应用土柱试验求解地下含水介质弥散系数

李 霄，都基众，崔 健，马宏伟，杨 泽，柴 璐

(1.中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳110034;2.吉林大学环境与资源学院，吉林 长春130026)

应用土柱试验求解地下含水介质弥散系数

李 霄1，2，都基众1，崔 健1，马宏伟1，杨 泽1，柴 璐1

(1.中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳110034;2.吉林大学环境与资源学院，吉林 长春130026)

污染物质在地下含水介质中的运移，除受渗透系数等水文地质条件的制约外，还受到含水介质弥散系数的控制。污染物的扩散，首先是从包气带开始进行的，浑河冲洪积扇地包气带主要岩性是亚粘土及亚砂土，因此，计算出浑河冲洪积扇包气带的弥散系数，对于认识污染物的运移能力是一项必要的工作。本文利用室内动态土柱装置，模拟包气带岩性环境，以0.05 mol/L的NaCl溶液作为示踪剂，经长时间监测，运用弥散系数计算公式进行求参。计算结果是包气带以亚粘土为主要岩性的弥散系数为0.005 71 m2/d，亚砂土的弥散系数为0.012 47 m2/d。

室内动态土柱;亚粘土;亚砂土;电导率;弥散系数

污染物质通过包气带时，常与介质发生各种各样的物理、化学和微生物作用。作用程度与介质特性及污染质性质有关。然而，污染物随降水下渗的过程还与降水强度、介质岩性等因素密切相关［1］。通过动态土柱试验，可以模拟污染物质在包气带介质条件下，随水下渗的动态过程，进而考查有机物对地下水污染的可能性［1－2］。包气带土中有机质对有机物的吸附和微生物生长的影响较大，而有机质在包气带中的分布直接决定着土壤对有机物的吸附及包气带中微生物繁殖和数量的多少，从而影响到有机物的微生物降解。包气带中有机质多分布在表层一定深度内，随着土层深度的增加，有机质含量一般逐渐降低，微生物的数量也越来越少，而且随着土壤深度的增加，土壤包气带中的氧气含量也随之降低，所以，包气带表层对有机物迁移转化的影响较其深处显著的多。因此，要研究有机物经包气带进入地下水的可能，就必须研究表层一定深度内包气带对有机物迁移行为的影响。

浑河冲洪积扇地包气带岩性以亚粘土与亚砂土分布最广，故本实验将分别测定污染物在两种包气带岩性环境下的迁移速率和弥散系数，以此作为研究内容，直观反映有机污染物在不同包气带岩性环境下的迁移情况。

1 迁移速率及弥散系数(D)的试验原理

弥散系数(D)与多孔介质的特性有关［3］，在实验室内用连续投加示踪剂 NaCl的方法进行测定。将初始浓度 C0为0.05 mol/L的示踪剂 NaCl溶液 从上部连续注入土柱中，测定不同时刻取样口处的示踪剂 NaCl浓度，作出 c～t曲线，即穿透曲线。

根据公式1计算出弥散系数。

式中:D为弥散系数(m2/d);V为水的运移速度(m/d);t0.16、t0.5、t0.84分别为 C/C0等于 0.16、0.5 和 0.84 的时间(d)。

根据公式2计算迁移速率。

式中:L为取样口位置(m)。

根据电化学中摩尔电导率的定义［4］，某电解质溶液的电导率与该电解质的摩尔溶液的比值称为该溶液的摩尔电导率，电导率与溶液浓度具有如图1所示的关系曲线，可知若配制电解质溶液未达到饱和时，即摩尔电导率未达到极限时，该溶液电导率与浓度成正比，见公式3。

式中:k为电导率(S/m);c为浓度(mol/L);Λm—摩尔电导率(Sm2mol－1)

本试验需要随时测试渗滤液浓度，为降低试验造价并提高工作效率，考虑利用电导率替代测试浓度以进行求参。常温条件下 NaCl溶解度为36g/100g水，配制0.05 mol/lNaCl溶液远未达到饱和，符合电化学原理，则公式1中 t0.16、t0.5和 t0.84可分别表示为 k/k0值等于 0.16、0.5 和 0.84 时所对应的时间，进行计算。

图1 电导率与溶液浓度关系曲线图

2 试验准备

2.1 试验物品的准备

1)场地土:选择污染程度低的原状土。通过2009年浑河冲洪积扇地区内包气带岩性调查、土壤有机物监测及理化指标检测结果，选择污染程度相对最低的，且有机质检出极少的 bz017(杨孟达，E123°13′19.0″，N41°39′22.4″)，bz018(得胜，E123°14′15.2″，N41°44′21.3″)两处进行取土。两处包气带岩性依次为亚粘土、亚砂土。

2)药品:干粉 NaCl，配成浓度为0.05 mol/L的 NaCl溶液作为示踪剂。

3)试剂:蒸馏水或去离子水、EDTA溶液。

4)有机玻璃土柱。

2.2 土样的处理

1)土壤烘干，达到完全失水的状态。

2)土壤物理参数计算:

a、土壤烘干后，充分研散，所用的装柱土样均过20目筛，以避免颗粒过大，降水后土柱塌陷。过筛后，对土粒进行颗粒分级。

b、利用土质学测定土粒密度方法［5］计算选用土样的干密度。经计算，亚粘土的干密度为2.5 g/ml，亚砂土的干密度为 1.25 g/ml。

c、计算土壤的孔隙度。经计算，亚粘土孔隙度为15%，亚砂土孔隙度为25%。

2.3 土样装柱

试验装置选用内径10 cm、高50 cm的有机玻璃管为渗流土柱的外壁，分别按照采样点土壤包气带的原有分层进行装柱，按照试验设计选取不同包气带岩性土的原则，共安装2个室内弥散试验土柱。在有机玻璃柱的最下方装上一层滤网，在上方装2 cm石英砂和粗砂作为承托层，然后分别按顺序装土样;在玻璃柱顶端布水板上铺一层滤网，装1 cm厚的石英砂(布水板自身厚1 cm，板内平均布满直径3 mm的均匀进水孔)，防止淋滤时水冲散土壤，以达到均匀进水的目的。装样过程中，使土层尽量均匀并压实周边，以避免水流短路;同时，尽量保持与天然状态下的容重(干密度)和孔隙度相同。试验装置图见图2。

图2 土柱安装图

式中:m为土层质量，g;h为各层土厚度，cm;r1为烘干前土壤容重;w1为烘干前土壤含水率;w2为烘干后土壤含水率;s为土柱的横断面面积(cm2)

装样顺序及各层土厚见表1。

每层装入土样质量根据如下公式4计算:

表1 装样顺序表

3 试验步骤

1)装填土柱及饱水。分层装土时，每装填一层土后，通过马氏瓶向土层注水至饱水(水面刚刚浸过土面为准)，继续装填新一层土，以此类推，直至土柱内土样全部充填完毕且饱水，然后将土柱封好。将马氏瓶与土柱底部出水口相连，打开阀门由下而上充水，同时土柱顶部进水口与排气口均打开，使土样中的空气排出后，再自上而下充水至饱水。

2)淋滤。土柱装填完成后，用蒸馏水进行淋滤洗柱，直到淋滤溶液中无杂质离子析出。淋滤溶液中杂质离子的检验采用 EDTA溶液进行检验，如果淋滤溶液中加入 EDTA溶液不变红，则说明淋滤液中已无杂质离子。

3)加入示踪剂。配制初始浓度C0为0.05 mol/L的示踪剂 NaCl溶液，用电导率仪测定其初始电导率并记录。利用马氏瓶将配制好的示踪剂溶液由柱体顶部进水口自上而下连续注入土柱中，将注入示踪剂的瞬时记为t0=0同时关闭排气口，打开出水口排水。

4)测电导率。土柱外壁每隔10 cm有一个出水口，用以测定某一时刻该处示踪剂溶液的电导率，时间间隔采用先密后疏的原则，以秒钟作为计量单位，同时段对每个出水口的示踪剂溶液进行连续电导率测量并记录，直到各出水口处溶液电导率测量值等于示踪剂溶液初始浓度C0为0.05 mol/L时的初始电导率，此时电导率达到稳定。

5)绘制k/k0－t关系曲线图，用直角坐标曲线求参数。在曲线图中分别找出 k/k0值等于0.16、0.5和0.84所对应的时间 t0.16、t0.5和 t0.84代入公式 1 及 2 中计算弥散系数和迁移速率。K为某一时刻电导率，k0为初始时刻电导率。

4 试验结果

本次试验共用时三天，亚粘土土柱各出水口所测示踪液电导率在2 400 min趋于稳定，即示踪液完全穿透土柱;亚砂土土柱各出水口示踪液电导率在1 950 min趋于稳定。通过试验得出:

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

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

L取从上至下第四个出水口至柱顶的距离35 cm，将试验结果分别代入公式2、1得出:

亚粘土: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

亚砂土: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

图3 亚粘土土柱弥散试验穿透曲线

图4 亚砂土土柱弥散试验穿透曲线

5 结论及存在问题

1)经计算，亚粘土的弥散系数为0.005 71 m2/d，亚砂土的弥散系数为0.012 47 m2/d，从而确定在浑河冲洪积扇地上，两处土壤取样点的包气带弥散系数。

2)用测试电导率替代测试渗滤液浓度的办法，可以大大降低工作成本和提高工作效率，在保证配制示踪剂溶液浓度未超过摩尔电导率的极限值条件下，该种方法是适用的。

3)室内土柱试验，是近似模拟含水介质原状环境的一种试验，无论模拟的程度多么高，仍然无法完美地复原原状环境的条件。浑河冲洪积扇面积广阔，包气带岩性复杂，本次试验仅以两处作为代表说明弥散系数如何求参，参数的使用上需注意区域的局限性。

［1］付向明.多环芳烃菲在包气带中的迁移转化规律研究［D］.吉林长春:吉林大学.2007.

［2］谢文垠.城市垃圾填埋场地下水有机污染物迁移模拟［D］.四川成都:成都理工大学.2009.

［3］钱会，马致远.水文地球化学［M］.北京:地质出版社.2005.10:88.

［4］扬州大学化学化工学院.电化学基础［CD］.扬州大学.15－17.

［5］王清，唐大雄等.工程岩土学［M］.北京:地质出版社.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

中国地质调查局沈阳地质调查中心承担并实施的“东北平原地下水污染调查评价综合研究及专题研究”(1212010913004)

李霄(1983－)，男，吉林通化人，工程师，硕士研究生，主要从事水文地质、水资源环境评价、环境地质等研究工作。