飽和黏性土中污染物運(yùn)移一維模型試驗(yàn)研究

胡欽君，楊會(huì)林，張　檑

(天津市勘察院，天津 300191)

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飽和黏性土中污染物運(yùn)移一維模型試驗(yàn)研究

胡欽君，楊會(huì)林，張檑

(天津市勘察院，天津 300191)

基于一維室內(nèi)模型試驗(yàn)，以氯化鈉溶液來(lái)模擬可溶性污染物，以飽和黏性土為介質(zhì)，研究了污染物在飽和黏性土中的運(yùn)移規(guī)律，分析了滲透路徑的增加導(dǎo)致穿透曲線的相關(guān)變化，提出了彌散系數(shù)的測(cè)定方法。結(jié)果表明，隨著滲透路徑的增加彌散系數(shù)逐漸增大，同時(shí)證明了污染物與飽和黏性土在接觸時(shí)間較短的情況下，依然存在較明顯的離子的吸附解吸現(xiàn)象。為污染物運(yùn)移模型的研究及場(chǎng)地的污染情況預(yù)測(cè)提供參考。

可溶性污染物；飽和黏性土；彌散系數(shù)；吸附解吸

由于經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，工業(yè)廢水未經(jīng)處理合格便被排放的現(xiàn)象普遍存在。研究表明，我國(guó)七大水系普遍受到不同程度污染，隨著地表水的污染、下滲，導(dǎo)致地下水污染問(wèn)題日益嚴(yán)重[1]。根據(jù)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的相關(guān)研究表明，全國(guó)90%的地下水遭受了不同程度的污染，其中60%污染嚴(yán)重[2]。尤其以制造業(yè)為主的城市污染情況最為嚴(yán)重。

地下水污染具有過(guò)程緩慢、不易發(fā)現(xiàn)和難以治理的特點(diǎn)。污染范圍的不斷擴(kuò)大，污染程度的不斷加深，引起了社會(huì)各界的廣泛重視，因此，近年來(lái)許多學(xué)者對(duì)污染物的運(yùn)移及修復(fù)方面做了大量的研究工作。李霄等人利用室內(nèi)動(dòng)態(tài)土柱裝置，模擬包氣帶巖性環(huán)境，運(yùn)用彌散系數(shù)計(jì)算公式，分別計(jì)算了以亞粘土和亞砂土為主要巖性的包氣帶彌散系數(shù)[3]。陳亮等人通過(guò)室內(nèi)一維滲流和彌散試驗(yàn)，研究了不同水力梯度情況下，不同污染物對(duì)不同補(bǔ)給距離測(cè)量點(diǎn)的污染情況[4]。謝焰等人將填埋場(chǎng)底部土體污染物濃度的實(shí)測(cè)值與一維對(duì)流彌散解析解的計(jì)算值進(jìn)行了比較，并對(duì)30年后的影響深度進(jìn)行了預(yù)測(cè)[5]。

本文的目的是通過(guò)一維模型試驗(yàn)，研究可溶性污染物在飽和黏性土中的運(yùn)移規(guī)律。建立一種方便快捷的污染物運(yùn)移參數(shù)的定量判定方法，為評(píng)價(jià)各種介質(zhì)攜帶、抵抗污染物的能力，進(jìn)而建立符合實(shí)際情況的遷移模型，對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律做出預(yù)估評(píng)價(jià)等工作提供幫助。

1　試驗(yàn)理論

針對(duì)一維模型試驗(yàn)，涉及一維水動(dòng)力彌散問(wèn)題。對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)多孔介質(zhì)柱體，在示蹤劑瞬時(shí)注入下，彌散問(wèn)題可以得到解析解。

設(shè)有一無(wú)限長(zhǎng)均質(zhì)土柱，其中原有溶液濃度C0=0，并以速度u穩(wěn)定流動(dòng)。在t=0時(shí)，在x=0處瞬時(shí)注入質(zhì)量為m的示蹤劑。取試驗(yàn)土柱的中心軸線為x軸，且以流速方向?yàn)檎?，分析隨時(shí)間t變化的濃度C(x,t)的分布，該情況下的水動(dòng)力彌散方程如下：

(1)

式中：C為溶液的濃度；u為溶液流速；DL為縱向彌散系數(shù)。

其解析解可以表示為：

(2)

式中：m/ω=mf表示單位橫截面積上瞬時(shí)注入示蹤劑的質(zhì)量；ω表示砂柱橫截面積。

2　室內(nèi)試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)材料及設(shè)備

1)示蹤劑：本次試驗(yàn)示蹤劑采用氯化鈉溶液，其具有無(wú)毒、安全，易溶于水，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且分析方法簡(jiǎn)單可靠，誤差小，靈敏度高，易于微量檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

2)土樣：在某工地基坑中采取常見(jiàn)的黏土土樣，經(jīng)測(cè)試土樣的粒徑分布如表1所示。

表1　試驗(yàn)土樣粒徑分布

3)試驗(yàn)設(shè)備：如圖1所示，采用高100 cm，管徑8 cm的有機(jī)玻璃管作為容器。兩端通過(guò)法蘭連接并設(shè)有進(jìn)出水口，容器側(cè)壁由上而下設(shè)有三個(gè)傳感器安裝口，高度分別為為7 cm、37 cm、67 cm。采用型號(hào)為FJA-10土壤鹽分傳感器，該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，讀數(shù)響應(yīng)時(shí)間短，操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。不僅可以用于室內(nèi)試驗(yàn)，也可以用于野外現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)定土壤中水鹽含量的動(dòng)態(tài)變化。配合DDB-12型電阻率儀測(cè)定試驗(yàn)土體中離子濃度，能夠滿足試驗(yàn)精度要求。

2.2試樣制備

土樣經(jīng)過(guò)晾曬充分風(fēng)干后，采用分層填裝、逐步飽和的方法制作土柱：

1)將土樣緩慢的倒入容器，每次不超過(guò)5 cm，倒入過(guò)程盡量避免振搗；

2)以較小的水頭差從下部滲水使土體飽和；

3)重復(fù)以上步驟至土樣填裝到預(yù)定高度(本次試驗(yàn)為90 cm)，整個(gè)試樣土體達(dá)到飽和狀態(tài)；

4)保持較高水頭差，調(diào)整流速使其與土柱下端出水流速相當(dāng)，對(duì)土體進(jìn)行淋濾；

5)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，待電阻率儀讀數(shù)穩(wěn)定后，做為試驗(yàn)初始值，方可進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3試驗(yàn)過(guò)程

試樣制備完成后，使土體上部液面高度保持在5 cm并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，瞬時(shí)向供液瓶中倒入氯化鈉溶液，并迅速攪拌均勻，得到濃度為103mg/L的溶液作為瞬時(shí)污染源，之后每隔一定時(shí)間記錄傳感器的讀數(shù)，根據(jù)傳感器標(biāo)定公式，整理得到各測(cè)點(diǎn)的穿透曲線如圖2所示。

圖1　試驗(yàn)設(shè)備示意圖

圖2　各測(cè)點(diǎn)穿透曲線

3　結(jié)果分析

觀察圖2所示三條穿透曲線，可以發(fā)現(xiàn)：

1)各測(cè)點(diǎn)峰值濃度隨著滲流路徑的增加而不斷減小，但并不呈線性遞減。

2)隨著滲流路徑的增加，在對(duì)流-彌散作用影響下，污染暈并非均勻整體移動(dòng)，而是表現(xiàn)出污染帶加長(zhǎng)，圖上顯示即為穿透曲線變寬，即同一測(cè)量濃度值在曲線上升段位置和下降段位置，時(shí)間間隔會(huì)加大。

3)根據(jù)一維水動(dòng)力彌散問(wèn)題理論，穿透曲線應(yīng)該表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)曲線型，但是從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，曲線上，可以看出曲線峰值右側(cè)有“拖尾”現(xiàn)象，線形有改變，說(shuō)明在這個(gè)濃度下，鹽離子在該土中出現(xiàn)了可以觀測(cè)到的吸附-解吸過(guò)程。

由于水動(dòng)力彌散方程與正態(tài)分布密度函數(shù)具有相似的形式，因此可以通過(guò)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而計(jì)算彌散系數(shù)DL。

正態(tài)密度分布函數(shù)：

(3)

式中：x為正態(tài)變量；μ為正態(tài)變量的數(shù)學(xué)期望；σ2為正態(tài)變量的方差；σ為正態(tài)變量的標(biāo)準(zhǔn)差(均方差)。

圖3　測(cè)點(diǎn)一濃度擬合圖

圖4　測(cè)點(diǎn)二濃度擬合圖

圖5　測(cè)點(diǎn)三濃度擬合圖

因此，得出彌散系數(shù)DL計(jì)算方法如下：

1)確定Cmax的值及其對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)期望，即x=μ=ut；

2)取0.607Cmax，從濃度曲線上找出拐點(diǎn)所在的位置，求出對(duì)應(yīng)的x=ut+σ，由此得均方差σ值；

3)依照均方差公式得到DL=σ2/4t。

采用Origin軟件中的Gaussamp公式對(duì)各測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，分別得到各測(cè)點(diǎn)的實(shí)際值與擬合值如圖3～圖5所示。

從而求得各點(diǎn)的縱向彌散系數(shù)DL如表2所示。

表2　彌散系數(shù)計(jì)算結(jié)果

理想的狀態(tài)下，土柱中應(yīng)該發(fā)生平衡吸附作用，但是當(dāng)溶質(zhì)與介質(zhì)接觸時(shí)間較吸附解吸作用時(shí)間更長(zhǎng)的時(shí)候，一般用非平衡或速率受限制的反應(yīng)過(guò)程來(lái)描述該作用。當(dāng)溶質(zhì)運(yùn)移時(shí)，溶質(zhì)會(huì)被吸附到介質(zhì)中，出現(xiàn)滯留，當(dāng)峰值濃度流過(guò)觀測(cè)點(diǎn)后，吸附的溶質(zhì)從介質(zhì)中解吸出來(lái)，在之后一段時(shí)間保持比較高的濃度。本次試驗(yàn)中，證明了溶質(zhì)接觸時(shí)間較短情況下，這種“拖尾”現(xiàn)象在黏土中十分顯著。

4　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)飽和黏性土體彌散系數(shù)隨著滲流路徑的增加而增大。

(2)溶質(zhì)在接觸時(shí)間較短情況下，飽和黏性土中離子的吸附解吸過(guò)程依然明顯，從而造成穿越曲線的“拖尾”現(xiàn)象。

本次采用的一維模型試驗(yàn)，優(yōu)點(diǎn)是能夠方便快速的確定土體的參數(shù)，但實(shí)際污染環(huán)境十分復(fù)雜，土體的各向異性、污染物的性質(zhì)、地下水滲流條件等均對(duì)污染物的運(yùn)移有較大的影響，如何將試驗(yàn)結(jié)果合理的應(yīng)用到實(shí)際工程中，有待進(jìn)一步研究。

[1]中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部.2014年中國(guó)環(huán)境公報(bào).2015.5-19.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部.2013中國(guó)國(guó)土資源公報(bào).2014.30.

[3]李霄，都基眾，等.應(yīng)用土柱試驗(yàn)求解地下含水介質(zhì)彌散系數(shù)[J].地下水.2012.20-22.

[4]陳亮，梁越.兩種典型溶質(zhì)模擬污染物在沙性土壤中的運(yùn)移試驗(yàn)研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué).2007.304-308.

[5]謝焰，謝海建，等.填埋場(chǎng)底土污染物濃度實(shí)測(cè)值和理論解的比較[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào).2009.62-69.

Experimental Study on One-dimensional Model of Contaminant Transport in Saturated Cohesive Soil

HU Qin-jun，YANG Hui-lin，ZHANGLei

(Tianjin institute of geotechnical investigation surveying,Tianjin300191,China)

Based on the one-dimensional model test,sodium chloride solution was used to simulate soluble contaminants,the contaminant migration in saturated cohesive soil was researched.The related changes of breakthrough curve as the increased infiltration path was analyzed,andthe method for determining the dispersion coefficient was proposed.The results showed that with the increase of infiltration path,the dispersion coefficient increased gradually.When the pollutants and saturated cohesive soil contact for short time,the adsorption-desorption phenomenon of ion was still obvious.The experimental results were available for reference for the establishment of the model for pollutants migration and the pollution forecast.

Soluble contaminant；saturated cohesive soil；dispersion coefficient and adsorption-desorption

2016-05-18

胡欽君(1979-)，男，山東巨野人，工程師，主要從事巖土工程勘察工作。

X53

A

1004-1184(2016)05-0077-03