洪湖東分蓄洪區(qū)土壤水動力彌散系數(shù)的試驗研究

柯雄　王志平　候迎彬

摘 要：水動力彌散系數(shù)是包氣帶污染物遷移的關(guān)鍵參數(shù)，是控制地表水污染物在土壤中運移的重要因素。本次研究通過對洪湖東蓄洪區(qū)系統(tǒng)開展現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)試驗工作，在室內(nèi)進(jìn)行了原狀土樣的一維土柱彌散試驗研究，確立了研究區(qū)各區(qū)域土壤的水動力彌散系數(shù)的分布特性，為該區(qū)包氣帶土壤的防污能力評價提供了重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：包氣帶;一維彌散;水動力彌散系數(shù);防污能力

Experimental Study On The Hydrodynamic

Dispersion Parameters Of Soil In East Honghu Flood Area

Ke Xiong? Wang Zhiping? Hou Yingbin

Hebei Electric Power Design & Research Institute? Shijiazhuang? Hebei? 050031

Abstract： The hydrodynamic dispersion coefficient is a key parameter in the migration of air transport， It is an important factor to control the migration of surface water pollutants in soil. Through the field investigation and indoor test method of Honghu east flood storage area system， We carry out a one-dimensional soil column dispersion test study of the original soil sample， The distribution characteristics of the hydrodynamic dispersion coefficient of soil in the study area are established， which provides an important basis for evaluation of soil anti-fouling ability.

Key words：Vadose zone? One dimensional dispersion? Antifouling properties? Hydrodynamic dispersion Parameters

包氣帶土壤的水動力彌散系數(shù)，直接控制著污染物進(jìn)入含水層的數(shù)量和速度，關(guān)系到未來該地區(qū)地下水污染的程度，是評價該區(qū)地下水防污性能的重要指標(biāo)。

洪湖分蓄洪工程是分蓄長江中下游城陵磯地區(qū)超額洪水容積最大的分蓄洪工程，總面積達(dá)2782.84km2，面積廣大，現(xiàn)有人口117.41萬人，區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)主要以農(nóng)業(yè)為主，地下水資源豐富，是工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要來源。然而該區(qū)地下水埋深較淺，深度為0.5～1.0m，包氣帶厚度薄且固結(jié)程度差，蓄洪區(qū)蓄水以后，洪水必然會通過包氣帶土壤下滲到地下含水層并且對地下水水質(zhì)會造成影響，包氣帶的防污性能的評價就顯得尤為重要。

本文在對研究區(qū)地形地貌條件以及包氣帶巖性的調(diào)查和分區(qū)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)開展了各典型分區(qū)的現(xiàn)場和室內(nèi)試驗工作。進(jìn)行了室內(nèi)原狀土柱的一維土柱水動力彌散試驗，通過對試驗資料的分析、整理研究，確立了研究區(qū)各典型區(qū)域包氣帶土壤的水動力彌散系數(shù)，為包氣帶防護(hù)能力評價提供了依據(jù)。

1土樣采集與試驗方法

1.1土樣采集

研究區(qū)包氣帶根據(jù)巖性可以劃分為黏土、粉質(zhì)黏土以及粉土，根據(jù)取樣點均勻分布的原則結(jié)合包氣帶的巖性特征，在研究區(qū)選取14個點進(jìn)行室內(nèi)一維水動力彌散試驗，每個點各取一個包氣帶原狀土樣。

土樣采集前，選用PVC管（Φ100mm*250mm）作為取樣器，管內(nèi)用鑿子刻成粗糙面，從而最大程度的防止優(yōu)先流對彌散試驗的影響，取樣過程中，先清除地表含有蟲孔和根孔的耕植土層，至新鮮土層后用取樣器緩慢嵌入土層，然后用密封膠帶密封，取樣點分布如圖1-1。

1.2試驗裝置與方法

1.2.1 試驗裝置

1、實驗裝置的主要組成部分及功能

目前國內(nèi)外還沒有現(xiàn)成統(tǒng)一的室內(nèi)一維土柱彌散試驗裝置出售，所以本次試驗所選的裝置是自行設(shè)計的，將土樣裝填于PVC管中（內(nèi)徑100mm），土柱高度為250mm，裝置示意圖如圖1-2所示：

（1）土柱體：取自研究區(qū)包氣帶的原狀土，長250mm，內(nèi)徑100mm。

（2）供水裝置：采用馬氏瓶供水，用于保持進(jìn)水口處水頭恒定。

（3）示蹤劑溶液：本試驗采用NaCl溶液，其濃度為0.01mol/L。

2、濃度檢測裝置：采用SX751型電導(dǎo)率測量儀測定不同時刻出水口處溶液的電導(dǎo)率。

3、量筒、溫度計、記錄表。

1.2.2試驗方法

1、原狀土樣的采集及土柱安裝

采集研究區(qū)各試驗點包氣帶土樣，出去草根、石塊等雜物，野外現(xiàn)場用PVC管（Φ100mm*250mm）共采集14組原狀土并密封好，作為室內(nèi)一維土柱試驗的供試土樣。

用pvc管帽將土柱兩端蓋緊，并在兩端管帽中間各打上進(jìn)水口、出水口，底部墊上四層紗布，上覆少量的碎石，作為緩沖層。

2、配置不同濃度的NaCl示蹤劑，分別測定各濃度溶液的電導(dǎo)率值（見表1-2），得出示蹤劑濃度與電導(dǎo)率關(guān)系曲線（見圖1-3）及關(guān)系式（1）。

由以上關(guān)系圖可以得出NaCl溶液濃度與電導(dǎo)率的線性關(guān)系式為：

y=12935x+12.84? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

3、試驗過程

（1）試驗開始前，先用蒸餾水將土柱飽和，目的是為了驅(qū)趕掉殘留在土柱介質(zhì)中的氣體，使土柱處于均勻飽水狀態(tài)，穩(wěn)定柱內(nèi)土層孔隙結(jié)構(gòu)和滲透速度，將土柱按如圖1-2與進(jìn)水和出水裝置連接，從進(jìn)水口連續(xù)穩(wěn)定注入蒸餾水，當(dāng)土柱內(nèi)的滲流速度到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后，測定土柱中水流的平均速度。（見表1-3）

（2）在保持土柱中的滲流為穩(wěn)定狀態(tài)的情況下，選用NaCl作為示蹤劑，進(jìn)行室內(nèi)彌散試驗，試驗開始時間以NaCl示蹤劑替換原有水溶液的時間為準(zhǔn)，當(dāng)滲流形成一維穩(wěn)定流動以后，在出水口處用量筒接取滲出液，每間隔6小時測定滲出液的電導(dǎo)率，獲得滲出液的電導(dǎo)率隨時間的變化曲線。

（3）根據(jù)土柱末端滲出液的電導(dǎo)率隨時間的變化關(guān)系，通過式（1）可以求得滲出液的～t關(guān)系曲線，當(dāng)接近1時，停止試驗，并據(jù)下式計算縱向彌散系數(shù)DL：

求出DL之后，根據(jù)計算縱向彌散度。

2試驗結(jié)果

試驗期間共進(jìn)行了14組一維水動力彌散試驗，并繪制了各組試驗的～t關(guān)系曲線，即土柱的穿透曲線，各試驗土柱的穿透曲線如圖2-1～圖2-14所示。

根據(jù)上式（1）計算求得到研究區(qū)包氣帶的飽和彌散系數(shù)DL及彌散度，計算結(jié)果如下表2-1所示。

3 結(jié)論

通過室內(nèi)以為水動力彌散試驗，模擬了洪湖東分蓄洪區(qū)蓄洪時，該區(qū)包氣帶土壤水動力彌散系數(shù)的數(shù)據(jù)大小及分布特點，主要結(jié)論如下：

（1）該區(qū)的地下水彌散系數(shù)，大小在0.006 ～15.716 cm2/h之間變化，彌散度在0.759～1.992cm之間，其中粉土（試驗點12）的彌散度最大，最大值為10.992cm，粉質(zhì)黏土的彌散度其次，平均值為6.257cm，黏性土的彌散度最小，平均值為1.953cm。

（2）孔隙介質(zhì)的彌散度主要由的介質(zhì)顆粒的不均勻系數(shù)、顆粒大小決定。12號試驗點所在處為粉土，顆粒較其他試驗點處都大，所以該處包氣帶的彌散度最大。在遠(yuǎn)離南部長江以及北部東荊河中間地帶，包氣帶巖性以黏性土為主，地下水彌散度最小，主要是由于中間低洼地帶主要是湖積層，包氣帶顆粒的不均勻系數(shù)小，包氣帶彌散度小，靠近長江及河流地帶主要為沖積層及沖洪積層，包氣帶顆粒的不均勻系數(shù)大，導(dǎo)致彌散度大。

（3）彌散度的這種分布特征表明，彌散度小的湖積層、沖湖積層地區(qū)污染物一旦進(jìn)入含水層后，它的遷移和擴(kuò)散能力較差。這種特性有利有弊，有利的是污染物不易擴(kuò)散，容易控制在一定的范圍內(nèi)，但是不利的就是一旦污染物進(jìn)入就不容易被驅(qū)替，包氣帶污染不容易修復(fù)。

（4）在長江沿岸原決口扇處以及東荊河沿岸等地，包氣帶巖性以粉土或粉細(xì)砂為主，包氣帶水動力彌散度較大，其不利的方面是污染物容易擴(kuò)散，不容易將污染物控制在某個特定的范圍內(nèi)，但有利的方面是污染物容易被驅(qū)替，包氣帶一旦污染相對易于修復(fù)。

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