抽水对含水层中污染物迁移影响的试验研究*(4)
(1) 不抽水的情况下,均质含水层中污染物主要沿着地下水流线迁移,不透水砾石会改变污染物的迁移路径,减缓污染物的迁移速度,粉细砂夹层则会延长污染物的停留时间,形成拖尾现象,砾石通道为污染物的优先迁移路径,并加速污染物迁移。
(2) 抽水会改变含水层1中污染羽的形态,对含水层2、含水层3中污染羽形态影响相对不大;抽水使污染物优先向抽水井迁移,但不会改变连通通道内的迁移路径。抽水井附近上水头一侧污染物浓度小于下水头一侧,即使污染物远离抽水井也会反向迁移,延长对抽水井的影响时间。
(3) 与不抽水的情况相比,抽水明显加快污染物的迁移速率,抽水速率为300 mL/min时,均质含水层、含砾石和粉细砂夹层的非均质含水层、含砾石通道的非均质含水层中污染物的平均迁移速率分别增大了1.570、1.480、3.050 cm/min,迁移60 cm所用时间分别缩短了36、35、48 min。抽水对含砾石通道的非均质含水层中污染物的迁移速率影响最大。
在进行抽水井附近含水层地下水环境影响评价和污染修复时,应综合考虑含水层性质和抽水作用对污染物迁移路径及速率的共同影响。
[1] QIU J.China faces up to groundwater crisis[J].Nature,2010,466(7304):308.
[2] GUO F,JIANG G,YUGN D,et of major environmental geological problems in karst areas of Southwestern China[J].Environmental Earth Sciences,2013,69(7):2427-2435.
[3] 余期冲,祝晓彬,吴吉春,等.死端孔隙对溶质运移影响的试验研究[J].水文地质工程地质,2017,44(4):160-164.
[4] 向龙,余钟波,MON J,等.大空隙流变化对溶质运移的影响试验研究[J].水利学报,2010,41(8):927-934.
[5] ZHENG F,GAO Y,SUN Y,et of flow velocity and spatial heterogeneity on DNAPL migration in porous media:insights from laboratory experiments and numerical modelling[J].Hydrogeology Journal,2015,23(8):1-16.
[6] 韩科学,覃荣高,曹广祝,等.层状非均质各向异性含水层中抽水井对污染物迁移影响数值模拟研究[J].地球与环境,2017,45(5):540-545.
[7] 覃荣高,曹广祝,仵彦卿.非均质含水层中渗流与溶质运移研究进展[J].地球科学进展,2014,29(1):30-41.
[8] ILLMAN W A,BERG S J,LIU X Y,et /partitioning tracer tomography for DNAPL source zone characterization:small-scale sandbox experiments[J].Environmental Science & Technology,2010,44(22):8609-8614.
近年来,我国环境问题日趋严重,地下水污染受到国内外学者的广泛关注[1]。地下水环境受采矿活动、工业污染以及人类生活影响较大[2],污染物下渗进入地下水含水层后,在对流弥散等相互作用下,使污染范围不断扩大。地下水环境的恶化不仅对农业、生态等造成严重影响,还会直接威胁人类饮用水的安全。污染物在含水层中的迁移受含水层自身的非均质性和地下水的渗流特征控制,抽取地下水时也会对地下水流场产生严重干扰,间接影响污染物迁移。含水层中存在的大量孔隙、裂隙、透镜体、死端孔隙等空间结构是导致其非均质性的主要因素[3],现有研究多是针对含水层的非均质性对污染物迁移规律的影响[4-5],关于含水层抽水等外部因素对不同非均质程度含水层中污染物迁移的影响研究很少。韩科学等[6]基于空间随机函数建立二维层状非均质各向异性含水层水文地质数值模型,研究区域尺度含水层抽水对污染物迁移特征的影响,结果表明,抽水影响污染物的迁移速率。但其随机理论模型在溶质迁移预测方面仅得到了场地尺度试验数据的验证[7],试验室尺度含水层中溶质迁移的试验研究数据相对匮乏。砂箱试验在地下水污染研究领域应用广泛,是获取试验室尺度含水层参数及污染物迁移规律最有效的物理方法之一[8]。因此,本研究通过砂箱试验开展示踪试验,研究抽水对不同非均质程度含水层中污染物迁移的影响。获得了抽水条件下污染羽的形态特征和污染物迁移速率变化,为试验室尺度污染物迁移数值模拟提供验证数据,以期为抽水井附近含水层地下水环境影响评价及污染修复提供理论指导。1 材料及方法1.1 试验材料试验选用普通建筑用石英砂、砾石、低渗透性粉细砂以及大理冲洪积扇原位土样构建含水层介质。为保证试验的准确性,在填充砂箱之前,随机选取石英砂样品进行室内筛分,筛分结果显示,石英砂粒径主要集中在0.25~0.50 mm,质量分数达98.9%,可以近似看作均质的石英砂。大理冲洪积扇含水层由于历史沉积作用,具有典型的非均质特征。本次试验选取扇顶河道剖面卵砾石和粗砂、扇中粗砂和黏土透镜体、扇缘粉砂和淤泥质土共6种土样,根据沉积规律进行砂箱填充。通过原位土样渗透试验获取每种土样的渗透系数,结果如表1所示。表1渗透系数Table 1 Hydraulic conductivity位置编号土样渗透系数/(cm·s-1)扇顶1卵砾石2粗砂9.750×10-3扇中3粗砂7.198×10-44黏土透镜体3.750×10-6扇缘5粉砂2.143×10-46淤泥质土2.972×10-51.2 试验装置示踪试验的主体装置为三维物理砂箱,有机玻璃材质,砂箱有效长度80 cm,宽35 cm,高55 cm。装置左右各设置一个宽15 cm的水槽,水槽与箱体之间通过隔板隔开,隔板上分布间隔1 cm、直径2 mm的小孔,并有塑料纱网阻挡箱体内充填物进入水槽,但可以使水槽中的水均匀进入箱体内含水层。砂箱两侧采用两个定水头装置控制水槽内水头,可自由调节上下水头差以满足试验需要。砂箱正面设置两排抽水孔,底部设置一排抽水孔,全部通过橡胶管与有机玻璃管连接,可以读取砂箱不同位置的水头信息兼顾抽注水和取样功能,所有抽水孔水平间距均为10 cm,正面抽水孔竖直间距20 cm。使用两台最大抽水速率为900 mL/min的蠕动泵完成抽水及示踪剂的注入,并用流量计测量下水头的流量数据,判断砂箱内的水流是否达到稳定。为了全面反映污染物在抽水井上下游的差异,抽水位置设置在11号孔。试验时,砂箱上水头通过水箱供水,下水头出水管连接下水道,自上水头进人砂箱的水通过含水层后直接外排,不循环使用,砂箱装置如图1。图1砂箱装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the 砂箱试验设计为尽可能减少试验准备过程中外部因素的干扰,在砂箱充填时打开左右水头装置,保持砂箱中始终有稳定水流通过。石英砂分层填充,每填充10 cm后调整水头在水流作用下充分饱和,并用木锤进行机械压实,可以有效排出砂粒间的空气,并对石英砂起到清洗作用,使砂箱内不同部位的石英砂尽量处于均质饱和状态。含砾石通道的非均质含水层根据冲洪积扇的沉积特性分层填充,由于土样渗透系数量级均在10-3以下,饱水速度很慢,为了使砂箱中非均质含水层处于饱和状态,在填充完成后,保持高水头差状态静置7 d后再进行相关试验。为了准确获取污染物的迁移特征及影响,本研究设计3种含水层:(1)含水层1为均质含水层。(2)含水层2为含砾石和粉细砂夹层的非均质含水层,非均质程度较低。(3)含水层3为含砾石通道的非均质含水层,非均质程度较高。砂箱含水层充填情况如图2所示。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 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 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 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。3 抽水对污染物迁移规律的影响3.1 抽水对污染羽形态的影响不透水砾石、低渗透性粉细砂和砾石通道对污染羽的形态造成了明显的影响。为了研究抽水对以上3种含水层中污染物迁移的影响,选取抽水速率为300 mL/min,污染物注入27 min后的污染羽形态进行对比分析,结果见图5。从图5可以看出,在均质含水层1中,污染物在抽水作用下向抽水孔附近迁移并被抽出,在水头差的作用下,抽水孔上水头污染物继续向下水头迁移,颜色持续变浅,未形成典型的漏斗状。随着抽水持续进行,污染羽的形态发生变化,污染羽前缘远离抽水井之后,在抽水和弥散的综合作用下,形成反向迁移扩散,污染羽下部出现明显拖尾、累积,对抽水井造成持续污染。由于抽水作用,含水层2中污染羽继续向前迁移,通过粉细砂夹层的分叉重新汇合后,向下水头迁移,污染物迁移的主要方向未发生改变。含水层3在连续的抽水作用下,进一步扩大污染物的迁移距离和影响范围,污染羽的主形状未变,分支变长变多。由于含水层3通道末端的粉砂层渗透系数较小,污染羽迁移至通道末端明显受到阻碍。总而言之,抽水会改变含水层1中污染羽的形态,对含水层2、含水层3中污染羽形态影响相对不大;抽水使污染物优先向抽水井迁移,但不会改变连通通道内的迁移路径。抽水井附近上水头一侧污染物浓度小于下水头一侧,即使污染物远离抽水井也会反向迁移,延长对抽水井的影响时间。图5持续抽水对含水层中污染羽形态的影响Fig.5 Effect of continuous pumping on pollution plume in different aquifer表2污染物迁移速率随时间变化Table 2 Contaminant transport rate with time cm/min项目抽水速率/(mL·min-1)时间/含水层...含水层...含水层..3.2 抽水对污染物迁移速率的影响不同抽水速率下,污染物迁移速率变化见表2。含水层1中,随着抽水速率的增大,污染物迁移速率达到峰值的时间均缩短。含水层2中,随着抽水速率的增大,污染物在遇到砾石之前的迁移速率下降速度加快,但同时污染物迁移速率的恢复也较快,最终对污染物的前缘首次到达抽水孔的时间影响不大。在含水层3中,由于填充物渗透系数较小,相同的时间内污染物未迁移至砂箱下水头,抽水对污染物在粗砂和粉砂中迁移的影响程度低,对污染物在通道中的迁移影响较大,这主要是因为非均质含水层中的砾石通道中形成优势流,抽水主要影响通道内的水流速度。不抽水时,含水层1中污染物的迁移速率始终保持在1.200 cm/min左右,未出现峰值,含水层2、3中污染物迁移速率达到峰值的时间分别为27、19 min。抽水速率为200 mL/min时,含水层1、2、3中污染物迁移速率达到峰值时间的分别为13、18、12 min。抽水速率为300 mL/min时,含水层1、2、3中污染物迁移速率达到峰值时间分别为8、14、11 min。可以看出,随着抽水速率的增加,含水层1、2的迁移速率达到峰值的时间均大幅缩短,而含水层3中时间缩短不明显,这主要是因为非均质含水层中除砾石通道外,其余含水层渗透系数较小,给水度也小于均质含水层,随着抽水速率的增大,对抽水孔附近污染物迁移速度的提升效果逐渐减弱。由于非均质含水层中污染物迁移至砂箱下水头所用时间较长,因此取3种含水层中污染物迁移60 cm的平均速率进行对比分析,数据如表3所示。在不同的含水层中,增大抽水速率均会增大污染物平均迁移速率。不抽水时,含水层1中污染物首先到达抽水孔位置,其次是含水层2和含水层3,在含水层3扇顶粗砂中的平均迁移速度最慢。当抽水速率为200、300 mL/min时,含水层3中污染物首先到达抽水孔位置,并且平均迁移速率增长较快,这说明抽水速率越大对污染物在砾石通道内的平均迁移速率影响越大,而污染物在含水层2中迁移速率始终最慢。总体来说,当抽水速率由0 mL/min增加到300 mL/min时,3个含水层中污染物平均迁移速率分别增加了1.570、1.480、3.050 cm/min,迁移60 cm所用时间分别缩短了36、35、48 min。抽水对含砾石通道的非均质含水层中污染物的平均迁移速率影响最大,抽水速率越大,影响程度越高,其次是均质含水层和含砾石与粉细砂夹层的非均质含水层。表3污染物迁移平均速率Table 3 Average contaminant transport rate cm/min抽水速率/(mL·min-1)含水层1含水层2含水层..4 结 论通过建立3种含水层物理模型开展示踪试验,研究了试验室尺度下抽水对3种含水层中污染羽形态及迁移速率的影响,获取了抽水对污染物迁移影响的相关试验数据,得到以下结论:(1) 不抽水的情况下,均质含水层中污染物主要沿着地下水流线迁移,不透水砾石会改变污染物的迁移路径,减缓污染物的迁移速度,粉细砂夹层则会延长污染物的停留时间,形成拖尾现象,砾石通道为污染物的优先迁移路径,并加速污染物迁移。(2) 抽水会改变含水层1中污染羽的形态,对含水层2、含水层3中污染羽形态影响相对不大;抽水使污染物优先向抽水井迁移,但不会改变连通通道内的迁移路径。抽水井附近上水头一侧污染物浓度小于下水头一侧,即使污染物远离抽水井也会反向迁移,延长对抽水井的影响时间。(3) 与不抽水的情况相比,抽水明显加快污染物的迁移速率,抽水速率为300 mL/min时,均质含水层、含砾石和粉细砂夹层的非均质含水层、含砾石通道的非均质含水层中污染物的平均迁移速率分别增大了1.570、1.480、3.050 cm/min,迁移60 cm所用时间分别缩短了36、35、48 min。抽水对含砾石通道的非均质含水层中污染物的迁移速率影响最大。在进行抽水井附近含水层地下水环境影响评价和污染修复时,应综合考虑含水层性质和抽水作用对污染物迁移路径及速率的共同影响。参考文献:[1] QIU J.China faces up to groundwater crisis[J].Nature,2010,466(7304):308.[2] GUO F,JIANG G,YUGN D,et of major environmental geological problems in karst areas of Southwestern China[J].Environmental Earth Sciences,2013,69(7):2427-2435.[3] 余期冲,祝晓彬,吴吉春,等.死端孔隙对溶质运移影响的试验研究[J].水文地质工程地质,2017,44(4):160-164.[4] 向龙,余钟波,MON J,等.大空隙流变化对溶质运移的影响试验研究[J].水利学报,2010,41(8):927-934.[5] ZHENG F,GAO Y,SUN Y,et of flow velocity and spatial heterogeneity on DNAPL migration in porous media:insights from laboratory experiments and numerical modelling[J].Hydrogeology Journal,2015,23(8):1-16.[6] 韩科学,覃荣高,曹广祝,等.层状非均质各向异性含水层中抽水井对污染物迁移影响数值模拟研究[J].地球与环境,2017,45(5):540-545.[7] 覃荣高,曹广祝,仵彦卿.非均质含水层中渗流与溶质运移研究进展[J].地球科学进展,2014,29(1):30-41.[8] ILLMAN W A,BERG S J,LIU X Y,et /partitioning tracer tomography for DNAPL source zone characterization:small-scale sandbox experiments[J].Environmental Science & Technology,2010,44(22):8609-8614.
文章来源:《水电与抽水蓄能》 网址: http://www.sdycsxn.cn/qikandaodu/2021/0219/459.html
上一篇:高精度同步时钟授时系统在抽水蓄能电厂的应用
下一篇:抽水蓄能电站小知识汇总