應用土柱試驗求解地下含水介質彌散系數

李 霄，都基眾，崔 健，馬宏偉，楊 澤，柴 璐

(1.中國地質調查局沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽110034;2.吉林大學環境與資源學院，吉林 長春130026)

應用土柱試驗求解地下含水介質彌散系數

李 霄1，2，都基眾1，崔 健1，馬宏偉1，楊 澤1，柴 璐1

(1.中國地質調查局沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽110034;2.吉林大學環境與資源學院，吉林 長春130026)

污染物質在地下含水介質中的運移，除受滲透系數等水文地質條件的制約外，還受到含水介質彌散系數的控制。污染物的擴散，首先是從包氣帶開始進行的，渾河沖洪積扇地包氣帶主要巖性是亞粘土及亞砂土，因此，計算出渾河沖洪積扇包氣帶的彌散系數，對于認識污染物的運移能力是一項必要的工作。本文利用室內動態土柱裝置，模擬包氣帶巖性環境，以0.05 mol/L的NaCl溶液作為示蹤劑，經長時間監測，運用彌散系數計算公式進行求參。計算結果是包氣帶以亞粘土為主要巖性的彌散系數為0.005 71 m2/d，亞砂土的彌散系數為0.012 47 m2/d。

室內動態土柱;亞粘土;亞砂土;電導率;彌散系數

污染物質通過包氣帶時，常與介質發生各種各樣的物理、化學和微生物作用。作用程度與介質特性及污染質性質有關。然而，污染物隨降水下滲的過程還與降水強度、介質巖性等因素密切相關［1］。通過動態土柱試驗，可以模擬污染物質在包氣帶介質條件下，隨水下滲的動態過程，進而考查有機物對地下水污染的可能性［1－2］。包氣帶土中有機質對有機物的吸附和微生物生長的影響較大，而有機質在包氣帶中的分布直接決定著土壤對有機物的吸附及包氣帶中微生物繁殖和數量的多少，從而影響到有機物的微生物降解。包氣帶中有機質多分布在表層一定深度內，隨著土層深度的增加，有機質含量一般逐漸降低，微生物的數量也越來越少，而且隨著土壤深度的增加，土壤包氣帶中的氧氣含量也隨之降低，所以，包氣帶表層對有機物遷移轉化的影響較其深處顯著的多。因此，要研究有機物經包氣帶進入地下水的可能，就必須研究表層一定深度內包氣帶對有機物遷移行為的影響。

渾河沖洪積扇地包氣帶巖性以亞粘土與亞砂土分布最廣，故本實驗將分別測定污染物在兩種包氣帶巖性環境下的遷移速率和彌散系數，以此作為研究內容，直觀反映有機污染物在不同包氣帶巖性環境下的遷移情況。

1 遷移速率及彌散系數(D)的試驗原理

彌散系數(D)與多孔介質的特性有關［3］，在實驗室內用連續投加示蹤劑 NaCl的方法進行測定。將初始濃度 C0為0.05 mol/L的示蹤劑 NaCl溶液 從上部連續注入土柱中，測定不同時刻取樣口處的示蹤劑 NaCl濃度，作出 c～t曲線，即穿透曲線。

根據公式1計算出彌散系數。

式中:D為彌散系數(m2/d);V為水的運移速度(m/d);t0.16、t0.5、t0.84分別為 C/C0等于 0.16、0.5 和 0.84 的時間(d)。

根據公式2計算遷移速率。

式中:L為取樣口位置(m)。

根據電化學中摩爾電導率的定義［4］，某電解質溶液的電導率與該電解質的摩爾溶液的比值稱為該溶液的摩爾電導率，電導率與溶液濃度具有如圖1所示的關系曲線，可知若配制電解質溶液未達到飽和時，即摩爾電導率未達到極限時，該溶液電導率與濃度成正比，見公式3。

式中:k為電導率(S/m);c為濃度(mol/L);Λm—摩爾電導率(Sm2mol－1)

本試驗需要隨時測試滲濾液濃度，為降低試驗造價并提高工作效率，考慮利用電導率替代測試濃度以進行求參。常溫條件下 NaCl溶解度為36g/100g水，配制0.05 mol/lNaCl溶液遠未達到飽和，符合電化學原理，則公式1中 t0.16、t0.5和 t0.84可分別表示為 k/k0值等于 0.16、0.5 和 0.84 時所對應的時間，進行計算。

圖1 電導率與溶液濃度關系曲線圖

2 試驗準備

2.1 試驗物品的準備

1)場地土:選擇污染程度低的原狀土。通過2009年渾河沖洪積扇地區內包氣帶巖性調查、土壤有機物監測及理化指標檢測結果，選擇污染程度相對最低的，且有機質檢出極少的 bz017(楊孟達，E123°13′19.0″，N41°39′22.4″)，bz018(得勝，E123°14′15.2″，N41°44′21.3″)兩處進行取土。兩處包氣帶巖性依次為亞粘土、亞砂土。

2)藥品:干粉 NaCl，配成濃度為0.05 mol/L的 NaCl溶液作為示蹤劑。

3)試劑:蒸餾水或去離子水、EDTA溶液。

4)有機玻璃土柱。

2.2 土樣的處理

1)土壤烘干，達到完全失水的狀態。

2)土壤物理參數計算:

a、土壤烘干后，充分研散，所用的裝柱土樣均過20目篩，以避免顆粒過大，降水后土柱塌陷。過篩后，對土粒進行顆粒分級。

b、利用土質學測定土粒密度方法［5］計算選用土樣的干密度。經計算，亞粘土的干密度為2.5 g/ml，亞砂土的干密度為 1.25 g/ml。

c、計算土壤的孔隙度。經計算，亞粘土孔隙度為15%，亞砂土孔隙度為25%。

2.3 土樣裝柱

試驗裝置選用內徑10 cm、高50 cm的有機玻璃管為滲流土柱的外壁，分別按照采樣點土壤包氣帶的原有分層進行裝柱，按照試驗設計選取不同包氣帶巖性土的原則，共安裝2個室內彌散試驗土柱。在有機玻璃柱的最下方裝上一層濾網，在上方裝2 cm石英砂和粗砂作為承托層，然后分別按順序裝土樣;在玻璃柱頂端布水板上鋪一層濾網，裝1 cm厚的石英砂(布水板自身厚1 cm，板內平均布滿直徑3 mm的均勻進水孔)，防止淋濾時水沖散土壤，以達到均勻進水的目的。裝樣過程中，使土層盡量均勻并壓實周邊，以避免水流短路;同時，盡量保持與天然狀態下的容重(干密度)和孔隙度相同。試驗裝置圖見圖2。

圖2 土柱安裝圖

式中:m為土層質量，g;h為各層土厚度，cm;r1為烘干前土壤容重;w1為烘干前土壤含水率;w2為烘干后土壤含水率;s為土柱的橫斷面面積(cm2)

裝樣順序及各層土厚見表1。

每層裝入土樣質量根據如下公式4計算:

表1 裝樣順序表

3 試驗步驟

1)裝填土柱及飽水。分層裝土時，每裝填一層土后，通過馬氏瓶向土層注水至飽水(水面剛剛浸過土面為準)，繼續裝填新一層土，以此類推，直至土柱內土樣全部充填完畢且飽水，然后將土柱封好。將馬氏瓶與土柱底部出水口相連，打開閥門由下而上充水，同時土柱頂部進水口與排氣口均打開，使土樣中的空氣排出后，再自上而下充水至飽水。

2)淋濾。土柱裝填完成后，用蒸餾水進行淋濾洗柱，直到淋濾溶液中無雜質離子析出。淋濾溶液中雜質離子的檢驗采用 EDTA溶液進行檢驗，如果淋濾溶液中加入 EDTA溶液不變紅，則說明淋濾液中已無雜質離子。

3)加入示蹤劑。配制初始濃度C0為0.05 mol/L的示蹤劑 NaCl溶液，用電導率儀測定其初始電導率并記錄。利用馬氏瓶將配制好的示蹤劑溶液由柱體頂部進水口自上而下連續注入土柱中，將注入示蹤劑的瞬時記為t0=0同時關閉排氣口，打開出水口排水。

4)測電導率。土柱外壁每隔10 cm有一個出水口，用以測定某一時刻該處示蹤劑溶液的電導率，時間間隔采用先密后疏的原則，以秒鐘作為計量單位，同時段對每個出水口的示蹤劑溶液進行連續電導率測量并記錄，直到各出水口處溶液電導率測量值等于示蹤劑溶液初始濃度C0為0.05 mol/L時的初始電導率，此時電導率達到穩定。

5)繪制k/k0－t關系曲線圖，用直角坐標曲線求參數。在曲線圖中分別找出 k/k0值等于0.16、0.5和0.84所對應的時間 t0.16、t0.5和 t0.84代入公式 1 及 2 中計算彌散系數和遷移速率。K為某一時刻電導率，k0為初始時刻電導率。

4 試驗結果

本次試驗共用時三天，亞粘土土柱各出水口所測示蹤液電導率在2 400 min趨于穩定，即示蹤液完全穿透土柱;亞砂土土柱各出水口示蹤液電導率在1 950 min趨于穩定。通過試驗得出:

亞粘土土柱:t0.16=1 248 min，t0.5=1 486 min，t0.84=1 838 min。

亞砂土土柱:t0.16=806 min，t0.5=906 min，t0.84=1 098 min。

L取從上至下第四個出水口至柱頂的距離35 cm，將試驗結果分別代入公式2、1得出:

亞粘土:V1=0.35m/1.0319d=0.3392m/d

D1=0.339 22× (1.276 4 －0.866 7)/(8 × 1.031 9)=0.005 71 m2/d

亞砂土:V2=0.35m/0.629 2 d=0.556 3 m/d

D1=0.556 32× (0.762 5 －0.559 7)/(8 × 0.629 2)=0.012 47 m2/d

圖3 亞粘土土柱彌散試驗穿透曲線

圖4 亞砂土土柱彌散試驗穿透曲線

5 結論及存在問題

1)經計算，亞粘土的彌散系數為0.005 71 m2/d，亞砂土的彌散系數為0.012 47 m2/d，從而確定在渾河沖洪積扇地上，兩處土壤取樣點的包氣帶彌散系數。

2)用測試電導率替代測試滲濾液濃度的辦法，可以大大降低工作成本和提高工作效率，在保證配制示蹤劑溶液濃度未超過摩爾電導率的極限值條件下，該種方法是適用的。

3)室內土柱試驗，是近似模擬含水介質原狀環境的一種試驗，無論模擬的程度多么高，仍然無法完美地復原原狀環境的條件。渾河沖洪積扇面積廣闊，包氣帶巖性復雜，本次試驗僅以兩處作為代表說明彌散系數如何求參，參數的使用上需注意區域的局限性。

［1］付向明.多環芳烴菲在包氣帶中的遷移轉化規律研究［D］.吉林長春:吉林大學.2007.

［2］謝文垠.城市垃圾填埋場地下水有機污染物遷移模擬［D］.四川成都:成都理工大學.2009.

［3］錢會，馬致遠.水文地球化學［M］.北京:地質出版社.2005.10:88.

［4］揚州大學化學化工學院.電化學基礎［CD］.揚州大學.15－17.

［5］王清，唐大雄等.工程巖土學［M］.北京:地質出版社.1999.8:155－160.

Application of Calculating the Diffusion Coefficient of Under ground Water－bearing Soil Media Through Soil Column Tests

LI Xiao1－2，DU Ji－ zhong1，CUI Jian1，MA Hong － wei1，YANG Ze1，ChaiLu1
(1.Shenyang Institute of Geology and Mineral Resources，Shenyang 110034，China;2.College of Entironment and Resources，Jilin University，Changchun 130026，China)

The migration of pollutants in the ground water－ bearing media is not only controlled by the permeability coefficient of hydro－geological conditions but also by the diffusion coefficient of water medium.The spread of pollutants starts from the vadose zone，and the lithology in the vadose zone of the Hun River Alluvial Fan lithology is mainly sub－clay and subsandsoil，therefore，calculating the vadose zone diffusion coefficient of the Hun River alluvial fan to understand the migration ability of contaminants is a necessary work.First of all，simulating the lithofacies environment of the vadose zone through the indoor dynamic soil column unit.Second，confecting 0.05 mol/L NaCl solution as tracer to monitor the changes of the concentration for a long time.The last，using the diffusion coefficient formula to calculate the parameters.The conclusion of diffusion coefficients are 0.005 71 m2/d in the sub － clay and 0.012 47 m2/d in the sub － sandsoil.

Indoor dynamic soil column;sub－clay;sub－sandsoil;conductivity and diffusion coefficient

P641.3

A

1004－1184(2012)04－0020－03

2012－03－13

中國地質調查局沈陽地質調查中心承擔并實施的“東北平原地下水污染調查評價綜合研究及專題研究”(1212010913004)

李霄(1983－)，男，吉林通化人，工程師，碩士研究生，主要從事水文地質、水資源環境評價、環境地質等研究工作。