CN110296915A - 一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法 - Google Patents

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王锦国
周志芳
黄勇
杨蕴
吴明洲
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Abstract

本发明公开了一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法，属于环境技术领域，该吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法的装置包括放置在底座上的有机玻璃柱，在有机玻璃柱上方设置阀门开关，有机玻璃柱上部与溢流槽连通；本发明通过搭建以吹填区底泥土壤为主要介质组成的土柱，完成不同水力梯度下的盐分穿透试验，得到盐分穿透曲线；试验主体装置为有机玻璃柱，其余试剂为吹填区底泥、粗砂和去离子水水，均为环境友好型试剂，且制备简单，成本低廉；用标准曲线对比法确定土壤中盐分弥散系数，方法简易且精度较高。

Description

一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法
技术领域
本发明属于环境技术领域，具体涉及一种吹填区土壤盐分弥散系数试验确定法。
背景技术
为了拓展城市发展空间，增加土地资源，沿海区域的吹填围埝成为解决我国经济发展与土地资源的矛盾的一个重要技术手段。
吹填区的填土和天然泥面均为高含盐量区域，吹填区中盐分的释放对吹填区的地表水环境、地下水环境及地基稳定性产生了重要影响。
吹填区底泥中盐分弥散系数是吹填区底泥盐分释放规律和释放通量研究的重要参数。
目前，吹填区底泥土壤盐分弥散系数的确定方法尚无统一标准，因此，吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法具有重要的理论和实践意义。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法，通过试验得到盐分穿透曲线，进而利用标准曲线对比法确定土壤中盐分弥散系数。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法，该吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法的装置包括放置在底座上的有机玻璃柱，在有机玻璃柱上方设置阀门开关，有机玻璃柱上部与溢流槽连通；采用该装置的试验确定法，包括如下步骤：
1)现场采集吹填区的底泥，利用《土壤水溶性盐总量的测定-NY/T1121.16-2006》法测试其含盐量，将底泥土恒温蒸干后过标准筛后得到土样；
2)土柱制作：土柱共有三层，最下层是粗砂，中层是土样，最上层是另外一层粗砂；
3)湿润饱和土样和粗砂：以较小的水头差从有机玻璃柱下部进水缓慢饱和浸湿并饱和土样和粗砂，直至水面高过土柱的最上层粗砂，静置确保粗砂和土样不沉降；
4)去离子水通过溢流槽后连接至有机玻璃柱最下端，由下部进水；在最上层粗砂表面高度处设置阀门开关，接硅胶管取渗出液，控制溢流槽的高度和硅胶管出口的高度以调整水力梯度；记算渗出液的流量，利用流量除以有机玻璃柱的横截面积得到流速；
5)获取穿透曲线：进行若干组不同水力梯度下的盐分穿透试验，定时测定渗出液的电导率和含盐量，直至出流的含盐量小于最高浓度的20％后停止试验；
6)利用标准曲线对比法求解弥散系数。
进一步地，所述的步骤2)中，包括如下步骤：
2.1)将直径为1～2mm粗砂风干，然后缓慢倒入至有机玻璃柱的圆孔托盘上，倒入的过程中可以轻晃容器，避免填土之间的空隙，填砂后停止倒入；
2.2)称取一定质量的土样，倒入有机玻璃柱中5cm厚的粗砂上，填土，记录所用土样质量；
2.3)重复步骤1)，将粗砂倒入至土样上。
进一步地，所述的步骤6)中，不考虑颗粒表面吸附情况下，瞬时注入的一维水动水动力弥散的解析解为：
式中：m为投入示踪剂的质量；w为裂隙的横截面积；θ为孔隙度，DL为一维水动力纵向弥散系数，x为流径；t为时间；C为流径x处t时刻溶液中溶质浓度；v为地下水流速；
此式是正态分布密度函数，即浓度是在按正态分布的单峰曲线，其数学期望μ＝vt；即在x＝vt处，浓度曲线为峰值Cmax，该曲线的方差和均方差分别为σ2＝2DLt，曲线在处有拐点，且在拐点处，
进一步地，基于试验所得穿透曲线按照下述步骤确定一维水动力纵向弥散系数DL，即
6.1)先确定Cmax的值及其所对应的数学期望，即xmax＝μ＝vtmax；
6.2)从浓度曲线上找出拐点(C＝0.607Cmax)所在的位置，求出对应的x0.607＝vt0.607＝vtmax+σ，并由此得到σ＝v(t0.607-tmax)；
6.3)依据均方差公式得到
最后在穿透曲线上找出出现均方差σ的时间t0.607，代入上式即可得到DL值。
进一步地，所述的步骤1)中，所取底泥在测试其含盐量后经100-105℃恒温蒸发箱蒸干，且在含水量小于5％之后过2mm标准筛。
进一步地，所述的步骤2)中，记录装填的粗砂和土样的质量，确保每组土柱中的粗砂和土样的质量一致，且在装填过程中切勿捣实。
进一步地，所述的步骤3)中，浸润粗砂和土样时的水头差小于1cm，完全饱和后的静置时间不少于24小时。
进一步地，所述的步骤4)中，连通渗出液的硅胶管管口高度固定，以配合溢流槽形成稳定的水力梯度。
进一步地，所述的步骤5)定时测定渗出液的电导率和含盐量，保证记录的数据反映出穿透曲线的峰值和分布特征，针对本实验时间间隔在到达峰值前不能小于2次/天，到达峰值前不能小于1次/天，直至出流的含盐量小于最高浓度的20％后停止试验。
进一步地，所述的步骤6)中，实验所得穿透曲线不是完全正态分布，分别找出峰值前后的拐点处，分别计算出弥散系数再取平均值。
发明原理：通过试验获得呈正态型分布特征的盐分运移穿透曲线，利用正态分布标准曲线对比法求解弥散系数。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法，通过搭建以吹填区底泥土壤为主要介质组成的土柱，完成不同水力梯度下的盐分穿透试验，得到盐分穿透曲线；试验主体装置为有机玻璃柱，其余试剂为吹填区底泥、粗砂和去离子水水，均为环境友好型试剂，且制备简单，成本低廉；用标准曲线对比法确定土壤中盐分弥散系数，方法简易且精度较高。
附图说明
图1是试验装置布置示意图与实物图；
图2是试验所得穿透曲线；
附图标记：1-有机玻璃柱、2-溢流槽、3-阀门开关、4-圆孔托盘、5-底座、6-淤泥质粘土、7-粗砂、8-去离子水、H1-淤泥质粘土6至顶部液面的水头、H2-上部粗砂7至顶部液面的水头、H3-顶部液面的水头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法的试验装置较易搭建，无需其他化学试剂，环境友好且精度较高。该试验装置包括：放置在底座5上的有机玻璃柱1，在有机玻璃柱1上方设置阀门开关3，有机玻璃柱1上部与溢流槽2连通。淤泥质粘土6、粗砂7和去离子水8，下部粗砂7的底部由圆孔托盘4固定。H1为淤泥质粘土6至顶部液面的水头，H2为上部粗砂7至顶部液面的水头，H3为顶部液面的水头。
一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法，包括以下步骤：
(1)现场采集吹填区的底泥，利用《土壤水溶性盐总量的测定-NY/T1121.16-2006》法测试其含盐量；将底泥土恒温蒸干后过2mm标准筛；
(2)土柱制作：采用分层填装、逐步饱和的方法制作土柱，步骤如下
1)将直径为1～2mm粗砂7风干，然后缓慢倒入至有机玻璃柱1的圆孔托盘4上，倒入的过程中可以轻晃容器，避免填土之间的空隙，填砂至5cm高后停止倒入；
2)称取一定质量的土样6，倒入有机玻璃柱1中5cm厚的粗砂7上，填土至5cm高度，记录所用土样6质量；
3)重复步骤1)，将粗砂7倒入至土样6上，厚度为5cm；
(3)湿润饱和土样和粗砂，以较小的水头差从1下部进水缓慢饱和浸湿并饱和土样6和砂样7，直至水面高过土柱的最上层粗砂7，静置一段时间，确保粗砂7和土样6不沉降；
(4)去离子水通过溢流槽2后连接至玻璃柱1最下端，由下部进水；在上部粗砂7表面高度处设置阀门3，接硅胶管取渗出液，控制溢流槽的高度和硅胶管出口的高度以调整水力梯度；记算渗出液的流量，利用流量除以玻璃柱1的横截面积得到流速；
(5)进行若干组不同水力梯度下的盐分穿透试验，定时测定渗出液的电导率和含盐量，直至出流的含盐量小于最高浓度的20％后停止试验；
(6)利用标准曲线对比法求解弥散系数，不考虑颗粒表面吸附情况下，瞬时注入的一维水动水动力弥散的解析解为：
式中：m为投入示踪剂的质量；w为裂隙的横截面积；θ为孔隙度，DL为一维水动力纵向弥散系数，x为流径；t为时间；C为流径x处t时刻溶液中溶质浓度；v为地下水流速；
此式是正态分布密度函数，即浓度是在按正态分布的单峰曲线，其数学期望μ＝vt。即在x＝vt处，浓度曲线为峰值Cmax，该曲线的方差和均方差分别为σ2＝2DLt，曲线在处有拐点，且在拐点处，据此，可以基于试验所得穿透曲线按照下述步骤确定一维水动力纵向弥散系数DL，即
1)先确定Cmax的值及其所对应的数学期望，即xmax＝μ＝vtmax；
2)从浓度曲线上找出拐点(C＝0.607Cmax)所在的位置，求出对应的x0.607＝vt0.607＝vtmax+σ，并由此得到σ＝v(t0.607-tmax)；
3)依据均方差公式得到
最后在穿透曲线上找出出现均方差σ的时间t0.607，代入上式即可得到DL值。
步骤(1)中所取土样须在测试其含盐量后经100～105℃恒温蒸发箱蒸干，且在含水量小于5％之后过2mm标准筛。
步骤(2)须记录装填的粗砂和土样的质量，确保每组土柱中的样品质量一致，且在装填过程中切勿捣实。
步骤(3)浸润粗砂7和土样1时的水头差应小于1cm，完全饱和后的静置时间不少于24小时。
步骤(4)连通渗出液的硅胶管管口高度要固定住，以配合溢流槽2形成稳定的水力梯度。
步骤(5)定时测定渗出液的电导率和含盐量，要保证记录的数据可以反应出穿透曲线的峰值和分布特征，针对本试验时间间隔在到达峰值前不宜小于2次/天，到达峰值前不宜小于1次/天，直至出流的含盐量小于最高浓度的10％后停止试验。
步骤(6)中由于试验所得穿透曲线一般不是完全正态分布，因此需分别找出峰值前后的拐点处，分别计算出弥散系数再取平均值。
实施例
一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法，具体操作如下：
(1)现场采集吹填区的底泥，利用《土壤水溶性盐总量的测定-NY/T1121.16-2006》法测试其含盐量为10g/kg；将土样经过100～105℃恒温蒸发箱蒸干，且含水量小于5％之后过2mm标准筛；
(2)土柱制作：采用分层填装、逐步饱和的方法制作土柱，步骤如下
1)将直径为1～2mm粗砂7风干，然后缓慢倒入至有机玻璃柱1的圆孔托盘4上，倒入的过程中可以轻晃容器，避免填土之间的空隙，填砂至5cm高后停止倒入；
2)称取一定质量的土样6，300g，倒入有机玻璃柱1中5cm厚的粗砂7上，填土至5cm高度，记录所用土样质量为300g；
3)重复步骤1)，将粗砂7倒入至土样上，厚度为5cm；
4)重复上述步骤，制作3组平行土柱装置；
(3)湿润饱和土样6和粗砂7，以1cm的水头差从下部进水缓慢饱和浸湿并饱和土样6和砂样7，直至水面高过土柱的最上层粗砂7，静置24小时，确保粗砂7和土样6不发生沉降；
(4)去离子水通过溢流槽2后连接至玻璃柱1最下端，由下部进水；在上部粗砂7表面高度处设置阀门3，接硅胶管取渗出液，控制溢流槽2的高度和硅胶管出口的高度以调整水力梯度；记算渗出液的流量，利用流量除以玻璃柱1的横截面积得到流速。本试验三组水力梯度3、5和11下的流速分别为0.012m/d、0.022m/d和0.048m/d；
(5)进行三组不同水力梯度下的盐分穿透试验，定时测定渗出液的电导率和含盐量，直至出流的含盐量小于最高浓度的20％后停止试验，三组试验的穿透曲线可见图2；
(6)利用标准曲线对比法求解弥散系数，以水力梯度为5时的情况为例进行说明：
1)先确定Cmax的值及其所对应的数学期望，即xmax＝μ＝vtmax，本试验tmax＝6天
2)从浓度曲线上找出拐点(C＝0.607Cmax)所在的位置，求出对应的x0.607＝vt0.607＝vtmax+σ，并由此得到σ＝v(t0.607-tmax)；本试验t0.607分别为2.8和16天，对应方差分别为-0.0691m和0.216m；
3)依据均方差公式得到分别为0.000427和0.00073，求平均值等于5.78×10-4m2/d。
最后计算出水力梯度为3和11时的弥散系数为1.38×10-4m2/d和2.10×10-3m2/d。

Claims (10)

1.一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法，其特征在于：该吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法的装置包括放置在底座(5)上的有机玻璃柱(1)，在有机玻璃柱(1)上方设置阀门开关(3)，有机玻璃柱(1)上部与溢流槽(2)连通；采用该装置的试验确定法，包括如下步骤：
1)现场采集吹填区的底泥，测试其含盐量，将底泥土恒温蒸干后过标准筛后得到土样(6)；
2)土柱制作：土柱共有三层，最下层是粗砂(7)，中层是土样(6)，最上层是另外一层粗砂(7)；
3)湿润饱和土样(6)和粗砂(7)：从有机玻璃柱(1)下部进水饱和浸湿并饱和土样(6)和粗砂(7)，直至水面高过土柱的最上层粗砂(7)，静置确保粗砂(7)和土样(6)不沉降；
4)去离子水通过溢流槽(2)后连接至有机玻璃柱(1)最下端，由下部进水；在最上层粗砂(7)表面高度处设置阀门开关(3)，接硅胶管取渗出液，控制溢流槽(2)的高度和硅胶管出口的高度以调整水力梯度；记算渗出液的流量，利用流量除以有机玻璃柱(1)的横截面积得到流速；
5)获取穿透曲线：进行若干组不同水力梯度下的盐分穿透试验，定时测定渗出液的电导率和含盐量，直至出流的含盐量小于最高浓度的20％后停止试验；
6)利用标准曲线对比法求解弥散系数。
2.根据权利要求1所述的一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法，其特征在于：所述的步骤2)中，包括如下步骤：
2.1)将直径为1～2mm粗砂(7)风干，然后倒入至有机玻璃柱(1)的圆孔托盘(4)上，倒入的过程中可以轻晃容器，避免填土之间的空隙，填砂后停止倒入；
2.2)称取土样(6)，倒入有机玻璃柱(1)中5cm厚的粗砂(7)上，填土，记录所用土样(6)质量；
2.3)重复步骤1)，将粗砂(7)倒入至土样(6)上。
3.根据权利要求1所述的一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法，其特征在于：所述的步骤6)中，不考虑颗粒表面吸附情况下，瞬时注入的一维水动水动力弥散的解析解为：
式中：m为投入示踪剂的质量；w为裂隙的横截面积；θ为孔隙度，DL为一维水动力纵向弥散系数，x为流径；t为时间；C为流径x处t时刻溶液中溶质浓度；v为地下水流速；
此式是正态分布密度函数，即浓度是在按正态分布的单峰曲线，其数学期望μ＝vt；即在x＝vt处，浓度曲线为峰值Cmax，该曲线的方差和均方差分别为σ2＝2DLt，曲线在处有拐点，且在拐点处，
4.根据权利要求3所述的一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法，其特征在于：基于试验所得穿透曲线按照下述步骤确定一维水动力纵向弥散系数DL，即
6.1)先确定Cmax的值及其所对应的数学期望，即xmax＝μ＝vtmax；
6.2)从浓度曲线上找出拐点所在的位置，求出对应的x0.607＝vt0.607＝vtmax+σ，并由此得到σ＝v(t0.607-tmax)；
6.3)依据均方差公式得到
最后在穿透曲线上找出出现均方差σ的时间t0.607，代入上式即可得到DL值。
5.根据权利要求1所述的一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱实验确定法，其特征在于：所述的步骤1)中，所取底泥在测试其含盐量后经100-105℃恒温蒸发箱蒸干，且在含水量小于5％之后过2mm标准筛。
6.根据权利要求1所述的一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱实验确定法，其特征在于：所述的步骤2)中，记录装填的粗砂(7)和土样(6)的质量，确保每组土柱中的粗砂(7)和土样(6)的质量一致，且在装填过程中切勿捣实。
7.根据权利要求1所述的一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱实验确定法，其特征在于：所述的步骤3)中，浸润粗砂和土样时的水头差小于1cm，完全饱和后的静置时间不少于24小时。
8.根据权利要求1所述的一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱实验确定法，其特征在于：所述的步骤4)中，连通渗出液的硅胶管管口高度固定，以配合溢流槽(2)形成稳定的水力梯度。
9.根据权利要求1所述的一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱实验确定法，其特征在于：所述的步骤5)定时测定渗出液的电导率和含盐量，保证记录的数据反映出穿透曲线的峰值和分布特征，针对本实验时间间隔在到达峰值前不能小于2次/天，到达峰值前不能小于1次/天，直至出流的含盐量小于最高浓度的20％后停止试验。
10.根据权利要求1所述的一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱实验确定法，其特征在于：所述的步骤6)中，实验所得穿透曲线不是完全正态分布，分别找出峰值前后的拐点处，分别计算出弥散系数再取平均值。
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