准饱和多孔介质中地下水驱替速率、圈闭气体饱和度和准饱和渗透系数的关系

doi:10.13745/j.esf.sf.2022.1.38

地学前缘 ›› 2022, Vol. 29 ›› Issue (3): 256-262.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.1.38

准饱和多孔介质中地下水驱替速率、圈闭气体饱和度和准饱和渗透系数的关系

程东会¹^,²(), 李慧¹, 王军¹, 李爽³, 黄梦楠¹, 马成龙¹, 饶泽¹

1.长安大学水利与环境学院, 陕西西安 710054
2.干旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室, 陕西西安 710054
3.中国地质大学(武汉) 环境学院, 湖北武汉 430074

收稿日期:2022-01-30 修回日期:2022-02-08 出版日期:2022-05-25 发布日期:2022-04-28
作者简介:程东会(1969—),男,教授,博士生导师,主要从事多孔介质渗流方面研究工作。E-mail: chdhbsh@chd.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目(41972248);陕西省自然科学基础研究计划项目(2019JM-146)

The relationship between groundwater displacement rate, air-entrapped saturation, and quasi-saturated hydraulic conductivity in quasi-saturated porous media

CHENG Donghui¹^,²(), LI Hui¹, WANG Jun¹, LI Shuang³, HUANG Mengnan¹, MA Chenglong¹, RAO Ze¹

1. School of Water and Environment, Chang’an University, Xi’an 710054, China
2. Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effects in Arid Region, Ministry of Education, Xi’an 710054, China
3. School of Environmental Studies, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China

Received:2022-01-30 Revised:2022-02-08 Online:2022-05-25 Published:2022-04-28

摘要/Abstract

摘要：

圈闭有不连续、非流动和非混溶气体的含水层,被称为准饱和含水层。圈闭气体的存在会降低含水层的渗透性能,但准饱和渗透系数、圈闭气体饱和度和驱替速率之间的关系还没有完全被理解。本文通过室内砂性介质的驱替试验开展了圈闭气体饱和度、准饱和渗透系数和驱替速率三者相互关系的研究。研究表明,虽然总体上圈闭气体饱和度随驱替速率的增大而减小,但是在高驱替速率和低驱替速率分别出现了圈闭气体饱和度不随驱替速率变化的等值区间,该“台阶”型曲线可以采用与van Genuchten曲线类似的数学模型来表征,而砂性介质的准饱和渗透系数与圈闭气体饱和度之间呈简单的线性负相关关系。这两个经验模型说明可以用驱替速率定量估算准饱和渗透系数,该关系为利用驱替速率估算准饱和渗透系数提供了理论依据。上述准饱和水力学性质为深入理解准饱和地下水水流提供了依据。另外,驱替速率与圈闭气体饱和度的关系还表明,实验室测量完全饱和渗透系数时,应以大于初始毛细上升速率的速率进行饱和,以避免介质中的空气被水圈闭。

关键词: 圈闭气体饱和度, 准饱和渗透系数, 驱替速率, 准饱和含水层, 砂性介质

Abstract:

An aquifer that traps discontinuous and non-flowing air is called a quasi-saturated aquifer. The trapped air can reduce the permeability of the aquifer; however, the relationship between quasi-saturated hydraulic conductivity (K_q), trapped gas saturation (S_a-t), and displacement rate is not fully understood. In this study, a displacement experiment was conducted to illustrate the effect of displacement rate on S_a-t and K_q. S_a-t was found to generally decrease nonlinearly with increasing displacement rate and remained almost unchanged at the high or low displacement rate. This S-shaped curve can be mathematically expressed by a model similar to “van Genuchten equation”. Further, a linear negative correlation between K_q and S_a-t was found for sandy media. The two empirical models above imply that the displacement rate can be used to estimate K_q, which provides another approach for determining the K_q values. These hydraulic properties provide a basis for understanding quasi-saturated groundwater flow. In addition, the relationship between displacement rate and S_a-t showed that in experiments involving fully saturated porous media, the initial saturation rate should be greater than the initial capillary rise rate when measuring S_a-t to avoid air entrapment in the media.

Key words: trapped gas saturation, quasi-saturated hydraulic conductivity, displacement rate, quasi-saturated aquifer, sandy media

中图分类号:

X52
P641.2

程东会, 李慧, 王军, 李爽, 黄梦楠, 马成龙, 饶泽. 准饱和多孔介质中地下水驱替速率、圈闭气体饱和度和准饱和渗透系数的关系[J]. 地学前缘, 2022, 29(3): 256-262.

CHENG Donghui, LI Hui, WANG Jun, LI Shuang, HUANG Mengnan, MA Chenglong, RAO Ze. The relationship between groundwater displacement rate, air-entrapped saturation, and quasi-saturated hydraulic conductivity in quasi-saturated porous media[J]. Earth Science Frontiers, 2022, 29(3): 256-262.

图/表 5

表1 3个样品的粒度分布

Table 1 Particle size distributions for the three samples

样品	各粒级所占质量比例/%					不均匀系数	曲率
样品	<0.075 mm	0.075<0.15 mm	0.15<0.25 mm	0.25<0.50 mm	0.502.00 mm	不均匀系数	曲率
粗砂				22.98	77.02	2.31	0.86
中砂			42.43	56.55	1.02	1.59	0.96
细砂	13.87	15.01	71.12			1.51	1.00

图1 3个样品在不同毛细上升高度时的上升速率示意图

Fig.1 Plots of rate vs. height of capillary rise for the three samples

图2 3个样品驱替试验中驱替速率与圈闭气体饱和度的关系 a—粗砂;b—中砂;c—细砂。实测值为试验结果,计算值根据式(1)计算得到。

Fig.2 Plots of measured (open circle) and theoretical trapped gas satuation vs. displacement rate for the three samples

表2 3个样品的圈闭气体饱和度模型的模型参数

Table 2 The fitted parameters of the trapped gas satuation model for the three samples

样品	模型参数
样品	a/(cm·s^-1)	b	c
粗砂	4.99	7.20	-25.37
中砂	4.55	7.69	-33.46
细砂	4.76	8.32	-36.98

图3 准饱和渗透系数与圈闭气体饱和度之间呈线性负相关

Fig.3 Negative relation ships between the relative quasi-saturated hydraulic conductivity and trapped gas saturations in the three samples

参考文献 16

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准饱和多孔介质中地下水驱替速率、圈闭气体饱和度和准饱和渗透系数的关系

The relationship between groundwater displacement rate, air-entrapped saturation, and quasi-saturated hydraulic conductivity in quasi-saturated porous media

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