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1 引言

包氣帶是指位于地表面以下、潛水面以上的地質介質。在包氣帶中發(fā)生的各種物理、化學和生物過程尤為復雜，它既是大氣水、植物水、土壤水和地下水相互聯(lián)系與轉化的樞紐， 又是各種化學物質(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)運移和反應的載體。目前， 包氣帶物質和能量遷移轉化過程日益得到人們的重視，成為農(nóng)田施肥管理、土壤學、水文學、環(huán)境學、生態(tài)學等學科的重要研究內容之一。

在包氣帶水分和溶質的遷移轉化過程中，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運移實驗室土柱模擬試驗研究， 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運移機理、完善基于多孔介質水和溶質運移的數(shù)值模型提供科學基礎，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)境恢復和改善等應用有著重要的指導意義。

2 觀測系統(tǒng)設計

2.1 目標

包氣帶中污染物運移由于地下水的耦合作用，是一個非常復雜的動態(tài)過程，在實驗室土柱模擬研究中，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運移參數(shù)是研究的難點和重點。

AZ-ES100包氣帶污染物運移試驗模擬研究系統(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行污染物溶質濃度分析。

2.2 樣品采集及傳感器布設

根據(jù)研究需要，采集直徑300mm、高度為300mm或600mm或1200mm的原狀土，或用進行了預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)采進行統(tǒng)一設置為1、5、10、30s，或1、5、10、30min，或1、2、4、12、24h，也可每個

通道單獨設定合適的采集時間間隔。

2.3 觀測指標

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包氣帶污染物運移試驗模擬研究系統(tǒng)由微型實驗室土柱、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果。由于污染物質主要是沿垂向運移，所以其運移模型常按垂向一維問題處理。一般認為水在土層中運移符合推流模式，若僅考慮彌散、吸附、降解作用，則污染物質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

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