抽水对含水层中污染物迁移影响的试验研究*(2)
以红墨水作为模拟污染物示踪剂来示踪含水层中污染物迁移,共设计9组试验。每组试验在示踪剂注入之前,先调整砂箱左右水头控制装置,保持上下水头差25 cm,进行充分饱和,待流量稳定后再开展相关试验。以污染物注入点为坐标原点,原点距离上水头10 cm,以10 mL/min的稳定速率持续注入示踪剂10 min,分别研究不抽水以及200、300 mL/min速率抽水时,污染羽的形态变化和迁移速率特征。每组试验结束后,用记号笔在砂箱壁上圈出砾石、透镜体、通道、地层界线等,然后清理充填物,清洗砂箱,下一组试验进行之前,重复按照记号笔标记填充含水层。本研究主要研究抽水对污染羽形态特征和迁移速率的影响,因此不考虑温度、物理化学吸附。
图2砂箱含水层填充情况Fig.2 Sandbox configurations for three aquifers
1.4 数据的采集
污染羽的形状由相机拍摄获得照片,再经图像处理软件优化处理。污染物迁移距离通过砂箱上刻度直接读取。污染物迁移时间由秒表测得。对应的污染物迁移速率由迁移距离与时间计算得出。
2 不抽水条件下污染物的迁移规律
污染物进入含水层之后,在其他外部条件相同的情况下,主要受含水层本身非均质性的影响。含水层中的孔隙、裂隙、透镜体、砾石通道等改变附近的地下水渗流规律,从而导致污染羽形态、迁移速率发生改变。因此,保持砂箱上下水头差为25 cm,水流稳定不受外界干扰,在不抽水的情况下分别进行3种含水层的示踪试验,其中均质含水层作为对照试验。研究含水层非均质性对污染羽形态及迁移速率的影响。
2.1 污染羽形态
不抽水情况下,污染物注入60 min后,3种含水层中的污染羽形态见图3。可以看出,在含水层1中,污染物注入以后,整体随着地下水流的方向迁移扩散,垂直方向弥散作用相对较弱,但是污染物在水位以上区域的迁移速度明显小于水位以下,产生上部区域的污染羽拖尾现象。当污染物注入含水层2时,污染羽的形态明显不同,相同时间内厚度变小,形状狭长,弯曲方向与含水层1中相反,污染物迁移至砾石附近时,迁移路径发生改变,从砾石下方绕过,污染羽边缘距离砾石有一段距离,当污染物迁移至粉细砂夹层时,出现了明显的分叉现象,从夹层上下分别通过,中间的污染物缓慢进入粉细砂夹层,迁移速率减慢,停留时间变长,可以看到明显的拖尾现象。在含水层3中,污染物首先在卵砾石间的粗砂中迁移,然后充满砾石通道,污染羽形态与通道形状基本一致,呈树枝状,有一个主方向,同时存在多个分支。
图3不抽水时不同含水层中的污染羽形态Fig.3 The pollution plume in different aquifer without pumping water
试验结果表明,不透水砾石会改变污染物的迁移路径,污染物一旦进入透镜体会在其中长时间停留。也就是说,一旦黏土等渗透系数小的含水层受到污染,污染物出现累积效应,含水层的自净能力显著降低,给地下水污染的修复带来一定的困难,而在含砾石通道的含水层中,污染物的迁移主要沿着通道迁移。
2.2 污染物迁移速率
污染物在不同含水层中的迁移速率也具有明显的差异,迁移速率与时间关系(见图4)主要有以下特点:(1)污染物在含水层1中的迁移速率基本保持稳定不变;(2)含水层2中污染物在遇到砾石之前速率保持稳定,但是到达砾石附近后明显开始减慢,绕过砾石后又逐渐增大以稳定的速率向前迁移,到达粉细砂夹层时,迁移速率有一定降低,但降低幅度很小;(3)含水层3中,污染物在粗砂中的迁移速率与前两种情况相比明显减小,进入砾石通道后迁移速率呈跳跃式增长,在扇缘粉砂层中又急剧下降。
图4不抽水时污染物迁移速率与时间关系曲线Fig.4 Relationship curve between contaminant transport rate and time without pumping water
出现以上现象的主要原因是均质含水层中等水头线均匀分布,地下水流向与等水头线正交,流速保持不变,污染物迁移受水流控制保持稳定。而在砾石附近,由于砾石的不透水性,阻滞了地下水的流动,改变了砾石附近的地下水流场,污染物迁移速率减慢,绕过砾石之后地下水流场恢复正常,迁移速率逐渐恢复。当污染物迁移至粉细砂夹层时,由于夹层厚度较薄,污染羽整体迁移速率未发生明显改变,仅在粉细砂夹层长时间停留,出现拖尾。在含砾石通道的非均质含水层中,虽然保持了相同的水头差,但整个砂箱中充填6种土样,非均质程度较高,地下水流场及流速受非均质影响较大,且扇顶粗砂的渗透系数明显小于均质石英砂,迁移速率出现明显的减小,砾石之间的空隙在水动力作用下形成优势流通道,将加速污染物的迁移,使污染物迅速通过到达通道终点,然后缓慢地在扇缘粉砂层迁移。
文章来源:《水电与抽水蓄能》 网址: http://www.sdycsxn.cn/qikandaodu/2021/0219/459.html
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