【摘 要】
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粘性土层作为弱透水层,是平原区地下水系统的重要组成部分,也是地下水资源的保护屏障。有研究表明,粘性土层具有类似半透膜的性质,可以截留地下水中的盐分,阻滞咸水盐分的运移。但对粘性土层阻滞盐分运移能力的评价和研究还不够完善,对盐分在粘性土层中的运移过程及粘性土层对盐分的阻滞作用形式、影响因素的研究还有待深入。因此论文结合沧州地区咸水越流的实际问题,通过地质钻探采集第四系扰动土样和原状粘性土样,开展室内
【基金项目】
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中国地质调查局“京津冀重点地区地面沉降地裂缝调查及地质环境监测”项目（No.20160235）； 国家自然科学基金（No.41641022）；
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粘性土层作为弱透水层,是平原区地下水系统的重要组成部分,也是地下水资源的保护屏障。有研究表明,粘性土层具有类似半透膜的性质,可以截留地下水中的盐分,阻滞咸水盐分的运移。但对粘性土层阻滞盐分运移能力的评价和研究还不够完善,对盐分在粘性土层中的运移过程及粘性土层对盐分的阻滞作用形式、影响因素的研究还有待深入。因此论文结合沧州地区咸水越流的实际问题,通过地质钻探采集第四系扰动土样和原状粘性土样,开展室内浸泡试验和粘性土层的阻盐试验研究,分析沧州地区第四系地下咸水的垂向分布和越流现状,讨论咸水下移的水化学影响;分析咸水经粘性土层的越流过程,研究粘性土层对咸水盐分的阻滞作用形式,评价粘性土的阻盐能力;利用PHREEQC软件开展咸水越流过程的数值模拟研究,讨论不同因素对粘性土层阻盐效应的影响。论文研究主要获得了以下几方面认识:（1）通过钻探勘察、岩芯取样和对第四系扰动土样的试验分析与检测,分析了沧州地区第四系地下含水层组的垂向分布与结构特征和第四系含水层组的岩性、矿物组成和水化学性质的垂向变化。基于对长期稳定地下水系统中水-岩作用相平衡的认识,通过分析不同深度岩土样品的水化学性质特征,反推了含水层垂向结构中的水化学演变。结果表明:沧州地区咸水分布和下移的范围在0-115 m;受咸水分布和下移的影响,第四系含水层组水化学环境由上至下按照SO4.Cl型→HCO3·SO4·Cl型→HCO3·SO4型→HCO3·Cl型→HCO3型的顺序逐步转变;咸水下移使含水介质对Na+、Cl-的吸附和地下水与含水介质间Na+与Ca2+、Mg2+的交换量增加,地下水中方解石、白云岩和石膏等碳酸盐和硫酸盐矿物的溶解-沉淀平衡向沉淀方向偏移。含水介质与地下水间水-岩作用的转变增加了咸水下移过程中盐分离子的损耗,阻滞了咸水盐分的下移。（2）对原状粘性土层中咸水越流过程的试验模拟结果表明:经咸水的高压入渗越流,试验粘性土样的平均颗粒粒径减小、比表面积增加,易溶盐组分中Na+、Cl-含量增加,Ca2+、Mg2+、HCO3-和SO42-含量降低;随咸水入渗时间的增加,渗滤液中Na+、Cl-含量增加,Ca2+、Mg2+含量降低,水化学类型自HCO3·Cl-Na·Mg和HCO3·SO4·Cl-Na·Mg向Cl-Na·Mg型和Cl-Na型转变,粘性土层两端溶质浓度差异产生的化学渗透压力逐渐减小,对咸水中Na+的吸附减缓,咸水中Na+与粘性土层中Ca2+和Mg2+间的阳离子交换作用逐渐减弱,不同矿物的溶解与沉淀反应均逐渐向溶解方向偏移。咸水与粘性土层间各种水-岩相互作用的变化促使粘性土层对咸水盐分的阻滞减少,粘性土层的阻盐系数η降低。在长时间、大量咸水的越流作用下,虽然粘性土层仍对部分离子（Na+）的运移有所阻滞,但可能已不再具备广义上的“阻盐”能力。但由于粘性土层颗粒平均粒径减小、比表面积增加,渗透性逐渐减弱,粘性土层的膜效率系数σ升高,膜性能增强。（3）利用PHREEQC软件对Y3和Y5高压反渗透试验中咸水越流过程的模拟结果与试验实测结果基本一致,模拟结果与试验结果的拟合度分别达到了 0.96和0.97。不同参数对咸水越流过程中粘性土层阻盐效应影响的模拟结果表明,渗透性是影响粘性土层阻盐能力最为关键的参数,粘性土层厚度对粘性土层阻盐能力的影响仅在咸水入渗的最初阶段明显,入渗咸水溶质浓度对粘性土层阻盐能力的影响则会随咸水渗流时间的增加而变强。同时,粘性土层对咸水溶质离子的吸附和阳离子交换作用对其阻盐能力的影响则会随咸水渗流时间的增加而缓慢减弱。本文主要从水文地球化学角度研究和探讨了粘性土层在咸水越流过程中对咸水盐分的阻滞作用形式和影响因素,相关研究成果可有效地填补国内原状粘性土层阻盐过程与机制试验研究方面的数据不足,为水资源开发利用与保护和咸水的改良与利用提供科学依据,对废弃物填埋和污染场地等场景中粘性土屏障的设计与评价工作提供理论基础,具有较好的理论意义和实际应用价值。
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