耿新新，張鳳娥，朱譜成，馬琳娜，陳 立，郭春艷

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊 050061；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；3.自然資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050061)

1 實(shí)驗(yàn)背景與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 場(chǎng)地概況及含水層特征

回灌試驗(yàn)場(chǎng)地位于石家莊市藁城區(qū)梨園莊村東北角(圖1)，東西寬約400 m，南北長(zhǎng)約500 m，由4個(gè)回灌井和8個(gè)觀(guān)測(cè)井組成?；毓嗄繕?biāo)含水層為埋深39～60 m處的砂層，產(chǎn)狀近水平，巖性由灰白色細(xì)砂、灰黃色中粗砂、灰黃色含礫粗砂及少量礫石組成，該含水層橫向延伸性好，富水性強(qiáng)，單井涌水量1 000～3 000 m3/d，具有較強(qiáng)的回灌潛力[16]。

圖1 回灌場(chǎng)地平、剖面圖Fig.1 Plan and section of the groundwater artificial recharge site

表1 含水介質(zhì)的粒徑占比Table 1 Particle size ratio of aqueous medium %

表2 含水介質(zhì)可溶鹽測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of soluble salt in aqueous medium mg?kg-1

1.2 場(chǎng)地地下水與回灌水水質(zhì)特征

表3 灌渠水與地下水水質(zhì)測(cè)試結(jié)果Table 3 Water quality test results of surface water and groundwater mg/L

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)際回灌過(guò)程中回灌水源與地下水的混合比隨時(shí)間不斷變化[11]，本次實(shí)驗(yàn)將灌渠水與場(chǎng)地地下水分別以3 ∶1、1 ∶1及1 ∶3的比例進(jìn)行混合，并與回灌含水層中的3種不同粒徑的介質(zhì)發(fā)生水巖反應(yīng)，給定不同的實(shí)驗(yàn)編號(hào)(表4)代回灌水與地下水混合帶中不同部位在回灌不同時(shí)段的水-巖相互作用過(guò)程。

表4 實(shí)驗(yàn)方案Table 4 Experimental scheme

實(shí)驗(yàn)采用9個(gè)規(guī)格大小相同的馬氏瓶作為反應(yīng)容器。首先，將回灌目標(biāo)含水層的代表性巖芯樣品各取3份，每份4 kg，放入不同的馬氏瓶中；再將3種不同混合比例的水樣分別從裝有不同介質(zhì)的馬氏瓶底部緩緩注入，使氣泡完全從巖樣中排出，當(dāng)注入水樣微微淹沒(méi)實(shí)驗(yàn)介質(zhì)時(shí)，即停止注水，并利用橡皮塞封住馬氏瓶頂端瓶口。將裝有混合水樣及實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的馬氏瓶放置在恒溫箱中，恒定溫度的設(shè)置依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的地下水溫為16 ℃。

2 回灌含水層水質(zhì)變化規(guī)律

2.1 pH、Eh及TDS變化特征

pH、Eh及TDS變化特征如圖2所示。實(shí)驗(yàn)初始時(shí)刻，不同混合水樣中的pH值均介于灌渠水和地下水之間，且混合水樣之間的pH值差異較小。隨著水-巖相互作用時(shí)間的增加，混合水樣中的pH值的變化特征為均在0～72 h時(shí)段內(nèi)明顯升高，在72 h后趨于穩(wěn)定并與地下水的pH值相當(dāng)，這說(shuō)明在0～72 h時(shí)段受水-巖作用的影響導(dǎo)致pH值向堿性方向發(fā)展，并在72 h后達(dá)到了新的酸堿平衡狀態(tài)(圖2(a))?；旌纤畼又蠩h值的變化趨勢(shì)與水的pH變化趨勢(shì)恰好相反，其變化特征均為在0～72 h時(shí)段內(nèi)明顯減小，72 h后趨近地下水的Eh值，說(shuō)明水-巖相互作用過(guò)程中混合水樣的還原性逐漸增強(qiáng)(圖2(b))。由此可知，隨著混合水與含水介質(zhì)相互作用時(shí)間的增長(zhǎng)，混合水中的pH與Eh值會(huì)逐漸恢復(fù)到原有地下水的大小。

不同占比的混合水與含水介質(zhì)作用后總?cè)芙夤腆w的(TDS)質(zhì)量濃度均呈先增大后減小的變化特征，但不同混合比的水樣與不同粒徑含水介質(zhì)反應(yīng)后，TDS變幅表現(xiàn)為：在同種粒徑含水介質(zhì)中，混合水中地表水占比越大，則TDS變幅越大；在同一混合比例條件下，粒徑越小的含水介質(zhì)中混合水的TDS變幅越大(圖2(c))。

2.2 主要離子變化特征

圖3 回灌含水層中主要離子質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化特征Fig.3 Time-varying characteristics of the concentration of major ions in the recharged aquifer

3 結(jié)果分析與討論

3.1 混合作用

3.2 碳酸平衡作用

圖離散點(diǎn)圖Fig.4 Discrete point diagram of and pH

3.3 溶解沉淀作用

利用Na+與Cl-毫克當(dāng)量γ(meq/L)的比值可判斷水-巖相互作用過(guò)程中Na+、Cl-的礦物來(lái)源[17]。實(shí)驗(yàn)起止時(shí)刻不同混合比水樣中γ(Na+)、γ(Cl-)離散點(diǎn)均分布于直線(xiàn)的上方(圖5)，圖中黑色直線(xiàn)為γ(Na+)/γ(Cl-)=1，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中γ(Na+)、γ(Cl-)離散點(diǎn)向右上方漂移，表明水-巖相互作用過(guò)程中Na+、Cl-質(zhì)量濃度升高受鹽巖和硅鋁酸鹽礦物溶解控制。此外，結(jié)合含水介質(zhì)特征可知水-巖反應(yīng)過(guò)程中K+質(zhì)量濃度升高受含水介質(zhì)可溶鹽中的鉀鹽和鉀長(zhǎng)石的溶解控制。

圖5 γ(Na+)/γ(Cl-)的離散點(diǎn)圖Fig.5 Discrete point diagram of γ(Na+)and γ(Cl-)

圖的離散點(diǎn)圖Fig.6 Discrete point diagram of γ(Ca2++Mg2+)

朗格利爾指數(shù)(LSI)可反映水-巖作用過(guò)程中方解石是否產(chǎn)生沉淀[21]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中LSI隨時(shí)間變化曲線(xiàn)(圖7)顯示，不同混合比水樣中的LSI值大小次序均為3 ∶1>1 ∶1>1 ∶3>0(灌渠水 ∶地下水)。隨著水-巖相互作用時(shí)間的增長(zhǎng)，混合水樣中的LSI值均逐漸增大在t=48 h時(shí)均大于0.5，并在72 h后趨于穩(wěn)定，而當(dāng)LSI>0.5時(shí)表明水中可產(chǎn)生方解石沉淀。由此可知，利用灌渠水回灌地下水的混合帶中可產(chǎn)生方解石沉淀。

圖7 LSI隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.7 Time-varying curves of LSI

3.4 硝化作用

表5 混合水樣在0～96 h內(nèi)的質(zhì)量濃度增量一覽表Table increment of mixed water samples within 0-96 h mg/L

3.5 反向水文地球化學(xué)模擬

表6 反向水文地球化學(xué)模擬結(jié)果Table 6 The results of inverse hydrogeochemical models mmol/L

結(jié)合實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要離子濃度的變化特征和反向水文地球化學(xué)模擬結(jié)果，可將混合帶中水-巖相互作用過(guò)程歸結(jié)為如下化學(xué)反應(yīng)：

NaCl→Na++Cl-，

(1)

(2)

Mg2+(lq)→ Ca2+(sd)，

(3)

2KAlSi3O8+4H2O→2Al(OH)3+6SiO2+2K++2OH-，

(4)

2NalSi3O8+4H2O→2Al(OH)3+6SiO2+2Na++2OH-，

(5)

(6)

(7)

0.165Ca2++ 2.33Al(OH)3+3.67SiO2+7.34H2O→Ca0.165Al2.33Si3.67O10(OH)2+0.33H++9.67H2O。

(8)

3.6 討 論

1)碳酸巖鹽沉淀是地下水人工回灌過(guò)程中導(dǎo)致化學(xué)堵塞的主要因素之一[23]，但回灌過(guò)程中水化學(xué)演化導(dǎo)致的化學(xué)堵塞的時(shí)間尺度跨度非常大，因此通常采用水文地球化學(xué)模型開(kāi)展礦物沉淀風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估[24,25]。對(duì)比表5中反向水文地球化學(xué)模擬結(jié)果可知，在相同介質(zhì)不同混合比條件下水中的方解石沉淀量大小依次均為3 ∶1>1 ∶1>1 ∶3，相同混合比水樣與不同粒徑的介質(zhì)作用后方解石沉淀量大小依次均為砂樣3>砂樣2>砂樣1，表明地表水占比越大、含水介質(zhì)粒徑越細(xì)方解石的沉淀量越高。由此可推斷在場(chǎng)地回灌過(guò)程中，長(zhǎng)期利用當(dāng)?shù)氐乇硭ㄟ^(guò)回灌井補(bǔ)給地下水時(shí)，在井壁附近粒徑較細(xì)的含水層位發(fā)生碳酸巖鹽類(lèi)型化學(xué)堵塞的風(fēng)險(xiǎn)較高。

4 結(jié) 論

1)隨著回灌層位混合帶水-巖相互作用時(shí)間的增長(zhǎng)，混合水的pH與Eh值會(huì)逐漸恢復(fù)到與原地下水一致，TDS變化特征表現(xiàn)為先增大后緩慢降低，且地表水占比越大、含水介質(zhì)粒徑越細(xì)，則其變幅越大。

3)水-巖相互作用過(guò)程中溶解的礦物有石膏、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石及鹽巖，析出的礦物有方解石、鈣蒙脫石及石英，且地表水占比越大、含水介質(zhì)粒徑越細(xì)方解石的沉淀量越大。回灌過(guò)程中在地表水占比大且粒徑較細(xì)的含水層中發(fā)生碳酸巖鹽化學(xué)堵塞的風(fēng)險(xiǎn)較高。