多组分变化规律

Question

如题所述

Answer 1

海水入侵是一个多组分的对流—弥散运移过程，伴随着离子交换和碳酸盐、硫酸盐等矿物的溶解沉淀。设计中型土柱试验，模拟一维对流—弥散条件下的海水入侵过程，分析驱替过程中多组分离子交换和矿物溶解/沉淀规律（任加国，2007）。下面以实例进行说明。

1.试验装量

海水入侵试验采用定水头水流系统，主要由定水头装置、渗流柱和流出液测量系统三部分组成，试验装置如图3—8所示。土柱由有机玻璃柱组成，带有进水口和取样口。

图3—8 试验装置示意图

1—马氏瓶；2—塞子；3—玻璃管；4—泵；5—水槽；6—定水头管；7—止水夹；8—渗流柱；9—量筒；10—筛绢；11—玻璃弯管；12—橡胶管；13—支架；14—垫板

定水头装置是带有进水口、汇水口和注水口的容器，汇水口起到定水位的作用，即控制上端注水口的位置，使多余的水或溶液从汇水口流出，保证始终有少量水缓慢流出，使瓶内水位保持不变，水头差控制为2cm。渗流柱的进水端采用三通阀门，先通入地下淡水，直至流出液的电导率恒定；然后，用海水驱替地下淡水，定时收集流出液，测定pH值、体积、电导率和离子浓度，直至流出液中各离子成分的含量与海水中相应离子含量相同。

2.结果分析

通过用海水驱替饱和土柱中的地下水，模拟海水入侵时的状况，测定流出液中各离子成分的含量，试验结果如图3—9所示。

从图3—9中可以看出，在驱替过程中，开始时流出液主要为地下淡水，各离子成分变化不大，当流出液体积达到500mL时，溶液中Cl^—浓度迅速增大，之后增加缓慢，最终趋于稳定。由于Cl^—不参与反应，可以作为示踪剂，故以Cl^—为对照来分析其他离子浓度的变化。随Cl^—浓度的增加，其他离子的浓度也发生较大变化，结果分析如下：

1）流出液中Na⁺浓度的增加比Cl^—缓慢，达到稳定所需时间较长，表明海水与含水介质之间存在阳离子交换，Na⁺被含水介质吸附。

2）流出液中Ca²⁺浓度的变化较大，随Cl^—浓度的增加迅速增大，当流出液体积为500～800mL时，Ca²⁺浓度远远高于当地海水（289.30mg/L）和地下淡水（90.53mg/L）中Ca²⁺含量，这是由于阳离子交换作用使含水介质中的Ca²⁺被解吸，流出液Ca²⁺浓度增加并高于海水中Ca²⁺的浓度。当流出液体积为580mL时，Ca²⁺浓度达到峰值，之后逐渐减少，最终趋于海水中Ca²⁺的含量。

图3—9 海水入侵过程中离子浓度变化曲线

3）Mg²⁺浓度的变化在流出液体积较小时，与Ca²⁺变化相似，但当Ca²⁺浓度达到最高值时，Mg²⁺有一个变化平缓的“台阶”阶段，随后变化与Na⁺相似。分析试验数据可得地下淡水中

值为4.737，即在原先的平衡体系中，溶液中Ca²⁺的当量浓度是Mg²⁺的4.737倍。随着溶液中含盐量的增高，为维持原有的平衡，Ca²⁺随着Mg²⁺的增加而急剧增长，此时主要表现为Na⁺、Ca²⁺交换。当Na⁺、Ca²⁺交换达到极限时，交换出的Ca²⁺不再增加，为维持平衡，Mg²⁺开始进行阳离子交换。图3—9中表现为Mg²⁺的“台阶”阶段，Ca²⁺的“顶峰”阶段，随后溶液的平衡被打破，流出液中的Ca²⁺浓度开始下降，最后Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺均趋于稳定。

4）驱替过程中K⁺浓度变化较小，K⁺、Ca²⁺交换量也很小，K⁺主要表现为化学吸附作用。

5）

浓度呈波动式变化，说明海水入侵过程中可能存在着方解石及其他矿物的溶解沉淀作用；

的变化趋势与Cl^—较为一致，Ca²⁺浓度急剧增加，可能发生了石膏矿物的溶解沉淀作用。