内陆平原区粘土对浅层地下水与中深层咸水循环交替的阻滞作用

The Shallow fresh water, middle deep brackish water and deep fresh water are generally distributed by Quaternary Sedimentary with frequent transgressions and continental salinization in North China. The research on clay layer that kept brackish water and fresh water with high differential concentration for several hundred thousand years retarding freshwater quality deterioration is still almost in blank. This topic studies on penetrating property of large scale Cohesive Soil and penetrating quality and compacting-releasing water of core column,the former plans to adopt contant water head pressure test and the later is using by high pressure penetration test in 1~2 Mpa. Retarding/ separating action of Cohesive Soil is studied on variation characteristics of seven ions (such as Ca2+,Mg2+, Na+, K+,Cl-,SO42- and HCO3-) in pinching-out water by high pressure penetration test under varying-head and varying-salinity condition. And then, the effect of the water chemical interaction on hydraulic properties of clay is explored using flow numerical simulation inversion interaction,combinding exchange capacity of clay soil ions with quantitative test result of aquifer isotope（such as 14C,3H,CFC and O）and inorganic ions stability to evaluate the influence of clay on exchange capacity of fresh water and middle brackish water quantificationally and control action of level runoff and vertical transflunence system from clay soil. The topic expects to deepen transfusion theory and water cycle mechanism in salt water field with providing basis for water resources protection.

华北地区第四纪沉积历经多次海侵作用和大陆盐化作用的影响，广泛分布浅层淡水、中深咸水和深层淡水，使咸、淡水保持数10 万年高浓度差的深部粘土，对于阻滞淡水水质恶化的研究尚属空白。拟采用野外定水头压水试验研究大尺度粘性土的渗透性能，采用1~2 Mpa 水压下渗透试验,取得粘土岩芯柱的渗透性和压密释水量；采用土柱示踪试验研究粘土孔隙性；通过变水头、变盐度高压渗透试验压出液中7 种离子(Ca2+ \Mg2+\Na+ \K+ \Cl-\SO42-\HCO3-)变化特征，研究不同压力差下粘土的阻滞\分离作用；采用水化学数值模拟反演越流场的水文地球化学作用，进而探讨水化学作用对粘土水力性质的影响；结合粘土离子交换容量、同位素（14C\3H\CFC\O）及无机离子测试,定量评价粘土对淡水与中层咸水交换作用的影响程度，阐明粘土对垂向越流系统控制作用。本课题可望深化内陆平原区地下水循环机理，为水资源保护提供依据。

由于大陆盐化作用的影响，内陆平原区咸淡水分布不均，粘土对于长期维持中层咸水与浅层淡水和深层淡水高浓度差的作用机理尚需深入探讨。本研究以越流系统中粘土为研究对象，采用野外实时监测、野外试验、室内实验、水质分析、同位素测试、数值模拟等方法，研究内陆平原区中层咸水含水系统中粘土的水力性质、粘土的阻滞作用、粘土对咸淡水交替的影响程度，揭示中层咸水水化学成分形成及演化机制，取得如下认识：.历时四个水文年长期野外实时监测和水化学分析测试表明，浅层咸水、中层咸水水质动态稳定；受粘土阻滞作用的影响，不同深度咸水离子浓度有突变性，咸水水化学类型具水平分带和垂向分带特征，越流作用并未大幅改变中层咸水水质特征；.变水头高压渗透实验取得粘土越流的起始压力水头值，揭示越流形成条件；高压渗透实验获取压出液的水质指标，揭示越流水质特征，阐明咸水界面移动的变化机制。变盐度高压渗透实验与扫描电镜证实，越流过程中存在岩盐溶解，也存在沉淀作用与离子交换作用，咸水越流后粘土的渗透性和孔隙度降低，且具有不可逆性。.采用温度示踪法定量估算中层咸水的垂向交替速度极其缓慢；水化学模拟揭示咸水演化水文地球化学作用；同位素数据证实中层咸水交替缓慢，但也存在大时间尺度的水循环交替作用。.吸附动力学实验证实粘土对咸水中Na+、Mg2+离子有较强的阻滞作用，粘土对Na+、Ca2+、Mg2+的最优吸附等温曲线符合Henry方程、Langmuir方程，粘土的阻滞作用不仅与粘土矿物的含量有关，阻滞系数大小还与咸水离子浓度有一定关系。.因此，中层咸水具有成因类型多样性、水化学成分形成影响因素多重性、水质演化过程复杂性和持久缓慢性、空间展布上具有分带性。短期的现代水循环对咸水的水质影响较弱。粘土阻滞作用保持中层咸水水质动态相对稳定。研究成果深化了对内陆平原区中层咸水的认识，丰富了粘土水力性质的基础理论，也为未来咸水改良提供基础水文地质数据。