CN110346247A - 一种吹填区底泥盐分扩散系数中尺度试验测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种吹填区底泥盐分扩散系数中尺度试验测定方法，属于环境技术领域，搭建若干组相同厚度底泥，不同水位下底泥盐分释出的试验平台；通过将土壤电导率传感器布设在底泥中，将水体电导率传感器布设在底泥‑水交界面和水体中间位置，利用标定的研究区土体及水体电导率与含盐量的相关曲线将监测所得电导率数据转换为含盐量，再利用GMS软件搭建与试验平台对应的数值模型，通过拟合含盐量‑时间序列数据获取中尺度下底泥盐分释出的分子扩散系数以及盐分在水体中的分子扩散系数。本发明综合搭建了中尺度底泥盐分扩散系数中尺度试验平台和相应数值模型，实时监测底泥及水体中的盐分释出及迁移情况，并通过数值模型拟合获取底泥及水体中的盐分扩散系数，精度较高。

Description

一种吹填区底泥盐分扩散系数中尺度试验测定方法
技术领域
本发明属于环境技术领域，具体涉及一种吹填区底泥盐分扩散系数中尺度试验测定方法。
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。吹填区底泥中盐分扩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，吹填区底泥盐分扩散系数的确定方法尚无统一标准，且现场中尺度的确定方法尚未见报导。因此，吹填区底泥盐分扩散系数中尺度试验测定方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底泥盐分扩散系数中尺度试验测定方法，可以实时监测底泥及水体中的盐分释出及迁移情况，并通过数值模型拟合获取底泥及水体中的盐分扩散系数，精度较高。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种吹填区底泥盐分扩散系数中尺度试验测定方法，包括以下步骤：
1)现场采集吹填区的底泥放置于试验装置内；
2)将底泥铺平并静置，测试底泥表面，中部和底部电导率并取样测试其含盐量；
3)配置固定含盐量的水体，并将水体沿筒壁注入试验装置(桶)中，每组试验装置的水体厚度保持一定；
4)搭建现场监测系统：
将土壤电导率传感器布设在底泥中，将水体电导率传感器布设在底泥-水交界面和水体中间位置，记录土体和水体中的电导率变化情况；将电导率探头与数据采集器连接；
5)标定底泥和水体中的电导率与含盐量标准曲线：在吹填区现场不同位置和深度采取底泥样品，利用电导率仪测试其电导率值，利用《土壤水溶性盐总量的测定-NY/T1121.16-2006》法测试其含盐量，标定其相关关系曲线；采取现场地表水体，配置不同浓度的样品，利用电导率仪测试其电导率值，利用质量法测定其含盐量，标定其相关关系曲线；
6)利用上述相关曲线将底泥和水体中的电导率监测数据转换为含盐量数据；
7)底泥中的盐分主要通过分子扩散进入到水体中。描述盐分在底泥和水体中的扩散过程为对流弥散方程，具体如下：
在底泥中：
在水体中：
在水体-底泥界面：
式(I)、(II)和(III)中：C1为盐分在底泥中的浓度(g/L)；C2为盐分在水体中的浓度(g/L)；D1为盐分在底泥中分子扩散系数张量(m2/d)；D2为盐分在水体中分子扩散系数张量(m2/d)；V为实际平均水流速度(m/d)；C01为底泥中盐分初始浓度(g/L)；C02为水体中盐分初始浓度(g/L)；θ为底泥有效孔隙度；Γ1为底泥底部零通量边界；Γ2为水体顶部零通量边界；Γ3为水体与底泥的接触边界。
该数学模型难以用解析方法求解，可用数值法求解，采用有限差分数值法求解该数学模型，预测盐分从底泥中释放到水体的过程。本例建立对应数值模型并拟合试验参数：利用GMS(Groundwater Modeling System)软件搭建与试验平台对应的数值模型，按照试验的物理边界设置数值模型边界，包括底泥的厚度、底泥的初始含盐量、上部水体的厚度和水体的初始含盐量。在考虑盐分在底泥和水体中分子扩散作用，不考虑其对流弥散作用下，通过拟合试验数据获取中尺度下底泥释出盐分的分子扩散系数以及盐分在水体中的分子扩散系数。
进一步地，所述的步骤1)中，至少采集3组不同区域的底泥分别置于三组相同体积的试验装置内，底泥的厚度不大于试验装置高度的1/3；试验装置的直径大于1m。(试验装置主体为高2m，内径1.2m米的塑料水桶)。
进一步地，步骤2)所述底泥静置时间不少于24小时，步骤3)所述水体的含盐量可视吹填区地表水体的含盐量而定，但不能超过底泥含盐量。水体的体积应大于所有试验装置所需水体体积。
进一步地，步骤4)所述土壤电导率传感器布设在底泥表面10cm以下，水体电导率传感器应布设在底泥-水交界面处和水体中间位置处，自动记录电导率值的频率不低于4次/小时。
进一步地，步骤5)所述底泥和水体的样品数应不少于五组，相关关系曲线的决定系数不低于0.99。
进一步地，步骤6)中含盐量的单位要与步骤7)中的一致，拟合的相关系数不低于0.9。
发明原理：本发明搭建若干组相同厚度底泥，不同水位下底泥盐分释出的试验平台；通过将土壤电导率传感器布设在底泥中，将水体电导率传感器布设在底泥-水交界面和水体中间位置，记录土体和水体中的电导率变化情况。利用标定的研究区土体及水体电导率与含盐量的相关曲线将监测所得电导率数据转换为含盐量。再利用GMS(GroundwaterModeling System)软件搭建与试验平台对应的数值模型，在考虑盐分在底泥和水体中分子扩散作用，不考虑其对流弥散作用下，通过拟合含盐量-时间序列数据获取中尺度下底泥盐分释出的分子扩散系数以及盐分在水体中的分子扩散系数。本发明综合搭建了中尺度底泥盐分扩散系数中尺度试验平台和相应数值模型，可以实时监测底泥及水体中的盐分释出及迁移情况，并通过数值模型拟合获取底泥及水体中的盐分扩散系数，精度较高。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种吹填区底泥盐分扩散系数中尺度试验测定方法，属于现场中尺度方法，较之试验室尺度更贴近实际，所得系数更为精确；试验主体装置为大塑料桶，其余试剂为吹填区底泥和自来水，均为环境友好型试剂，且制备简单，成本低廉；试验采用的监测装置可实现连续无扰动长时间监测，数据的后处理简单，精确；利用GMS(Groundwater Modeling System)软件搭建与试验平台对应的数值模型，可以契合试验的各物理边界条件，同时拟合底泥中和水体中的盐分分子扩散系数，拟合结果精确。
附图说明
图1试验装置布置示意图(40cm水体)；
图2试验装置布置示意图(80cm水体)；
图3试验装置布置示意图(120cm水体)；
图4吹填区底泥含盐量与电导率相关关系图；
图5吹填区水体盐量与电导率相关关系图；
图6底泥及不同位置水体含盐量时间序列及数值模型拟合图(以水位80cm为例)；
图7数值模型网格剖分示意图(以水位80cm为例)；
附图标记：1-底泥、2-水体、3-电导率探头、4-出水口、5-进水口、6-数据连接线、7-数据采集器。
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。
一种吹填区底泥盐分扩散系数中尺度试验测定方法，包括以下步骤：
1)现场采集吹填区的底泥放置于试验装置内，试验装置主体为高2m，内径1.2m米的塑料水桶；
2)将底泥铺平并静置，测试底泥表面，中部和底部电导率并取样测试其含盐量；
3)配置固定含盐量的水体，并将水体沿筒壁注入桶中，每组试验装置的水体厚度保持一定；
4)搭建现场监测系统：
将土壤电导率传感器布设在底泥中，将水体电导率传感器布设在底泥-水交界面和水体中间位置，记录土体和水体中的电导率变化情况；将电导率探头与数据采集器连接；
5)标定底泥和水体中的电导率与含盐量标准曲线：在吹填区现场不同位置和深度采取底泥样品，利用电导率仪测试其电导率值，利用《土壤水溶性盐总量的测定-NY/T1121.16-2006》法测试其含盐量，标定其相关关系曲线；采取现场地表水体，配置不同浓度的样品，利用电导率仪测试其电导率值，利用质量法测定其含盐量，标定其相关关系曲线；
6)利用上述相关曲线将底泥和水体中的电导率监测数据转换为含盐量数据；
7)底泥中的盐分主要通过分子扩散进入到水体中。描述盐分在底泥和水体中的扩散过程为对流弥散方程，具体如下：
在底泥中：
在水体中：
在水体-底泥界面：
式(I)、(II)和(III)中：C1为盐分在底泥中的浓度(g/L)；C2为盐分在水体中的浓度(g/L)；D1为盐分在底泥中分子扩散系数张量(m2/d)；D2为盐分在水体中分子扩散系数张量(m2/d)；V为实际平均水流速度(m/d)；C01为底泥中盐分初始浓度(g/L)；C02为水体中盐分初始浓度(g/L)；θ为底泥有效孔隙度；Γ1为底泥底部零通量边界；Γ2为水体顶部零通量边界；Γ3为水体与底泥的接触边界。
该数学模型难以用解析方法求解，可用数值法求解，采用有限差分数值法求解该数学模型，预测盐分从底泥中释放到水体的过程。本例建立对应数值模型并拟合试验参数：利用GMS(Groundwater Modeling System)软件搭建与试验平台对应的数值模型，按照试验的物理边界设置数值模型边界，包括底泥的厚度、底泥的初始含盐量、上部水体的厚度和水体的初始含盐量。在考虑盐分在底泥和水体中分子扩散作用，不考虑其对流弥散作用下，通过拟合试验数据获取中尺度下底泥释出盐分的分子扩散系数以及盐分在水体中的分子扩散系数。
步骤1)至少采集3组不同区域的底泥分别置于三组相同体积的试验装置内，底泥的厚度不大于装置高度的1/3。试验主要装置—塑料桶的直径应大于1m。步骤2)所述底泥静置时间不少于24小时，步骤3)所述水体的含盐量可视吹填区地表水体的含盐量而定，但不能超过底泥含盐量。水体的体积应大于所有试验装置所需水体体积。步骤4)所述土壤电导率传感器布设在底泥表面10cm以下，水体电导率传感器应布设在底泥-水交界面处和水体中间位置处，自动记录电导率值的频率不低于4次/小时。步骤5)所述底泥和水体的样品数应不少于五组，相关关系曲线的决定系数不低于0.99。步骤6)中含盐量的单位要与步骤7)中的一致，拟合的相关系数不低于0.9。
实施例
一种吹填区底泥盐分扩散系数中尺度试验测定方法，具体操作如下：
(1)现场采集三组吹填区的底泥放置于试验装置内，底泥厚度为40cm，试验装置主体为高2m，内径1.2m米的塑料水桶，可见图1；
(2)将底泥铺平并静置24小时，测试底泥表面，中部和底部的电导率并取样测试其含盐量分别为6g/L、6.5g/L和7g/L；
(3)配置含盐量为1g/L的水体5吨，并将水体沿筒壁注入桶中，三组试验装置的水体厚度分别为40cm、80cm和120cm，可见图1-图3；
(4)搭建现场监测系统：将土壤电导率传感器布设在底泥面以下10cm处，将水体电导率传感器布设在底泥-水交界面和水体中间位置，三组水位对应的位置分别为水面下20cm、40cm和60cm处，记录土体和水体中的电导率变化情况，自动记录电导率值的频率设置为4次/小时；将电导率探头与数据采集器连接，可见图1-图3；
(5)标定底泥和水体中的电导率与含盐量标准曲线：
在吹填区现场不同位置和深度采取底泥样品，利用电导率仪测试其电导率值，利用《土壤水溶性盐总量的测定-NY/T 1121.16-2006》法测试其含盐量，标定其相关关系曲线，可见图4；采取现场地表水体，配置不同浓度的样品，利用电导率仪测试其电导率值，利用质量法测定其含盐量，标定其相关关系曲线，可见图5；
(6)利用上述相关曲线将底泥和水体中的电导率监测数据转换为含盐量数据，可见图6；
(7)建立对应数值模型并拟合试验参数：
利用GMS(Groundwater Modeling System)软件搭建与试验平台对应的数值模型，按照试验的物理边界设置数值模型边界，包括底泥的厚度，设置为40cm、底泥的初始含盐量，分别设置为上部20cm为6g/L、下部20cm为7g/L；上部水体的厚度，设置为80cm，水体的初始含盐量，设置为1g/L，网格剖分的结果可见图7，只考虑底泥中盐分和盐分在水体中的分子扩散作用，不考虑对流弥散作用。通过拟合试验数据获取中尺度下底泥释出盐分的分子扩散系数为2.78×10-9m2/d，拟合的相关系数为0.960；以及盐分在水体中的分子扩散系数为5.56×10-9m2/d，拟合的相关系数为0.950，拟合的结果可见图6。
本发明的目的在于提出一种吹填区底泥盐分扩散系数中尺度试验测定方法，属于现场中尺度方法，较之试验室尺度更贴近实际，所得系数更为精确；试验主体装置和试剂均为环境友好型试剂，制备简单，成本低廉；试验采用的监测装置可实现连续无扰动长时间监测，数据的后处理简单，精确；利用GMS(Groundwater Modeling System)软件搭建与试验平台对应的数值模型，可以契合试验的各物理边界条件，同时拟合底泥中和水体中的盐分分子扩散系数，拟合结果精确。

Claims (6)

1.一种吹填区底泥盐分扩散系数中尺度试验测定方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)现场采集吹填区的底泥放置于试验装置内；
2)将底泥铺平并静置，测试底泥表面，中部和底部电导率并取样测试其含盐量；
3)配置固定含盐量的水体，并将水体沿筒壁注入试验装置中，每组试验装置的水体厚度保持一定；
4)搭建现场监测系统：将土壤电导率传感器布设在底泥中，将水体电导率传感器布设在底泥-水交界面和水体中间位置，记录土体和水体中的电导率变化情况；将电导率探头与数据采集器连接；
5)标定底泥和水体中的电导率与含盐量标准曲线：在吹填区现场不同位置和深度采取底泥样品，利用电导率仪测试其电导率值，测试其含盐量，标定其相关关系曲线；采取现场地表水体，配置不同浓度的样品，利用电导率仪测试其电导率值，利用质量法测定其含盐量，标定其相关关系曲线；
6)利用上述相关曲线将底泥和水体中的电导率监测数据转换为含盐量数据；
7)底泥中的盐分主要通过分子扩散进入到水体中；描述盐分在底泥和水体中的扩散过程为对流弥散方程，具体如下：
在底泥中：
在水体中：
在水体-底泥界面：
式(I)、(II)和(III)中：C1为盐分在底泥中的浓度，g/L；C2为盐分在水体中的浓度，g/L；D1为盐分在底泥中分子扩散系数张量，m2/d；D2为盐分在水体中分子扩散系数张量，m2/d；V为实际平均水流速度，m/d；C01为底泥中盐分初始浓度，g/L；C02为水体中盐分初始浓度，g/L；θ为底泥有效孔隙度；Γ1为底泥底部零通量边界；Γ2为水体顶部零通量边界；Γ3为水体与底泥的接触边界；采用有限差分数值法求解该数学模型，预测盐分从底泥中释放到水体的过程。
2.根据权利要求1所述的一种吹填区底泥盐分扩散系数中尺度试验测定方法，其特征在于：所述的步骤1)中，至少采集3组不同区域的底泥分别置于三组相同体积的试验装置内，底泥的厚度不大于试验装置高度的1/3；试验装置的直径大于1m。
3.根据权利要求1所述的一种吹填区底泥盐分扩散系数中尺度试验测定方法，其特征在于：所述的步骤2)中，所述静置时间不少于24小时，所述的步骤3)中，所述水体的含盐量不超过底泥含盐量。
4.根据权利要求1所述的一种吹填区底泥盐分扩散系数中尺度试验测定方法，其特征在于：所述的步骤4)中，土壤电导率传感器布设在底泥表面10cm以下，水体电导率传感器应布设在底泥-水交界面处和水体中间位置处，自动记录电导率值的频率不低于4次/小时。
5.根据权利要求1所述的一种吹填区底泥盐分扩散系数中尺度试验测定方法，其特征在于：所述的步骤5)中，所述底泥和水体的样品数应不少于五组，相关关系曲线的决定系数不低于0.99。
6.根据权利要求1所述的一种吹填区底泥盐分扩散系数中尺度试验测定方法，其特征在于：所述的步骤6)中，含盐量的单位与步骤7)中的一致，拟合的相关系数不低于0.9。
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