包气带水分入渗过程中气压变化及其对电阻率的影响研究

来源 :张厚胜 | 被引量 : 0次 | 上传用户:WOAILANTIAN112358
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电阻率法(Electrical Resistivity Tomography,简称ERT)是一种常用的环境地球物理方法,ERT通过在表层布设电极,得到不同深度的电阻率响应特征,从而可以对深层介质性质作出识别。因其原位无损、操作便捷、方法成熟等优点,在岩溶勘查、地层分布、坝体渗漏等水文地质领域得到广泛应用,近些年来更是被成功应用于包气带中的水分和溶质运移过程的监测研究。包气带中的水分运移实质上是土壤孔隙中水相和气相相互驱替的过程,前人在利用ERT进行入渗过程监测时主要关注水相,低估或是忽略了气压(气相变化)对水分运移的影响,因而可能导致监测结果不能客观反映水分运移的真实情况。在采用ERT监测包气带水分运移过程中,何时应当充分考虑气压影响这一问题尚不明确。基于上述问题,本文开展了不同岩性结构、不同入渗强度条件下水分在包气带入渗过程中的气压变化规律及视电阻率的响应特征研究。首先,开展了包气带水分入渗的二维砂箱实验研究,在均质、“上细下粗”与“上粗下细”三组岩性结构下,分别设置不同的入渗强度及砂箱侧壁气孔开闭状态,通过原位气压计监测包气带中气压变化,探讨包气带中气压变化规律;随后,采用多相流数值模拟软件TOUGH2对入渗过程的气压变化进行了水气二相流模拟;最后,在上述水分入渗二维砂箱实验基础上,利用ERT对入渗过程进行监测,探讨了气压变化对视电阻率的影响,研究得到以下主要结论:(1)二维砂箱实验结果表明在砂箱侧壁气孔打开条件下,包气带中的气压变化在水分入渗过程中始终很小,变化幅度基本在100Pa以内。在气孔封闭条件下,当入渗强度小于“临界入渗强度”时,包气带中气压变化很小,保持在100Pa附近;当入渗强度大于“临界入渗强度”时,包气带中气压在不同实验条件下增加1400~2000Pa,会造成湿润锋的推进速度滞后16~22s。同一入渗强度条件下不同岩性结构砂箱中气压变化幅度不同:“上粗下细”岩性结构中最大,20/30目均质岩性结构中次之,“上细下粗”岩性结构中气压变化幅度最小。(2)包气带入渗过程的水-气二相流数值模拟结果表明TOUGH2可以较好地模拟二维砂箱实验实测的气压变化规律。(3)ERT监测结果表明包气带水分入渗过程中气压一方面会改变水分下渗速度,造成含水率变化进而影响到视电阻率的变化,视电阻率与含水率的关系符合Archie公式;另一方面,气压变化本身也对视电阻率产生影响:在入渗强度大于“临界入渗强度”时,包气带内湿润锋未达区域气压会直接影响相应位置的视电阻率,视电阻率呈现出随着气压增大而减小的规律,视电阻率变化大小和气压变化大小呈明显相关关系。(4)在本文有限的气压变化条件下,因气压增大导致视电阻率的减小值占因含水率变大而导致视电阻率减小值的6.07%~10.90%,可预见在气压变化较大时,气压对ERT监测结果的影响更加不容忽视。
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