（环境工程专业论文）多孔介质中胶体行为及其影响效应研究.pdf

r _ - - 。1 。 l l u l l l li i1 1 1 l li i i ii ii l lilll t jy 18 3 0 5 5 5 + 多子l 介质中胶体行为及其影晌效应研究 舻 徽o ，y 】争秽例 多1谰 挂倩主， 结波 临协侯 级毒q 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签字： 签字日期：年月日签字日期：月1 ) 日 多孔介质中胶体行为及其影响效应研究 摘要 随着经济的发展和人口的增加，滨海地区水资源日益紧缺。由于地下水的过 量开采，导致海水入侵现象日趋严重。目前，对于海水入侵的修复方法主要是人 工回灌含水层。但在回灌过程中，由于水文地球化学和水动力学的扰动，会引起 咸一淡水界面和水一气界面的胶体颗粒释放、絮凝、迁移一沉积等一系列过程。这 一系列胶体过程，会导致含水层结构的破坏和渗透性的突变，进而降低含水层修 复效率。本文在系统分析、测定研究区( 青岛大沽河下游) 含水介质、胶体、水 样的物理化学性质的基础上，通过室内批量试验、砂柱试验、显微镜切片试验、 微型玻璃柱等方法，从微观和宏观尺度上对咸一淡水界面和水一气界面上的胶体过 程及其影响效应进行了研究。 通过批量和砂柱试验对咸淡水界面在咸一淡水界面胶体过程及其影响效应进 行了定量研究。研究发现，( 1 ) 通过批量和砂柱试验证实粘土颗粒的临界释放浓 度( c s c ) 和临界絮凝浓度( c f c ) 存在明显差异，临界絮凝浓度低于临界盐浓 度。试验确定了粘土颗粒对于n a c l 溶液和海水河水混合溶液的临界盐浓度分 别为6 0 m m o l l 和6 8 0 0 t t s c m ，临界絮凝浓度分别为4 0 m m o l l 和4 8 0 0 p s c m 。释 放出来的颗粒的絮凝对渗透性降低具有显著作用0 ：毛2 盐浓度突变和渐变试验结 果显示，1 盐浓度突变试验中渗透性的降低幅度比盐浓度渐变试验时要大。盐浓度 一r ，：一。o 一 。j 一一 突变过程中大量被释放的颗粒引起的孔隙阻塞、中断是渗透性降低的主要原因。 而盐度渐变过程中颗粒是逐步释放的，颗粒浓度较低，堵塞孔隙的可能性降低， 孔隙堵塞作用对渗透性的影响比突变试验要小。因此，除了堵塞作用以外，粘粒 的膨胀和被释放粘粒的絮凝、沉积对渗透性降低的作用显得更加重要。( 3 ) 通过 定水头试验和定流速试验发现，定水头试验中渗透性的降低程度比定流速条件时 渗透性的降低程度大，颗粒的累计流出量分别为1 3 8 r a g 和2 3 6 m g 。在本试验条 件下，粘土颗粒的运移速度均处于稳流态，佩克列数( p e ) 比较大。根据颗粒佩 克列数与无量纲的堵塞参数丫之间的回归方程分析可以发现，在本试验条件下， 颗粒的堵塞现象比较轻。沉积颗粒引起的水动力阻力很小，水动力阻力主要是多 孔介质造成的。 通过显微镜切片和微型玻璃柱试验，利用激光共聚焦扫描电镜和i m a g e j 软 件计算对水一气界面上胶体颗粒释放进行了定量研究。( 1 ) 胶体颗粒在水一气界面 上存在明显的释放。绝大部分的颗粒释放都发生在第一次界面移动过程中。疏水 胶体比亲水胶体更易被水气界面所吸附，因此更易释放。对于疏水胶体来说， 不论带正电还是带负电的胶体，颗粒的释放率都比较高，且差别不大；而亲水的 胶体颗粒，带负电胶体颗粒的释放率明显高于带正电的胶体颗粒。( 2 ) 胶体颗粒 的释放率随着界面移动速度的加快而降低。在相同流速下，带负电胶体颗粒释放 率更高，带正电胶体的释放对水一气界面的移动速度更敏感。在本试验条件下， 水气界面移动速度较低( o 4 4 0 0 c m h ) ，胶体颗粒的释放率均比较高，胶体颗粒 的释放与界面移动速度成非线性关系。( 3 ) 前进接触角和后退接触角对于胶体颗 粒在水一气界面上释放的影响存在明显差异。从激光共聚焦扫描电镜图像中看出， 在界面移动速度相同的条件下，前进接触角为实际接触角时，水一气界面上的胶 体颗粒含量明显高于后退接触角为实际接触角时界面上的胶体颗粒含量。两者的 释放差值最大可达到5 8 8 左右，两者的差值随着流速的增加而减小。( 4 ) 在不 同盐浓度条件下，水一气界面上均有胶体颗粒释放。当盐浓度高于临界离子强度 ( 6 0 0 0 1 a m e r a ) 时，胶体颗粒的释放量基本不变；离子强度低于该值时，界面上 的颗粒浓度随盐浓度的降低而升高。 关键词：多孔介质；成一淡水界面；水一气界面；胶体过程；渗透性变化 s t u d i e so fc o l i o i d sb e h a v i o ra n de f f e c t si np o r o u sm e d i a a b s t r a c t w i t ht h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dp o p u l a t i o ni n c r e a s e ，t h es h o r t a g eo fw a t e r r e s o u r c ei si n c r e a s i n g l ys e r i o u si nt h ec o a s t a lr e g i o n t h ee x c e s s i v ee x p l o i t a t i o no f g r o u n d w a t e rl e a d st os e a w a t e ri n t r u s i o n n o w a d a y s ，t h em a i nr e c o v e r ym e t h o do f s e a w a t e ri n t r u s i o ni sa r t i f i c i a lr e c h a r g e h o w e v e r , t h ed i s t u r b a n c ee f f e c t so fh y d r o g e o c h e m i s t r ya n dh y d r o d y n a m i cl e a dt oas e r i e so fp r o c e s s e sa sc o l l o i d sr e l e a s e ， f l o c c u l a t i o n ，t r a n s p o r ta n dd e p o s i t i o no nt h es e a - f r e s hw a t e ri n t e r f a c ea n da i r - w a t e r i n t e r f a c et h e s e p r o c e s s e sc a nl e a dt ot h ed e s t r u c t i o no fa q u i f e ra n dt h es u d d e nc h a n g e o fp e r m e a b i l i t y , w h i c hi nt u r nc a nr e n d e rr e s t o r a t i o ne f f o r t si n e f f e c t i v e a d o p t i n g b a t c he x p e r i m e n t s ，p a c k e dc o l u m ne x p e r i m e n t ，m i c r o s c o p es l i d ee x p e r i m e n t ，m i n i s i z e g l a s sc o l u m n ，t a k i n gt h ea q u i f e r ss a m p l ec o n t a i n i n gm i n i mc l a ym i n e r a l ( m a i n l yi l l i t e ) i nd a g ur i v e ra q u i f e r , t h i sp a p e rs t u d i e st h es e r i e sc o l l o i d sb e h a v i o ra n di te f f e c to n p e r m e a b i l i t y ( 1 ) u s i n gb o t hb a t c ha n dp a c k e dc o l u m ne x p e r i m e n t ，w ef i n dt h ed i f f e r e n c ei n c r i t i c a ls o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n ( c s c ) a n dc r i t i c a lf l o c c u l a t i o nc o n c e n t r a t i o n ( c f c ) f o rn a c ls o l u t i o n , t h ec r i t i c a ls o l u t i o nc o n c e n t r a t i o na n dc r i t i c a lf l o c c u l a t i o n c o n c e n t r a t i o na r e6 0 m m o l la n d4 0 m m o l l ；f o rs e a w a t e ra n df r e s h w a t e rm i x e d s o l u t i o n ，t l l ec r i t i c a ls o l u t i o nc o n c e n t r a t i o na n dc r i t i c a lf l o c c u l a t i o nc o n c e n t r a t i o na le 6 8 0 0 i t s c r na n d4 8 0 0 炉e m c o l l o i d sf l o c c u l a t i o ni sa ni m p o r t a n tf a c t o rf o r p e r m e a b i l i t yd e c r e a s e ( 2 ) t h er e s u l to fa b r u p ts a l i n i t yc h a n g ee x p e r i m e n t sa n d g r a d u a ls a l i n i t yc h a n g eo fe x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ep e r m e a b i l i t yi nt h ea b r u p t s a l i n i t yc h a n g ed e c r e a s e db y6 0 ，b u ti nt h eg r a d u a ls a l i n i t yc h a n g er e d u c e do n l y 5 0 a b r u p tc h a n g e si ns a l i n i t yc a nl e a dt oaf u s ho fp a r t i c l er e l e a s e ，w h i c hi nt u r n t h e nl e a d st op o r ec l o g g i n gd u et oaj a m m i n ge f f e c ta n dt h e nt oar e d u c t i o no f p e r m e a b i l i t y ag r a d u a lc h a n g ei ns a l i n i t y ，o nt h eo t h e rh a n d ，l e a d st oam o r eg r a d u a l p a r t i c l er e l e a s ea n dt h e r ei sl e s sc h a n c ef o rp o r ej a m m i n g s of l o c c u l a t i o na n d s w e l l i n gi sv e r yi m p o r t a n tf o rp e r m e a b i l i t yd e c r e a s ei nd u r i n gg r a d u a ls a l i n i t yc h a n g e ( 3 ) t h ep e r m e a b i l i t yd e c r e a s e dm o r ed u r i n gc o n s t a n th e a dt h a nd u r i n gc o n s t a n tf l u x ， i n d e e d ，t h et o t a la m o u n to fp a r t i c l e sf l u s h e df r o mt h ec o n s t a n t f l u xc o l u m nw a s2 3 6 m g ，b u to n l y16 8m gf r o mt h ec o n s t a n t h e a dc o l u m n t h ef l o wr e g i m ef o rp a r t i c l e t r a n s p o r ti n a l lo u re x p e r i m e n t sw a sd o m i n a t e db ya d v e c t i o n t h ep a r t i c l ep e e l e t n u m b e r sw e r el a r g e b a s e do nar e g r e s s i o ne q u a 廿o nr e l a t i n gt h e p a r t i c l ep e c l e t n u m b e rt oad i m e n s i o n l e s sc l o g g i n gp a r a m e t e r 丫w ec a nf i n dt h a tt h e r ew a sl i t t l e h y d r o d y n a m i cd r a gi m p o s e do nt h ef l o wb yd e p o s i t e dp a r t i c l e s ，a n dt h a tm o s td r a g w a s i m p o s e db yt h ec o l l e c t o r w eu s em i c r o s c o p es l i d ea n dm i m s i z eg l a s sc o l u m nt os t u d yt h ec o l l o i d sr e l e a s e o nt h ea i r - w a t e ri n t e r f a c e t h ec o l l o i d sr e l e a s ei sv i s u a l i z e d u s i n gc o n f o c a ll a s e r s c a n n i n gm i c r o s c o p ya n dq u a n t i f i e db yi m a g ea n a l y s i s t h er e s u l ts h o wt h a tt h e r ea r e m a n yc o l l o i d sr e l e a s e do nt h ea i r - w a t e ri n t e r f a c e m o s to fc o l l o i d sa r er e l e a s ei nt h e f i r s t i n t e r f a c em o v e m e n t t h eh y d r o p h o b i cc o l l o i d sd e t a c h e di nl a r g e ra m o u n t st h a n d i dt h e h y d r o p h i l i cc o l l o i d s f o rt h eh y d r o p h i l i cc o l l o i d s ，d e t a c h m e n to ft h e p o s i t i v e l y - c h a r g e dc o l l o i d si ss i g n i f i c a n t l yl e s st h a no ft h e ，n e g a t i v e l y - c h a r g e d c o l l o i d s f o rt h eh y d r o p h o b i cc o l l o i d s ，n os i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nd e t a c h m e n t b e t w e e np o s i t i v e l y - a n dn e g a t i v e l y - c h a r g e dc o l l o i d s r e m o v a lo fc o l l o i d si n c r e a s e w i t hd e c r e a s i n gv e l o c i t yo ft h ea i r - w a t e ri n t e r f a c e t h ep o s i t i v e l y - c h a r g e dc o l l o i d s 、。w e r em o r es e n s i t i v e t oi n t e r f a c ev e l o c i t yt h a nt h e n e g a t i v e l y - c h a r g e dc o l l o i d s 2 h o w e v e r , u n d e rt h i se x p e r i m e n tc o n d i t i o n ( o 4 - 4 0 0 c m h ) ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n 一d e t f i c h n 叠e n ta n dv e l o c i t yw a s n o tl i n e a r u n d e ra d v a n c i n gc o n t a c ta n g l ec o n d i t i o n , t h e a m o u n to fr e l e a s e dc o l l o i d si sl a r g e rt h a nu n d e ra d v a n c i n gc o n t a c ta n g l ec o n d i t i o n , t h ed i f f e r e n c eo fr a t eo fd e t a c h m e n tc o l l o i d sc a nb eu pt o5 8 8 w h t h es a l t c o n c e n t r a t i o ni sh i g ht h a nc r i t i c a ls o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n ，t h ec o n c e n t r a t i o no nt h e a i r - w a t e ri n t e r f a c ei ss i m i l a r h o w e v e r , w h e nt h es a l tc o n c e n t r a t i o ni sl o w e rt h a n c r i t i c a ls o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n , t h ec o l l o i d sc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e 诵t ht h es a l t c o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e k e y w o r d s ：p o r o u sm e d i a ；s e a - f r e s h w a t e ri n t e r f a c e ；a i r - w a t e ri n t e r f a c e ； c o l l o i d sb e h a v i o r ；p e r m e a b i l i t yc h a n g e 多孔介质中胶体行为及其影响效应研究 0 一前言1月| j 茜1 1 绪论3 1 1 研究的目的和意义3 1 2 国内外研究现状4 1 2 1 咸一淡水界面上胶体过程及其对渗透性影响效应的研究4 1 2 2 水一气界面胶体颗粒释放的机理1 3 1 2 3 目前研究存在的主要不足1 5 1 。3 主要研究内容和方法1 6 2 供试砂样和粘土矿物的特性18 2 1 与粘土、粘土矿物和胶体相关的概念1 8 2 。2 供试砂样和粘土矿物的性质19 2 2 1 供试砂样成分分析19 2 2 2 供试砂样的粒度分析21 2 2 3 供试砂样中粘土矿物的物理化学性质2 3 3 成一淡水界面粘土颗粒释放和絮凝过程研究2 5 3 1 粘土颗粒释放2 5 3 1 1 批量试验2 5 3 1 2 土柱试验3 0 3 1 3 临界盐浓度的理论计算3 4 3 1 4 讨论3 5 3 1 5 小结3 7 3 2 粘土颗粒絮凝3 7 多孔介质中胶体行为及其影响效应研究 3 2 1 试验材料和方法3 8 3 2 2 结果与分析3 9 3 2 3 讨论4 1 3 2 4 小结4 2 4 成一淡水界面胶体过程对含水介质渗透性的影响研究4 3 4 1 粘土颗粒释放和絮凝对渗透性影响4 3 4 1 1 试验材料和方法一4 3 4 1 2 结果与分析4 5 4 1 3 讨论4 7 4 1 4 小结4 7 4 2 含水介质渗透性时一空变化规律4 8 4 2 1 不同盐浓度条件下渗透性的变化4 8 4 2 2 不同水动力条件下渗透性的变化5 6 5 水一气界面上胶体颗粒释放过程研究6 3 5 1 供试胶体、溶液性质和仪器设备6 3 5 1 1 供试胶体和溶液6 3 5 1 2 试验材料和仪器6 4 5 2 胶体的理化性质对释放的影响6 5 5 2 1 试验材料和方法一6 5 5 2 2 试验结果与分析6 8 5 2 3 理论分析7 0 5 2 4 小结7 3 多孔介质中胶体行为及其影响效应研究 5 3 水一气界面移动速度对颗粒释放的影响7 3 5 3 1 试验材料和方法7 3 5 3 2 结果与分析7 4 5 3 3 讨论7 4 5 3 4 小结7 6 5 4 前进和后退接触角对颗粒释放的影响7 6 5 4 1 试验材料和方法7 6 5 4 2 结果与分析。7 8 5 4 3 讨论8 2 5 4 4 小结8 2 5 5 盐度对水一气胶体颗粒释放的影响8 3 5 5 1 试验材料和方法8 3 5 5 2 结果与分析8 4 5 5 3 小结8 5 6 结论小8 6 6 1 主要结论8 6 6 2 主要创新点8 8 参考文献：9 0 i i i 多孔介质中胶体行为及其影响效应研究 i v 多孔介质中胶体行为及其影响效应研究 0 刖昌 水资源短缺是当前世界各国普遍面临的严峻问题。特别对于分布着6 0 9 6 世界 人口的沿海地区而言，对水资源的需求量更大。随着世界人口增长、社会工农业 需水量增加，对水资源的需求愈来愈大，地下水的开采量不断增加，地下水水位 大面积的下降，很多滨海地区出现了不同程度海水入侵现象。目前，全球已有 5 0 多个国家和地区发现海水入侵，海水入侵已经引起了国际社会的广泛关注。 在我国，特别是2 0 世纪8 0 年代以来，随着经济的高速发展，淡水资源的需求量 急剧增大，沿海地区海水入侵现象呈现日益加剧的趋势，沿海省份均有海水入侵 的相关报道。海水入侵淡水含水层，开采井中水由淡变咸，直接导致地下水环境 的逐渐恶化，大大降低了地下水的实用性，使有限的地下淡水资源变得更紧张， 从而引发区域环境的破坏和生态系统的失衡。 目前，对于海水入侵的问题已有大量关于含水层咸淡水界面的形态和位置、 咸淡水界面的监测技术、海水入侵的预警和管理等方面研究的相关报道。此外， 也有学者对咸淡水界面的移动引起的地下水和含水介质之间产生的各种水文地 球化学作用，例如阳离子交换等进行了研究。对于含水层渗透性的研究主要集中 在咸淡水密度和粘滞性方面对渗透性的影响。海水入侵最直接的控制和修复方法 是人工回灌，包括表面淡水渗透和深井注入。然而，咸淡水界面和水气界面上 的粘土颗粒的膨胀、释放、絮凝、迁移一沉积所引起的含水层渗透性的突变会破 环含水结构，导致注水效果变差，修复效率降低。目前，针对水文地球化学作用 引起的粘土矿物的释放、絮凝、迁移沉积对渗透性变化的影响的研究还不多见。 因而，本研究课题在国家自然科学基金项目咸淡水过渡带渗透性突变的机 制与效应研究( 编号：4 0 5 7 2 1 4 2 ) 的资助下，在总结、借鉴前人成果的同时， 针对前人研究的不足之处，以青岛市大沽河下游含有少量非膨胀性粘土矿物的含 水层砂样为研究对象，应用水化学、水动力学、胶体化学等学科的理论知识，从 宏观和微观尺度上，对含水层咸淡水界面和水一气界面水化学作用引起渗透性变 化的机理进行了深入的探讨，其中重点研究了影响地下咸淡水界面和水一气界面 上胶体颗粒释放、絮凝、迁移一沉积的水化学和水动力学因素，及其对含水层结 构、渗透性变化的影响。作者已发表和基金相关的论文三篇，分别发表在j o u r n a l o fh y d r o l o g y 、j o u r n a lo fc o l l o i da n di n t e r f a c es c i e n c e 和b i o i n f o r r n a t i e sa n d 多孔介质中胶体行为及其影响效应研究 b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g 上，并有国家发明专利两项。 2 多孔介质中胶体行为及其影响效应研究 1 绪论 1 1 研究的目的和意义 水资源短缺是当前世界各国普遍面临的严峻问题。特别对于分布着6 0 0 , 6 世界 人口的沿海地区而言，对水资源的需求量更大，水资源更加紧张。在天然情况下， 滨海地区的地下淡水是向海泄流的，且海水和淡水之间存在一个过渡带；海水和 淡水之间的动态平衡致使咸淡水过渡带始终保持在一个稳定的位置【l 训。但是当 人类不合理地开采地下淡水时，会使地下水位大幅度下降，海水通过透水层渗入 陆地淡水含水层中，从而造成含水层中淡水变咸，地下淡水资源的破坏。这一现 象被称为海水入侵现象【5 】。海水入侵会引起一系列生态、环境的恶化问题，如水 质恶化、土壤盐渍化等。早期的海水入侵现象主要分布在淡水资源补给不足的干 旱和半干旱的滨海地区，例如地中海地区，美国南加州【6 】等。近几十年，随着世 界人口增长、社会工农业需水量增加，对水资源的需求愈来愈大，地下水的开采 量不断增加，地下水水位大面积的下降，在气候湿润的滨海地区也出现了不同程 度海水入侵现象。根据联合国报告，全球已有5 0 多个国家和地区发现海水入侵， 海水入侵已经引起了国际社会的广泛关注 7 1 。在我国，特别是2 0 世纪8 0 年代以来， 随着经济的高速发展，淡水资源的需求量急剧增大，沿海地区海水入侵现象呈现 加剧的趋势，沿海省份均有海水入侵的相关报道【8 。1 3 】，其中山东省尤为严重。以 青岛市大沽河下游潜水含水层海水入侵为例，1 9 8 1 年首次发现海水入侵现象，海 水入侵面积约为7 k m 2 ，到1 9 9 8 年咸水入侵面积已超过7 0 k m 2 ，致使李哥庄水源地 废弃，大面积土地因缺少灌溉水源而荒芜，并造成百家企业和数万人用水困难。 目前，对于海水入侵的问题最直接的控制和修复方法是人工回灌含水层( 包 括表面淡水渗透和深井注入) 7 j 4 - 17 】。然而，在回灌过程中由于水文地球化学和 水动力学的扰动，会引起咸一淡水界面和水一气界面的胶体颗粒释放、絮凝、迁移 一沉积等一系列胶体过程。这一系列胶体过程会引起含水层结构的破坏和渗透性 的突变，进而导致含水层修复效率降低。例如，很多注水井由于渗透性的降低而 被废弃。传统海水入侵研究仅仅考虑海水的物理性质( 容重、粘滞性) 对含水层 渗透性的影响，而对于地球化学作用和水动力作用引起的胶体过程关注甚少 3 多孔介质中胶体行为及其影响效应研究 1 8 - 1 9 。 本研究课题以青岛市大沽河流域为研究区域，在总结最新研究成果的基础 上，应用水化学、水动力学、胶体化学等学科的理论知识，从宏观和微观尺度上， 系统研究了咸淡水界面和水一气界面上，地球化学和水动力作用下胶体颗粒的释 放、絮凝、迁移一沉积规律，以其对含水层结构、渗透性时空变化的影响。本课 题的研究成果为优化注入水的化学和动力学条件，预防和降低含水层渗透性的突 变，提高含水层修复效果提供了理论依据。此外，根据本研究成果，完全可能在 咸一淡水界面上人工构筑低渗透带或不透水带，从而有效抑制海水入侵，大大降 低工程费用，为海水入侵的防治提供新方法。因而，本研究对海水入侵的治理不 仅具有理论意义，还具有重大的现实意义。 1 2 国内外研究现状 海水入侵问题的研究和发展，是与水资源的持续利用和人类社会协调发展密 不可分的。随着科学技术水平的提高和经济社会的发展，各国政府及全世界相关 国际组织针对海水入侵带来的环境和社会等问题的研究投入了大量的人力和物 力资源。历经3 0 4 0 年的实践发展进程，关于海水入侵问题的研究在很多方面都 取得了长足的进步【l 9 】。但是目前，针对沿海地区由于海水入侵引起的渗透性破 坏问题的研究还很不充分，特别是对于咸淡水界面和水气界面因水文地球化学和 水动力学作用引起的粘土矿物释放、絮凝、迁移一沉积等一系列胶体过程及其对 渗透性变化的影响效应研究还不多见。下面将对多孔介质的粘粒释放、絮凝、迁 移一沉积和渗透性突变问题的国内外研究现状进行综述。 1 2 1 咸一淡水界面上胶体过程及其对渗透性影响效应的研究 从1 9 3 3 年f a n c h 0 2 0 1 首次发现水敏性现象以来，在石油工程、土壤学等领域， 很多学者对含水层渗透性变化进行了研究。目前的研究结果证实，天然的含水层 中含有的粘粒物质( 无机粘土矿物、碳酸岩、铁和铝的氢氧化物、腐殖质、微生 物集合体) 的释放、絮凝、迁移沉积是产生水敏性现象的主要原因。这些粘粒 4 多孔介质中胶体行为及其影响效应研究 物质粒径一般在0 1 岬1 0 9 m ，从粒径尺度的角度上说属于胶体颗粒的范畴。此 外，还有学者在对地下重金属等污染物迁移规律进行研究时发现，粘土矿物的释 放、迁移会大大增强污染物的迁移能力【2 1 - 2 2 。下面我们将就粘土颗粒的释放、絮 凝、迁移一沉积及其对渗透性变化影响的研究现状进行综述。 ( 1 ) 胶体颗粒的释放 目前的研究证实，粘土细粒释放会使多孔介质的渗透率降低。例如，g r a y 和r e x 等学者在流动试验过程中发现，当逆转流体的流动方向时会引起渗透率 的增加。他们认为，反向流动时的渗透率增加是由于正向流动时堵塞孔隙喉道的 粘土细粒被反向流体暂时冲开造成的【2 3 1 。 粘粒迁移有化学诱导的粘粒释放和力学诱导的粘粒释放之分。目前，大量的 研究结果显示水动力和水化学条件的变化是引起粘土颗粒释放的主要原因 2 4 1 。 在石油领域，k h i l a r 等以b c r c a 砂岩为研究对象，通过室内土柱模拟试验研 究了盐浓度降低过程中岩心渗透性的变化。他们发现，当淡水驱替咸水时，存在 一个临界盐浓度( c s c ) ，当盐浓度高于该值时，粘土颗粒不会释放，渗透性没 有变化；而当盐浓度低于该值时，颗粒开始释放，且渗透性突然降低【2 5 1 。k h i l a r 利用d l v o 理论进一步解释了这一结论。他们认为，当盐浓度高于临界盐浓度 时，粘土颗粒的水化膜被压缩，使颗粒与多孔介质表面之间的静电斥力减小，颗 粒与多孔介质表面之间的范德华引力占主导，此时颗粒被束缚在多孔介质表面， 不会被释放出来：而当盐浓度低到临界盐浓度时，颗粒的水化膜不断变厚，由于 双电层的重叠，使胶体颗粒与多孔介质表面之间静电斥力不断增大，胶体与多孔 介质表面之间静电斥力占主导，此时胶体颗粒在排斥力的作用下从介质表面释放 出来【2 5 】( 见图1 1 ) 。此后，很多学者对临界盐浓度的影响因素进行了研究。大 量的研究显示，临界盐浓度的高低取决于胶体颗粒种类、离子价态和p h 值等因 素的影响【2 6 - 2 9 。 多孔介质中胶体行为及其影响效应研究 图1 - 1 双电层结构示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a ms h o w i n gd o u b l el a y e r ss 仃u c t u r e 不同的粘土矿物由于表面化学性质的差异，其临界盐浓度也是不同的。r o y 等通过土柱试验发现，当含水层中含有蒙脱石时，在相对较高的盐浓度条件下， 蒙脱石自身的膨胀而会引起蒙脱石的解体，进而从基岩表面释放出来 3 0 - 3 2 】。 s i n g e r 等对不同粘土矿物释放的临界盐浓度进行比较发现，蒙脱石最易释放，其 次是伊利石，高岭石的临界盐浓度最高，最不易释放【3 3 1 。除此之外，g o l d e r g 等 对不同的粘土矿物混合物的l 临界盐浓度进行了研究。他们研究指出，钠吸附比 ( s a r ) 在0 - 6 0 ( m m o l d l ) 仉5 之间时，伊利石高岭石混合矿物的临界盐浓度更接 近纯伊利石的临界盐浓度。而对于伊利石蒙脱石混合矿物来说，其临界盐浓度 接近于纯伊利石粘土矿物时，s a r 值的范围是4 0 6 0 ( m m o l d l ) 仉5 。此外，在较高 的钠吸附比( s a r 4 0 ( m m o l d l ) o 5 ) 条件下，伊利石高岭石混合矿物的临界盐浓 度高于伊利石蒙脱石混合矿物m 】。 离子价态对临界盐浓度也存在明显的影响。对于一价的阳离子溶液来说，随 着阳离子的水合能大小不同，其临界盐度的大小关系为n a + k + n h 4 + c s + 2 5 。 对于二价离子，陈继红等针对n a c l 和c a c h 不同配比的混合盐溶液中粘土颗粒 的临界盐浓度进行研究发现，临界盐浓度随着c a 2 + 含量的增加而降低【3 5 1 。还有 学者以胶结程度较高的地层岩心研究对象，通过土柱试验发现，混合溶液中c a p 6 电位1 多孔介质中胶体行为及其影响效应研究 含量的升高，可以有效的抑制胶结土壤中粘粒的分散。他们认为，胶体颗粒表面 的c a 2 + 能极大地降低颗粒表面电势，因此溶液中一定数量c a ：+ 的存在对抑制 颗粒释放有重要作用【3 6 3 7 1 。o u i r k 等发现，当混合溶液总离子强度不变时，c a ：+ 浓度低于某一临界值时，粘粒才会被释放出来 3 8 】。k i a 等进一步指出，粘粒表面 的c a ：+ 浓度是决定粘粒释放临界值的主要因素，而不是土壤溶液中的c a ：+ 浓度。 因为颗粒表面的c a 2 + 浓度影响颗粒的电位，而电位决定着粘土颗粒是否释 放。当颗粒表面覆盖的c a ：+ 含量在l 临界值的基础上增加7 5 ，颗粒表面的电 位会显著降低，从而有效地阻止粘土颗粒的释放。颗粒表面c a 2 + 的含量取决于溶 液总的离子强度和溶液中c a ：+ 的摩尔百分比含量【2 7 1 。 p h 值是影响临界盐浓度的另一个重要因素。m i l l i g a n 等提出，p h 值的增加， 能够降低粘土颗粒表面电势，使粘土颗粒从土壤表面释放出来【3 9 】。王瑛等通 过批量试验发现，溶液p h 值越低，颗粒释放量越少；p h 值越高，颗粒释放量 越大【加】。在天然条件下，地下含水介质像一个缓冲体系，p h 值长年变化甚微。 因此，在大尺度范围内研究粘土颗粒释放的影响因素时，p h 值的影响作用显得 不是特别重要。 此外，石油领域的国外学者利用室内岩心试验研究了盐度递减速度对多孔介 质渗透性变化的影响。j o n e s 等通过两类试验证明了盐度递减速度与渗透性降低 之间存在密切关系【4 1 1 。一类是盐浓度突变试验，利用淡水直接驱替咸水，另一 类是盐浓度渐变试验，在驱替的过程中盐浓度呈阶梯式降低。试验结果显示，突 变试验中渗透性的降幅明显高于在渐变试验中渗透性的降幅。他们认为，盐浓度 缓慢降低的时候，颗粒没有被释放，所以渗透性几乎没有变化。然而，如果不考 虑盐浓度递减速度，单纯利用双电层理论无法对上述两种观测结果之间的差异加 以解释。因为根据双电层理路，粘土颗粒与多孔介质之间的相互作用力不依赖于 盐浓度的递减速度，也不显著依赖于溶液的自身浓度。如果不考虑盐浓度递减速 率的影响，所有试验盐浓度均呈阶梯式降低，但是其初始浓度和最终浓度都相同， 渗透性的变化也应该相同。但是从j o n e s 等的研究结果可以看出，渗透性突变现 象明显依赖于盐浓度的递减速度。因此，在研究盐浓度对颗粒释放的影响时，需 要结合考虑盐浓度的递减速率因素的影响。k h i l a r 等通过土柱试验研究进一步提 出盐浓度递减速率较慢时，没有颗粒释放是导致渗透性降低程度较小的原因，这 7 多孔介质中胶体行为及其影响效应研究 一假设并无确切的根据。他们认为这一结果与盐浓度递减速率对粘土颗粒的释放 和捕获过程的影响有关，并引入了临界盐浓度变化率的概念，利用这一概念来表 征多孔介质中盐浓度下降速率对粘土颗粒释放的影响。不同的盐浓度变化率引起 的颗粒释放量和颗粒释放速度不同，如瞬时、急剧的浓度变化会导致颗粒的大量 释放，而缓慢的浓度变化会使得颗粒释放时间长，释放速度很慢。因此，盐浓度 递减速率越快，颗粒释放浓度越高，渗透性突变越强烈【4 2 】。郑西来等通过室内 土柱实验得出类似结论，且提出颗粒释放浓度峰值和颗粒总释放量受盐浓度递减 速率和流速的共同影响【4 3 】。吴锦兰等通过室内土柱模拟试验发现，随着水力梯 度的增大，颗粒的释放浓度逐渐增大；当水力梯度为1 0 时，颗粒的释放浓度突增， 并达到峰值；随后颗粒浓度逐渐降低。颗粒的累积释放