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1 引言

包氣帶是指位于地表面以下、潛水面以上的地質(zhì)介質(zhì)。在包氣帶中發(fā)生的各種物理、化學(xué)和生物過程尤為復(fù)雜，它既是大氣水、植物水、土壤水和地下水相互聯(lián)系與轉(zhuǎn)化的樞紐， 又是各種化學(xué)物質(zhì)(如在地表施加的農(nóng)藥、化肥， 來自于地表滲濾液和地下水的各種溶質(zhì))運(yùn)移和反應(yīng)的載體。目前， 包氣帶物質(zhì)和能量遷移轉(zhuǎn)化過程日益得到人們的重視，成為農(nóng)田施肥管理、土壤學(xué)、水文學(xué)、環(huán)境學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科的重要研究內(nèi)容之一。

在包氣帶水分和溶質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化過程中，各種來源的污染物，如過度施肥的產(chǎn)物硝態(tài)氮、垃圾滲濾液中的有機(jī)污染物和各種重金屬是土壤污染、地下水污染等問題的主要原因。廣泛開展包氣帶污染物溶質(zhì)運(yùn)移實(shí)驗(yàn)室土柱模擬試驗(yàn)研究， 能夠充分了解污染物在包氣帶中的遷移速率和濃度的時空分布規(guī)律，為深入研究包氣帶水分溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)理、完善基于多孔介質(zhì)水和溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)值模型提供科學(xué)基礎(chǔ)，對于合理施肥、鹽漬化土壤治理、土壤污染控制、地下水污染控制、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和改善等應(yīng)用有著重要的指導(dǎo)意義。

2 觀測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 目標(biāo)

包氣帶中污染物運(yùn)移由于地下水的耦合作用，是一個非常復(fù)雜的動態(tài)過程，在實(shí)驗(yàn)室土柱模擬研究中，如何把地下水的作用耦合到數(shù)值模型中，如何精確測定包氣帶土壤含水量、基質(zhì)勢等水分參數(shù)，以及如何精確測定污染物的濃度梯度等溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)是研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

AZ-ES100包氣帶污染物運(yùn)移試驗(yàn)?zāi)M研究系統(tǒng)采用某一特定高度的微型土柱，填裝原狀土樣，沿土體剖面埋設(shè)高精度土壤水分、土壤水勢傳感器，數(shù)據(jù)采集器自動采集數(shù)據(jù)，從而精確測量土壤水分的變化梯度；在土柱體底部安裝有陶土盤，用于滲漏水的取樣和土體張力模擬，能夠有效控制土柱體底部的水勢，并測量排水量。沿土體剖面埋設(shè)土壤溶液自動取樣器，利用全自動離子分析單元或便攜重金屬分析單元進(jìn)行污染物溶質(zhì)濃度分析。

2.2 樣品采集及傳感器布設(shè)

根據(jù)研究需要，采集直徑300mm、高度為300mm或600mm或1200mm的原狀土，或用進(jìn)行了預(yù)處理的特定類型土壤，裝填入模擬土柱。

300mm高的土柱沿土體剖面按3個層次、600mm高的土柱沿土體剖面按4個層次、1200mm高的土柱沿土體剖面按5個層次分別安裝土壤水分、土壤水勢傳感器和土壤溶液取樣器。

土壤水分和土壤水勢的數(shù)據(jù)采集時間間隔可通過數(shù)采進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置為1、5、10、30s，或1、5、10、30min，或1、2、4、12、24h，也可每個

通道單獨(dú)設(shè)定合適的采集時間間隔。

2.3 觀測指標(biāo)

包氣帶土壤水參數(shù)：土壤水分、土壤水勢梯度值。

包氣帶污染物參數(shù)：氨、氯化物、六價鉻、氰化物、可溶性鐵、亞硝酸鹽、硝酸鹽、硝酸鹽＋亞硝酸鹽、聯(lián)氨、正磷酸鹽、揮發(fā)酚、硅酸鹽、總磷、總氮、硫酸鹽等溶質(zhì)濃度梯度；或Ti， V， Cr， Mn， Fe， Co， Ni， Cu， Zn， W， Hf， Ta， Re， Pb， Bi， Zr， Nb， Mo， Ag， Sn， Sb等重金屬元素的濃度梯度。

2.4 觀測系統(tǒng)組成

AZ-ES100包氣帶污染物運(yùn)移試驗(yàn)?zāi)M研究系統(tǒng)由微型實(shí)驗(yàn)室土柱、土壤水分水勢測量傳感器、土壤溶液取樣器、全自動土壤離子分析單元或便攜重金屬分析單元共同組成。

3 數(shù)據(jù)處理

包氣帶中污染物濃度的變化是由于污染物在地下水和土壤水的協(xié)同作用下在包氣帶中經(jīng)過土壤孔隙運(yùn)移、土壤顆粒的吸附以及土壤微生物的降解等多種因素共同影響的結(jié)果。由于污染物質(zhì)主要是沿垂向運(yùn)移，所以其運(yùn)移模型常按垂向一維問題處理。一般認(rèn)為水在土層中運(yùn)移符合推流模式，若僅考慮彌散、吸附、降解作用，則污染物質(zhì)在土層中垂直向下遷移的基本方程為

式中：

c — 水中污染物濃度值(mg/ L) ;

x — 垂向運(yùn)移距離(m) ;

D — 彌散系數(shù)(m2/ d) ;

v —x 方向滲透速度(m/ d) ;

s — 包氣帶土壤中污染物吸附濃度(mg/ mg) ;

ρ— 土層干容重(g/ cm3) ;

η— 有效空隙度。

4 參考文獻(xiàn)

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