應(yīng)用土柱試驗(yàn)求解地下含水介質(zhì)彌散系數(shù)

李 霄，都基眾，崔 健，馬宏偉，楊 澤，柴 璐

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽110034;2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130026)

應(yīng)用土柱試驗(yàn)求解地下含水介質(zhì)彌散系數(shù)

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(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽110034;2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130026)

污染物質(zhì)在地下含水介質(zhì)中的運(yùn)移，除受滲透系數(shù)等水文地質(zhì)條件的制約外，還受到含水介質(zhì)彌散系數(shù)的控制。污染物的擴(kuò)散，首先是從包氣帶開始進(jìn)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(jì)算出渾河沖洪積扇包氣帶的彌散系數(shù)，對(duì)于認(rèn)識(shí)污染物的運(yùn)移能力是一項(xiàng)必要的工作。本文利用室內(nèi)動(dòng)態(tài)土柱裝置，模擬包氣帶巖性環(huán)境，以0.05 mol/L的NaCl溶液作為示蹤劑，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，運(yùn)用彌散系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行求參。計(jì)算結(jié)果是包氣帶以亞粘土為主要巖性的彌散系數(shù)為0.005 71 m2/d，亞砂土的彌散系數(shù)為0.012 47 m2/d。

室內(nèi)動(dòng)態(tài)土柱;亞粘土;亞砂土;電導(dǎo)率;彌散系數(shù)

污染物質(zhì)通過包氣帶時(shí)，常與介質(zhì)發(fā)生各種各樣的物理、化學(xué)和微生物作用。作用程度與介質(zhì)特性及污染質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。然而，污染物隨降水下滲的過程還與降水強(qiáng)度、介質(zhì)巖性等因素密切相關(guān)［1］。通過動(dòng)態(tài)土柱試驗(yàn)，可以模擬污染物質(zhì)在包氣帶介質(zhì)條件下，隨水下滲的動(dòng)態(tài)過程，進(jìn)而考查有機(jī)物對(duì)地下水污染的可能性［1－2］。包氣帶土中有機(jī)質(zhì)對(duì)有機(jī)物的吸附和微生物生長(zhǎng)的影響較大，而有機(jī)質(zhì)在包氣帶中的分布直接決定著土壤對(duì)有機(jī)物的吸附及包氣帶中微生物繁殖和數(shù)量的多少，從而影響到有機(jī)物的微生物降解。包氣帶中有機(jī)質(zhì)多分布在表層一定深度內(nèi)，隨著土層深度的增加，有機(jī)質(zhì)含量一般逐漸降低，微生物的數(shù)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(duì)有機(jī)物遷移轉(zhuǎn)化的影響較其深處顯著的多。因此，要研究有機(jī)物經(jīng)包氣帶進(jìn)入地下水的可能，就必須研究表層一定深度內(nèi)包氣帶對(duì)有機(jī)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(shí)驗(yàn)將分別測(cè)定污染物在兩種包氣帶巖性環(huán)境下的遷移速率和彌散系數(shù)，以此作為研究?jī)?nèi)容，直觀反映有機(jī)污染物在不同包氣帶巖性環(huán)境下的遷移情況。

1 遷移速率及彌散系數(shù)(D)的試驗(yàn)原理

彌散系數(shù)(D)與多孔介質(zhì)的特性有關(guān)［3］，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用連續(xù)投加示蹤劑 NaCl的方法進(jìn)行測(cè)定。將初始濃度 C0為0.05 mol/L的示蹤劑 NaCl溶液 從上部連續(xù)注入土柱中，測(cè)定不同時(shí)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(jù)公式1計(jì)算出彌散系數(shù)。

式中:D為彌散系數(shù)(m2/d);V為水的運(yùn)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(shí)間(d)。

根據(jù)公式2計(jì)算遷移速率。

式中:L為取樣口位置(m)。

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

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

本試驗(yàn)需要隨時(shí)測(cè)試滲濾液濃度，為降低試驗(yàn)造價(jià)并提高工作效率，考慮利用電導(dǎo)率替代測(cè)試濃度以進(jìn)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(yuǎn)未達(dá)到飽和，符合電化學(xué)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(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，進(jìn)行計(jì)算。

圖1 電導(dǎo)率與溶液濃度關(guān)系曲線圖

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)物品的準(zhǔn)備

1)場(chǎng)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(qū)內(nèi)包氣帶巖性調(diào)查、土壤有機(jī)物監(jiān)測(cè)及理化指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，選擇污染程度相對(duì)最低的，且有機(jī)質(zhì)檢出極少的 bz017(楊孟達(dá)，E123°13′19.0″，N41°39′22.4″)，bz018(得勝，E123°14′15.2″，N41°44′21.3″)兩處進(jìn)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(jī)玻璃土柱。

2.2 土樣的處理

1)土壤烘干，達(dá)到完全失水的狀態(tài)。

2)土壤物理參數(shù)計(jì)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(duì)土粒進(jìn)行顆粒分級(jí)。

b、利用土質(zhì)學(xué)測(cè)定土粒密度方法［5］計(jì)算選用土樣的干密度。經(jīng)計(jì)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(jì)算土壤的孔隙度。經(jīng)計(jì)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(yàn)裝置選用內(nèi)徑10 cm、高50 cm的有機(jī)玻璃管為滲流土柱的外壁，分別按照采樣點(diǎn)土壤包氣帶的原有分層進(jìn)行裝柱，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)選取不同包氣帶巖性土的原則，共安裝2個(gè)室內(nèi)彌散試驗(yàn)土柱。在有機(jī)玻璃柱的最下方裝上一層濾網(wǎng)，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(wǎng)，裝1 cm厚的石英砂(布水板自身厚1 cm，板內(nèi)平均布滿直徑3 mm的均勻進(jìn)水孔)，防止淋濾時(shí)水沖散土壤，以達(dá)到均勻進(jìn)水的目的。裝樣過程中，使土層盡量均勻并壓實(shí)周邊，以避免水流短路;同時(shí)，盡量保持與天然狀態(tài)下的容重(干密度)和孔隙度相同。試驗(yàn)裝置圖見圖2。

圖2 土柱安裝圖

式中:m為土層質(zhì)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(zhì)量根據(jù)如下公式4計(jì)算:

表1 裝樣順序表

3 試驗(yàn)步驟

1)裝填土柱及飽水。分層裝土?xí)r，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(zhǔn))，繼續(xù)裝填新一層土，以此類推，直至土柱內(nèi)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(shí)土柱頂部進(jìn)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(jìn)行淋濾洗柱，直到淋濾溶液中無雜質(zhì)離子析出。淋濾溶液中雜質(zhì)離子的檢驗(yàn)采用 EDTA溶液進(jìn)行檢驗(yàn)，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(zhì)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(dǎo)率儀測(cè)定其初始電導(dǎo)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(jìn)水口自上而下連續(xù)注入土柱中，將注入示蹤劑的瞬時(shí)記為t0=0同時(shí)關(guān)閉排氣口，打開出水口排水。

4)測(cè)電導(dǎo)率。土柱外壁每隔10 cm有一個(gè)出水口，用以測(cè)定某一時(shí)刻該處示蹤劑溶液的電導(dǎo)率，時(shí)間間隔采用先密后疏的原則，以秒鐘作為計(jì)量單位，同時(shí)段對(duì)每個(gè)出水口的示蹤劑溶液進(jìn)行連續(xù)電導(dǎo)率測(cè)量并記錄，直到各出水口處溶液電導(dǎo)率測(cè)量值等于示蹤劑溶液初始濃度C0為0.05 mol/L時(shí)的初始電導(dǎo)率，此時(shí)電導(dǎo)率達(dá)到穩(wěn)定。

5)繪制k/k0－t關(guān)系曲線圖，用直角坐標(biāo)曲線求參數(shù)。在曲線圖中分別找出 k/k0值等于0.16、0.5和0.84所對(duì)應(yīng)的時(shí)間 t0.16、t0.5和 t0.84代入公式 1 及 2 中計(jì)算彌散系數(shù)和遷移速率。K為某一時(shí)刻電導(dǎo)率，k0為初始時(shí)刻電導(dǎo)率。

4 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)共用時(shí)三天，亞粘土土柱各出水口所測(cè)示蹤液電導(dǎo)率在2 400 min趨于穩(wěn)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(dǎo)率在1 950 min趨于穩(wěn)定。通過試驗(yàn)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(gè)出水口至柱頂?shù)木嚯x35 cm，將試驗(yàn)結(jié)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(yàn)穿透曲線

圖4 亞砂土土柱彌散試驗(yàn)穿透曲線

5 結(jié)論及存在問題

1)經(jīng)計(jì)算，亞粘土的彌散系數(shù)為0.005 71 m2/d，亞砂土的彌散系數(shù)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(diǎn)的包氣帶彌散系數(shù)。

2)用測(cè)試電導(dǎo)率替代測(cè)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(dǎo)率的極限值條件下，該種方法是適用的。

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

［1］付向明.多環(huán)芳烴菲在包氣帶中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究［D］.吉林長(zhǎng)春:吉林大學(xué).2007.

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

［3］錢會(huì)，馬致遠(yuǎn).水文地球化學(xué)［M］.北京:地質(zhì)出版社.2005.10:88.

［4］揚(yáng)州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院.電化學(xué)基礎(chǔ)［CD］.揚(yáng)州大學(xué).15－17.

［5］王清，唐大雄等.工程巖土學(xué)［M］.北京:地質(zhì)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(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心承擔(dān)并實(shí)施的“東北平原地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)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(zhì)、水資源環(huán)境評(píng)價(jià)、環(huán)境地質(zhì)等研究工作。