究,當(dāng)流速較小時,機(jī)械彌散作用減弱,分子擴(kuò)散作用明顯,這樣會使彌散度的擬合值變大。

        3成水淡化優(yōu)化模式

        為探究注水速率和注水時長對咸水淡化的影響,尋找咸水淡化效率最高的修復(fù)方法,選取試驗(yàn)?zāi)P偷挠嘘P(guān)參數(shù)進(jìn)行模型計算,通過改變注水速率,計算不同注水速率時修復(fù)咸水體所用時長和水量,并以此進(jìn)行咸水淡化的效率分析。

        將注水速率較大時的彌散度與有效孔隙度的平均值作為模型的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)計算抽水效率。其中:d算術(shù)平均值為0.77cm,方差為0.05;ne算術(shù)平均值為0.46,方差為0.02。為驗(yàn)證模型標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的可靠性,取標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行計算并與觀測值對比,誤差見表2。

        由表2可以看出,將參數(shù)的算術(shù)平均值作為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行模型計算所得結(jié)果與觀測值擬合較好,大部分標(biāo)準(zhǔn)差在1.5g/L以下,最大標(biāo)準(zhǔn)差不超過2.0g/L。因此可以將參數(shù)的算術(shù)平均值作為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行模型計算。

        采用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行不同注水速率條件下的計算,結(jié)果見圖4。從圖4可以看出,當(dāng)僅考慮機(jī)械彌散作用時,從用水量方面考慮,隨著注水速率的增大,修復(fù)地下咸水體所用的總用水量增加,且在注水速率較小時變化幅度較大。原因是,隨著注水速率的增大,水動力作用引發(fā)的機(jī)械彌散作用增強(qiáng),促進(jìn)了咸淡水混溶。從時間方面考慮,隨著注水速率的增大,淡水推進(jìn)的速率隨之提高,修復(fù)所用時間大幅縮短。但當(dāng)注水速率較小時,分子擴(kuò)散作用相對突出,不可忽略,彌散度的取值受尺度效應(yīng)的影響。因此在實(shí)際運(yùn)用中,考慮工期和研究區(qū)規(guī)模的情況下,選擇合適的注水速率可以在降低機(jī)械彌散作用的同時削弱分子擴(kuò)散作用的影響,使咸水淡化修復(fù)效率最高。

        4結(jié)論

        淡水回注含水層是一種行之有效的咸水體修復(fù)方法,淡水在垂向回注的過程中以整體的形式向咸水推進(jìn)。在相同注水速率條件下,順重力方向注水修復(fù)地下咸水體相較于逆重力方向來說試驗(yàn)用時短,用水總量小,是一種更為有效的修復(fù)方法。通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬可知,隨著注水速率的減小,修復(fù)所用時間大幅增加,總用水量減小,但注水速率較小時分子擴(kuò)散作用的影響不可忽略。因此在工程應(yīng)用中應(yīng)在考慮工期和研究區(qū)規(guī)模的條件下,選擇合適的注水速率,提高修復(fù)效率,降低成本。

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