《Journal of Hydrology》：Impact of argillaceous sediment consolidation on groundwater quality evolution: new insights from numerical simulations of porewater and solute release
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地下水抽水导致黏土沉积物固结过程中，孔隙水及溶质释放机制受动态渗透率与孔隙应力调控，常规简化模型易造成70%以上误差。实验与数值模拟显示，当含水量达液限（0.55）时渗透率骤降100倍，孔隙应力超0.25MPa触发自由-束缚水混合，显著影响Sr、HCO3?等溶质释放路径。
邱文凯|杜瑶|马腾|刘文辉|刘叶彤|卜晓创|郑博林|彭子琪|肖聪|黄启伟
地下水质量与健康重点实验室（中国地质大学），教育部，中国武汉430078
摘要 在地下水抽取过程中，黏土沉积物的固结以及伴随的孔隙水和溶质的释放是导致水资源紧张地区地下水质量恶化的关键因素，然而其背后的物理机制往往被忽视。本研究通过观测和模拟发现，黏土压缩过程中溶质的释放并不简单地与溶质浓度和孔隙水体积成正比。我们使用自制的固结仪连续记录了水分含量、孔隙应力和渗透性，发现当水分含量达到液限（约0.55）时，渗透性下降了约100倍。这种急剧下降加剧了孔隙应力，并在孔隙应力超过约0.25 MPa时促进了自由孔隙水与结合孔隙水之间的混合。将时变物理性质与大应变固结理论相结合的数值模拟再现了观测到的水分和孔隙应力变化趋势。当考虑到我们先前研究中量化孔隙水地球化学非均匀性和混合效应后，模型能够较好地解释锶（Sr）、碳酸氢根离子（HCO3 – ）、溶解有机碳（DOC）、铵离子（NH4 + ）和砷（As）的变化过程。这些结果表明，时变的物理化学性质，尤其是渗透性和地球化学非均匀性，控制着自由水与结合水之间的分配以及相关溶质的释放。忽略这些过程会导致对自由孔隙水中溶质释放量的高估，而对结合孔隙水中溶质释放量的低估；在初始水分含量接近液限且加载速率较高时，这种偏差可高达70%。通过将这些因素纳入黏土固结模型中，我们的框架能够更准确地预测不同抽取条件下的孔隙水和溶质释放情况，从而为制定更可持续的地下水抽取策略提供依据。
引言 黏土沉积物的动态渗透性和压缩性是其重要的物理特性（Lekha等，2003；Schiffman和Gibson，1964）。这些特性决定了它们的固结过程和孔隙水排放过程，这是颗粒介质中的一种流体-结构相互作用（Abbasi等，2007）。随着对地下水需求的增加和地面沉降问题的加剧，人们对黏土沉积物的固结及其相关孔隙水排放问题越来越关注（Calderhead等，2010；Teatini等，2006；Wang等，2021）。最近的研究表明，压缩黏土层释放的有害成分对含水层的可用性产生了影响，这也是地下水抽取的一个副作用（Mihajlov等，2020）。黏土固结是地质学中的一个经典问题，已研究了几十年（Biot，1941；Terzaghi，1943）。因此，工程地质学中发展出的经验公式和本构关系自然也被应用于水资源和环境科学领域（Erban等，2013；Jiao等，2010；Teatini等，2006）。这些应用旨在评估黏土固结对地质污染地下水（GCGs）形成的影响，结果发现有害溶质（尤其是水溶性无机砷）的浓度和通量异常高（Xiao等，2021a）。例如，全球范围内地下水质量的恶化，包括圣华金谷、湄公河三角洲、墨西哥城和华北平原地区，都与黏土沉积物的历史和持续固结过程有关（Erban等，2013；Esteller等，2012；Smith等，2018；Sun等，2022）。
一个关键问题是，工程地质学中的经验是否适用于水资源和环境科学领域。在工程地质学中，沉降和固结程度是研究地面沉降和黏土固结的主要关注点（Barden，1965；Skempton，1969）。因此，人们采用了简化方法，例如将渗透率指数（C k C c C k C c
还需要明确的是，黏土沉积物中孔隙水释放过程中伴随的溶质释放与隔水层中溶质的反应性传输（RST）不同（图1）（Muniruzzaman和Rolle，2019）。在前者中，溶质主要是通过压缩沉积物中原本储存的孔隙水的机械挤出而释放的，而RST主要描述了溶质在低渗透性介质中的传输和地球化学反应。因此，孔隙水释放是一个由物理过程驱动的源过程，而RST主要是溶质释放后的传输-反应过程。这种区别表明，之前耦合的固结和RST模型没有明确考虑孔隙水在沉积物固结过程中被挤压的过程（Pu和Fox，2016）。这些模型最初是为安全储存核危险物质和碳而开发的（Glaus等，2024；He等，2022；Jenni等，2021）。从压缩黏土层中释放的有害成分（如砷、铵和氟化物）是由于孔隙水中含有高浓度溶质而被挤压出来的，而不是来自相邻含水层的反应性泄漏（Jiao等，2010；Li等，2020；Yan等，2000）。之前对溶质释放过程的详细研究较少受到关注，可能是因为人们假设孔隙水溶液是均匀的（Qiu等，2025c）。
在以往的研究中，黏土固结过程中溶质的释放量通常是通过结合地面沉降率和代表性溶质浓度或应用菲克定律来估算的（Bonnesen等，2009；Jiao等，2010；Smith等，2018）。当认识到孔隙水的非均匀性特征，并发现其与水分含量、结合强度和孔隙应力高度相关时（Qiu等，2025c），情况发生了变化。基于提取孔隙水的地球化学特性的代表性浓度可能不可靠，而且这些物理性质在黏土沉积物固结过程中的空间分布可能存在较大变化。由于从不同位置释放的孔隙水成分不同且依赖于物理性质，因此需要进一步明确深度变化的固结程度和过量的孔隙应力。因此，有必要开发一个更精细的模型来准确确定黏土固结对地下水质量恶化的历史和未来贡献。
在这项研究中，我们利用实验数据约束的数值模拟来研究黏土沉积物固结过程中控制孔隙水和溶质释放的物理机制。具体来说，进行了六次固结实验，每次实验持续超过7天，使用自制的固结仪量化了固结过程中不同位置孔隙应力、水分含量和渗透性的变化。通过结合动态压缩性和渗透性特性，我们将黏土沉积物中的孔隙水排放和变形过程联系起来，从而确定了时变物理特性的分布。基于先前关于孔隙水地球化学非均匀性的数据和改进的大应变固结模型，我们重建了从排水表面排出的孔隙水的水化学特性的大部分变化。我们的模型整合了黏土沉积物在固结过程中的物理和化学动态，从而能够更全面地评估短期水资源需求和长期地下水质量的变化，最终有助于更有效的水资源管理。
样本采集 样本采集 样品采集自江汉平原（JHP）的稻田。去除回填土和耕作土后，使用圆柱形采样器从地下约1米处采集沉积物样本（Xiao等，2021a）。样品用塑料薄膜和铝箔包裹以防止变形和孔隙水释放，然后运输到4°C的冷藏设施中保存（Qiu等，2025c；Qiu等，2022）。
黏土沉积物物理性质的模拟与观测演变 图4显示了数值模拟和实验室测量得到的沉积物厚度、孔隙应力、水分含量和最终水分含量的变化情况。
模拟的沉积物压缩轨迹与观测到的厚度减小情况（2.2–8.1毫米，RMSE）吻合良好，表明时变压缩系数有效地反映了黏土沉积物的固结行为（图4a）。值得注意的是，观测到的初始压缩速率
固结过程中控制孔隙水混合和溶质释放的机制 总体而言，通过引入时变压缩系数和渗透系数，所开发的模型能够再现黏土沉积物的一般固结行为。这包括水分含量在液限附近停滞以及伴随的过量孔隙应力积累现象。这些过程改变了黏土沉积物固结过程中的孔隙应力和水分含量的空间分布。
结论 我们的研究结果表明，黏土沉积物固结过程中的溶质释放并非简单地是代表性溶质浓度和总孔隙水释放量的乘积。实际上，它受到具有不同化学特性的孔隙水组分混合的控制，这种混合受到固结过程中物理性质变化的影响。连续的固结仪实验揭示了孔隙应力和水分含量的两阶段变化过程。
作者贡献声明 邱文凯： 撰写——初稿、验证、方法论、研究设计、资金获取、数据分析、概念构建。杜瑶： 撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取。马腾： 撰写——审稿与编辑、监督、资源协调。刘文辉： 研究、数据分析。刘叶彤： 研究、数据分析。卜晓创： 撰写——审稿与编辑、软件开发、方法论研究、数据分析。郑博林：
利益冲突声明 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢 本项目的资金由国家自然科学基金 （编号：42507284、42422707、41630318）和湖北省自然科学基金 （编号：2022CFA029）提供。我们感谢Ecohydrology研究小组（ERG）和Philippe van Cappellen对W.Q.的支持以及对其手稿的修改建议。作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究结果。
