CN111337542B - 时域反射法监测重金属污染场地中渗透吸力的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种时域反射监测重金属污染场地中渗透吸力的方法，包括土体渗透吸力的原位测试试验，进行重金属污染物运移的模型试验，进行重金属污染场地控制吸力的模型试验，通过TDR数据采集系统实时获取土体介电常数与土体电导率，计算出土体体积含水率、孔隙溶液电导率、孔隙溶液溶质浓度、土体渗透吸力、土体基质吸力与土体总吸力，在控制吸力的模型试验中还可将所测的吸力值与控制吸力值进行对比，通过上述方法监测、研究重金属污染场地的渗透吸力，该方法操作方便，对原状土扰动极小，测量数据快速精确，且时域反射技术具有良好的时间、空间分辨率，能对水以及溶质的运移进行长期自动化监测。

Description

时域反射法监测重金属污染场地中渗透吸力的方法及装置

技术领域

本发明涉及环境工程地质及土体吸力量测技术领域，特别涉及一种时域反射法监测重金属污染场地中渗透吸力的方法及装置。

背景技术

非饱和土中总吸力

分为基质吸力

与渗透吸力(π)。一般而言，基质吸力占主导地位，然而，当土中含水量与含盐量较高时，渗透吸力的作用较为显著。随着城市工业化的发展，大量土壤受到重金属污染。重金属污染场地多为非饱和土，且土孔隙水中富含重金属盐，因此，重金属污染场地中渗透吸力的量测显得十分重要。

目前，关于非饱和土总吸力及基质吸力的量测方法有许多，可分为直接测量技术和间接测量技术，各有其优势与局限性。当渗透吸力对非饱和土力学性质影响较小时，可用基质吸力值与总吸力值互换，认为它们相等。而渗透吸力对土体(饱和土或非饱和土)力学性质的影响不可忽视时，就必须对渗透吸力进行量测。针对土中渗透吸力的量测方法主要有挤液法，其基本原理就是土中孔隙水的导电性与溶质浓度有关，而渗透吸力也与孔隙水溶质浓度有关，因此建立土中孔隙水的电导率与渗透吸力的关系。利用挤液器将土中孔隙水取出，测其电导率以计算渗透吸力值。此方法较适用于室内试验，在实际工程中运用时，存在取样困难，影响土体结构，耗费时间，无法长期监测以及自动化程度低等诸多问题。此外，还可以通过控制土体总吸力，测量其基质吸力，然后用总吸力减去基质吸力以间接测量渗透吸力。此方法与挤液法类似，存在步骤繁杂，耗时耗力，无法长期监测，自动化程度低等问题。现有技术中，对于土中渗透吸力高效量测方法的开发较少，对重金属污染场地中渗透吸力的高效监测途径较少。

近年来，时域反射测量技术作为一种较为先进的吸力量测技术，在领域内得到广泛运用。它利用TDR装置测量电磁脉冲在土体中传播、反射和衰减，获得波型。其中，可利用电磁脉冲在探针间的传播时间计算得到土体的介电常数K_a，利用沿探头电压脉冲的衰减来推断土体电导率EC。土中水的介电常数相对于土中其他物质大得多，因此可用土体介电常数近似为土中水的介电常数，通过土体介电常数计算得到土体体积含水率θ。土体电导率主要与土体体积含水率和孔隙溶液电导率EC_w有关，因此可通过土体电导率和体积含水率确定孔隙溶液电导率。若孔隙溶液的化学成分已知，则可根据孔隙溶液电导率计算孔隙溶液溶质浓度C。而渗透吸力π正与孔隙溶液溶质浓度或孔隙溶液电导率有关，因而可结合标定实验确定相对应的吸力值。该方法虽然在正式测量吸力之前需做许多标定实验，但其无论在室内还是现场实验中优势明显，操作方便，对原状土扰动极小，测量数据快速精确等。除此之外，时域反射技术具有良好的时间、空间分辨率，能对水以及溶质的运移进行长期自动化监测。

发明内容

本发明的目的是为了实现对重金属污染场地中渗透吸力的高效监测，提供一种基于时域反射监测重金属污染场地中渗透吸力(π)的方法，并且还提供了一种试验装置，可模拟重金属污染物的水平运移，又可利用溶液循环系统控制土中基质吸力，或通过气相法控制土中总吸力。

为了达到上述目的，本发明提供了一种时域反射监测重金属污染场地中渗透吸力的方法，包括如下步骤：

步骤1、土体渗透吸力的原位测试试验，通过TDR数据采集系统实时获取土体介电常数与土体电导率，计算土体体积含水率θ、孔隙溶液电导率EC_w、孔隙溶液溶质浓度C、土体渗透吸力π、土体基质吸力

与土体总吸力

步骤2、进行重金属污染物运移的模型试验，通过TDR数据采集系统实时获取土体介电常数与土体电导率，计算重金属溶液非饱和或饱和土体体积含水率θ、孔隙溶液电导率EC_w、孔隙溶液溶质浓度C、土体渗透吸力π、土体基质吸力

与土体总吸力

步骤3、进行重金属污染场地控制吸力的模型试验，通过TDR数据采集系统实时获取土体介电常数与土体电导率，计算出土体体积含水率θ、孔隙溶液电导率EC_w、孔隙溶液溶质浓度C、土体渗透吸力π、土体基质吸力

与土体总吸力

将所测的吸力值与控制吸力值进行对比。

其中，所述步骤1具体包括：

1a、进行TDR标定试验，包括土体体积含水率-介电常数的标定试验、孔隙溶液溶质浓度-土体电导率的标定试验，获取标定曲线及标定方程；

1b、利用渗析法进行土体基质吸力与土体体积含水率的标定试验，获取土水特征曲线；

1c、通过孔隙溶液溶质浓度计算渗透吸力，进行土体渗透吸力与土体介电常数、土体电导率的标定，将土体基质吸力与土体介电常数进行标定，将土体渗透吸力与土体基质吸力相加计算所得土体总吸力与土体介电常数、土体电导率进行标定，分别获取标定曲线；

1d、布置TDR数据采集系统，实时获取土体介电常数与土体电导率，将其与标定曲线进行对比，或根据标定方程分别计算出土体体积含水率θ、孔隙溶液电导率EC_w、孔隙溶液溶质浓度C、土体渗透吸力π、土体基质吸力

与土体总吸力

其中，所述步骤2具体包括与所述1a、1b、1c相同的步骤，以及后续步骤如下：

2d、连接试验仪器并填入待测土体，不使用半透膜，待测土体为未污染土，填入土体干密度应与原状土相近，启动溶液循环系统，使重金属溶液从待测土体的一侧往另一侧渗透，逐渐饱和土体，模拟重金属污染场地溶质横向水平运移情况，土体饱和后，孔隙溶液为重金属溶液，此时，基质吸力为0，渗透吸力不变；

2e、启动TDR数据采集系统，实时获取土体介电常数与土体电导率，将其与标定曲线进行对比或根据标定方程分别计算出土体体积含水率θ、孔隙溶液电导率EC_w、孔隙溶液溶质浓度C、土体渗透吸力π、土体基质吸力

与土体总吸力

其中，所述步骤3具体包括与所述1a、1b、1c相同的步骤，以及后续步骤如下：

3d、连接试验仪器并填入待测土体，使用半透膜，待测土体为重金属污染土，填入土体干密度应与原状土相近。

3e、关闭进气阀门、出气阀门，启动溶液循环系统，使重金属溶液与重金属污染土产生水分迁移，直至重金属溶液与污染土之间吸力平衡，以此控制土体基质吸力；或关闭进水阀门、出水阀门，启动总吸力控制系统，使通过饱和盐溶液的气体在有机玻璃腔室中循环流动，以此控制腔室内相对湿度，从而控制土体总吸力；

3f、启动TDR数据采集系统，实时获取土体介电常数与土体电导率，将其与标定曲线进行对比或根据标定方程分别计算出土体体积含水率θ、孔隙溶液电导率EC_w、孔隙溶液溶质浓度C、土体渗透吸力π、土体基质吸力

与土体总吸力

将所测的吸力值与控制吸力值进行对比。

其中，所述土体体积含水率-介电常数的标定试验包括：将原状土烘干，研磨，过筛；控制体积含水率n％在10～40％范围内等梯度变化，梯度为5％；准备容积V的容器，根据原状土干密度ρ_d、容器容积V、体积含水率n％，计算待填入干土的质量m_s＝ρ_dV、水的体积n％V，土和水总质量ρ_dV+n％V，配土时选取干土的质量M_s>m_s，所取水的体积为n％(M_s/ρ_d)，将每种体积含水率下的水分别与干土均匀混合；土体密封保存24h，使其水分均匀；取适量土体在105℃的电烘箱中干燥24h，测其实际体积含水率θ；将总质量为ρ_dV+n％V的土体填至容器中形成土样，考虑质量损失，保证土样填入容器后干密度与原状土干密度接近，填土时分层压实，确保土质均匀；用TDR数据采集系统测量不同体积含水率下土样的介电常数K_a，相同体积含水率下进行多点测试取平均值；将TDR测试结果K_a与土样实际体积含水率θ进行拟合，获取标定曲线与标定方程。

其中，所述孔隙溶液溶质浓度-土体电导率标定试验中土样制备的具体步骤为：制备CuCl₂在不同浓度c下的溶液；将原状未污染土烘干，研磨，过筛；控制体积含水率n％在10～40％范围内等梯度变化，梯度为5％；准备容积V的容器，根据原状重金属污染土干密度ρ_d、容器容积V、体积含水率n％、溶质的相对分子质量Mr、溶液浓度c，计算待填入干土的质量m_s＝ρ_dV-Mrcn％V、重金属溶液体积n％V、土和溶液总质量ρ_dV+n％V，配土时，所取干土的质量M_s>m_s，所取重金属溶液体积为n％[M_s/(ρ_d-Mrcn％)]，将每种体积含水率下每种浓度的溶液分别与干土均匀混合，以模拟Cu离子污染土；土体密封保存24h，使其水分均匀；取适量土体在105℃的电烘箱中干燥24h，测其实际体积含水率θ；将总质量为ρ_dV+n％V的土体填至容器中形成土样，考虑质量损失，保证土样填入容器后干密度与原状重金属污染土干密度接近，填土时分层压实，确保土质均匀；改变重金属类型，制备其他重金属(Pb、Cr、Cd等)在不同浓度下的溶液，并以上述方法制备其他土样。

其中，所述孔隙溶液溶质浓度-土体电导率标定试验的具体步骤为：用TDR数据采集系统分别测量同种重金属相同体积含水率不同浓度下土样的电导率，相同浓度下进行多点测试取平均值，获取TDR测试结果；测量孔隙溶液电导率，以10000转/分的速度离心土样45分钟，并用电导率仪测量上清液的电导率；已知孔隙溶液的溶质种类，可根据孔隙溶液电导率计算孔隙溶液溶质浓度C；分别将同种重金属相同体积含水率不同浓度下TDR测试所得土体电导率EC与孔隙溶液溶质浓度C进行拟合，获取标定曲线与标定方程。

其中，所述土体基质吸力与土体体积含水率标定试验的具体步骤为：制备原状污染土土样，利用渗析法控制吸力，逐级增加吸力脱水，然后再逐级减小吸力润湿，当每级吸力平衡后，取出土样，通过称重计算其体积含水率，之后将土样重新进行下一级的吸力平衡，将吸湿过程的测量结果制成

曲线，即土水特征曲线。

本发明还提供了一种时域反射监测重金属污染场地中渗透吸力的装置，包括有机玻璃腔室、总吸力控制系统、溶液循环系统、TDR数据采集系统；所述有机玻璃腔室的两端均设置有透水石，每端的所述透水石内侧设置有一可拆卸的半透膜，所述透水石能透过液体而阻隔土体，所述半透膜能透过水分子而阻隔溶质分子，待测土体填充在所述有机玻璃腔室内；所述总吸力控制系统的输入端和输出端分别连接所述有机玻璃腔室上层的两端，连接处位于所述有机玻璃腔室的未填土区域；所述溶液循环系统的输入端和输出端分别连接所述有机玻璃腔室下层的两端，连接处位于填土区域；所述TDR数据采集系统主要由多个TDR探头、TDR数据采集仪和导线组成，所述TDR探头布置在所述有机玻璃腔室内的不同空间位置。

其中，所述总吸力控制系统主要由饱和盐溶液瓶、过滤瓶、气泵、通气管、进气阀门以及出气阀门组成，其中，盛有饱和盐溶液且密封的所述饱和盐溶液瓶通过所述通气管与所述密封过滤瓶连通，所述过滤瓶通过另一安装有所述进气阀门的通气管与所述有机玻璃腔室连通，所述有机玻璃腔室的另一端通过安装有所述出气阀门以及所述气泵的通气管与所述饱和盐溶液瓶连通形成循环回路；

所述溶液循环系统主要由重金属溶液瓶、计量泵、通液管、进水阀门和出水阀门组成，其中，盛有重金属溶液且密封的所述重金属溶液瓶通过安装有所述计量泵和所述进水阀门的通液管与所述有机玻璃腔室连通，所述有机玻璃腔室的另一端通过安装有所述出水阀门的通液管与所述重金属溶液瓶连通形成循环回路。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明采用时域反射技术(TDR)测量土体介电常数K_a和电导率EC，然后根据标定曲线或标定方程依次确定土体体积含水率θ、孔隙溶液电导率EC_w、孔隙溶液溶质浓度C、渗透吸力π、基质吸力

与总吸力

建立了土体介电常数K_a、土体电导率EC、土体体积含水率θ、孔隙溶液电导率EC_w、孔隙溶液溶质浓度C、渗透吸力π、基质吸力

与总吸力

的相互联系，测量时操作方便，对原状土扰动极小，测量数据快速精确，尤其在测量浅层土体时，不会造成较大的精度损失；

本发明采用的TDR数据采集系统在布置后，可采集土体介电常数K_a、土体电导率EC等数据的时间、空间信息，并一一对应，以此进行长期自动化监测；

本发明的试验装置能原位测试重金属污染场地中的渗透吸力，同时在不设置半透膜时，可模拟重金属污染场地溶质横向水平运移情况；设置半透膜时，可分别采用渗析法和气相法控制土中吸力。

附图说明

图1为本发明的装置结构及连接示意图；

图2为本发明的方法步骤流程图。

【附图标记说明】

1-有机玻璃腔室；2-总吸力控制系统；3-溶液循环系统；4-TDR数据采集系统；5-透水石；6-半透膜；7-待测土体；8-饱和盐溶液瓶；9-过滤瓶；10-气泵；11-通气管；12-进气阀门；13-出气阀门；14-重金属溶液瓶；15-计量泵；16-通液管；17-进水阀门；18-出水阀门；19-TDR探头；20-TDR数据采集仪；21-导线。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1：

本发明的实施例1提供了一种模型试验，模拟重金属Cu离子污染场地中Cu离子的水平运移，旨在长期观测污染场地中土体的渗透吸力，试验装置请参阅图1，操作流程请参阅图2。具体操作步骤如下：

步骤一，进行土体体积含水率-介电常数的标定试验：将原状土烘干，研磨，过筛；控制体积含水率n％在10～40％范围内等梯度变化，梯度为5％；准备一定容积V的容器，根据原状土干密度ρ_d、容器容积V、体积含水率n％，计算待填入干土的质量m_s＝ρ_dV、水的体积n％V，土和水总质量ρ_dV+n％V，配土时选取干土的质量M_s>m_s，所取水的体积为n％(M_s/ρ_d)，将每种体积含水率下的水分别与干土均匀混合；土体密封保存24h，使其水分均匀；取适量土体在105℃的电烘箱中干燥24h，测其实际体积含水率θ；将总质量为ρ_dV+n％V的土体填至容器中形成土样，考虑质量损失，保证土样填入容器后干密度与原状土干密度接近，填土时分层压实，确保土质均匀；用TDR数据采集系统4测量不同体积含水率下土样的介电常数K_a，相同体积含水率下进行多点测试取平均值；将TDR测试结果K_a与土样实际体积含水率θ进行拟合，获取标定曲线与标定方程。

步骤二，进行孔隙溶液溶质浓度-土体电导率的标定试验：制备CuCl₂在不同浓度c下的溶液；将原状未污染土烘干，研磨，过筛；控制体积含水率n％在10～40％范围内等梯度变化，梯度为5％；准备容积V的容器，根据原状重金属污染土干密度ρ_d、容器容积V、体积含水率n％、溶质的相对分子质量Mr、溶液浓度c，计算待填入干土的质量m_s＝ρ_dV-Mrcn％V、重金属溶液体积n％V、土和溶液总质量ρ_dV+n％V，配土时，所取干土的质量M_s>m_s，所取重金属溶液体积为n％[M_s/(ρ_d-Mrcn％)]，将每种体积含水率下每种浓度的溶液分别与干土均匀混合，以模拟Cu离子污染土；土体密封保存24h，使其水分均匀；取适量土体在105℃的电烘箱中干燥24h，测其实际体积含水率θ；将总质量为ρ_dV+n％V的土体填至容器中形成土样，考虑质量损失，保证土样填入容器后干密度与原状重金属污染土干密度接近，填土时分层压实，确保土质均匀；用TDR数据采集系统4分别测量相同体积含水率不同浓度下Cu离子污染土样的电导率，相同浓度下进行多点测试取平均值，获取TDR测试结果；测量孔隙溶液电导率，以10000转/分的速度离心土样45分钟，并用电导率仪测量上清液的电导率；已知孔隙溶液的溶质为CuCl₂，可根据孔隙溶液电导率计算孔隙溶液溶质浓度C；分别将Cu离子污染下相同体积含水率不同浓度下TDR测试所得土体电导率EC与孔隙溶液溶质浓度C进行拟合，获取标定曲线与标定方程。

步骤三，进行土体基质吸力

与土体体积含水率的标定试验：制备原状污染土土样，利用渗析法控制吸力，逐级增加吸力脱水，然后再逐级减小吸力润湿，当每级吸力平衡后，取出土样，通过称重计算其体积含水率，之后将土样重新进行下一级的吸力平衡，将吸湿过程的测量结果制成

曲线，即土水特征曲线。

步骤四，通过孔隙溶液溶质浓度计算渗透吸力，进行土体渗透吸力π与土体介电常数、土体电导率的标定，将基质吸力

与土体介电常数进行标定，将土体渗透吸力π与土体基质吸力

相加计算所得土体总吸力

与土体介电常数、土体电导率进行标定，分别获取吸力标定曲线。

步骤五，按图1所示连接试验仪器，不使用半透膜6，填入未污染土，填入土体干密度与原状土相近；启动溶液循环系统3，使重金属溶液从左往右渗透，逐渐饱和待测土体7，模拟重金属污染场地溶质横向水平运移情况；启动TDR数据采集系统4，实时获取土体介电常数与土体电导率，将其与标定曲线进行对比或根据标定方程分别计算出土体体积含水率θ、孔隙溶液电导率EC_w、孔隙溶液溶质浓度C、土体渗透吸力π、土体基质吸力

与土体总吸力

实施例2：

本发明的实施例2提供了一种控制吸力的模型试验，模拟具有不同基质吸力或总吸力值的Cu离子污染土，旨在测量具有不同吸力值的污染土体的渗透吸力，试验装置请参阅图1，操作流程请参阅图2。具体操作步骤如下：

步骤一至步骤四与实施例1相同。

步骤五，按图1所示连接试验仪器，使用半透膜6，填入Cu离子污染土，填入土体干密度与原状土相近。

步骤六，关闭进气阀门、出气阀门，启动溶液循环系统3，使CuCl₂溶液与Cu离子污染土产生水分迁移，直至CuCl₂溶液与污染土之间吸力平衡，以此获得具有一定含水率的Cu离子污染土并且控制土体基质吸力，改变CuCl₂溶液浓度获得不同含水率的Cu离子污染土与不同的基质吸力。或关闭进水阀门、出水阀门，启动总吸力控制系统2，使饱和NaCl溶液的气体在有机玻璃腔室中循环流动，以此控制腔室内相对湿度，从而控制土体总吸力为38MPa。

步骤七，启动TDR数据采集系统4，实时获取土体介电常数与土体电导率，将其与标定曲线进行对比或根据标定方程分别计算出土体体积含水率θ、孔隙溶液电导率EC_w、孔隙溶液溶质浓度C、土体渗透吸力π、土体基质吸力

与土体总吸力

将所测吸力值与控制吸力值进行对比。

实施例3：

本发明的实施例3提供了一种时域反射监测重金属污染场地中渗透吸力的装置，包括有机玻璃腔室1、总吸力控制系统2、溶液循环系统3、TDR数据采集系统4。其中，有机玻璃腔室1的两端均设置有透水石5，每端的透水石5内侧设置有一可拆卸的半透膜6，待测土体7填充在有机玻璃腔室1内，半透膜6位于透水石5与待测土体7之间。透水石5能透过液体而阻隔土体颗粒，半透膜6能透过水分子而阻隔溶质分子。在实施例1中拆卸半透膜6，使重金属溶液从左往右渗透时重金属离子能渗透进入待测土体7，模拟重金属污染场地溶质横向水平运移情况；而实施例2中安装半透膜6，使CuCl₂溶液与Cu离子污染土仅产生水分的迁移，直至CuCl₂溶液与污染土之间吸力平衡。

总吸力控制系统2的输入端和输出端分别连接有机玻璃腔室1上层的两端，连接处位于有机玻璃腔室1的未填土区域。具体地，总吸力控制系统2主要由饱和盐溶液瓶8、过滤瓶9、气泵10、通气管11、进气阀门12以及出气阀门13组成，其中，盛有饱和盐溶液且密封的饱和盐溶液瓶8通过通气管11与密封过滤瓶9连通，过滤瓶9通过另一安装有进气阀门12的通气管11与有机玻璃腔室1连通，有机玻璃腔室1的另一端通过安装出气阀门13以及气泵10的通气管11与饱和盐溶液瓶8连通形成循环回路。在开启气泵10启动总吸力控制系统2后，使得通过饱和盐溶液的气体通过通气管11在有机玻璃腔室1中循环流动，以此控制腔室内的相对湿度，从而控制土体的总吸力。其中，饱和盐溶液可以是饱和K₂SO₄、ZnSO₄·7H₂O、(NH₄)₂SO₄、NaCl、Mg(NO₃)₂、K₂CO₃、LiCl溶液，它们在20℃下分别能控制的蒸汽吸力值为4.2MPa、12.6MPa、24.9MPa、38MPa、82MPa、113MPa和309MPa。

溶液循环系统3的输入端和输出端分别连接有机玻璃腔室1下层的两端，连接处位于填土区域。具体地，溶液循环系统3主要由重金属溶液瓶14、计量泵15、通液管16、进水阀门17和出水阀门18组成。其中，盛有重金属溶液且密封的重金属溶液瓶14通过安装计量泵15和进水阀门17的通液管16与有机玻璃腔室1连通，有机玻璃腔室1的另一端通过安装出水阀门18的通液管16与重金属溶液瓶14连通形成循环回路。在开启计量泵15后，重金属溶液通过通液管16在有机玻璃腔室1内循环流动。不使用半透膜时，重金属溶液逐渐渗透土体，以此模拟重金属污染场地溶质横向水平运移情况。使用半透膜时，可改变重金属溶液浓度，以控制土体基质吸力为不同值，重金属溶液浓度越高，基质吸力越大。

TDR数据采集系统4主要由多个TDR探头19、TDR数据采集仪20和导线21组成，与TDR探头19连接的导线21穿过有机玻璃腔室1上的预制小孔与TDR数据采集仪20相连接，TDR探头19布置在有机玻璃腔室1内的不同空间位置，可采集土体介电常数K_a、土体电导率EC等数据的时间、空间信息，并一一对应，以此进行长期自动化监测。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种时域反射监测重金属污染场地中渗透吸力的方法，其特征在于，包括：

土体渗透吸力的原位测试试验，通过TDR数据采集系统实时获取土体介电常数与土体电导率，计算土体体积含水率θ、孔隙溶液电导率EC_w、孔隙溶液溶质浓度C、土体渗透吸力π、土体基质吸力

与土体总吸力

具体包括如下步骤：

1a、进行TDR标定试验，包括土体体积含水率-介电常数的标定试验、孔隙溶液溶质浓度-土体电导率的标定试验，获取标定曲线及标定方程；

1b、利用渗析法进行土体基质吸力与土体体积含水率的标定试验，获取土水特征曲线；

1c、通过孔隙溶液溶质浓度计算渗透吸力，进行土体渗透吸力与土体介电常数、土体电导率的标定，将土体基质吸力与土体介电常数进行标定，将土体渗透吸力与土体基质吸力相加计算所得土体总吸力与土体介电常数、土体电导率进行标定，分别获取标定曲线；

1d、布置TDR数据采集系统，实时获取土体介电常数与土体电导率，将其与标定曲线进行对比，或根据标定方程分别计算出土体体积含水率θ、孔隙溶液电导率EC_w、孔隙溶液溶质浓度C、土体渗透吸力π、土体基质吸力

与土体总吸力

重金属污染物运移的模型试验，通过TDR数据采集系统实时获取土体介电常数与土体电导率，计算重金属溶液非饱和或饱和土体体积含水率θ、孔隙溶液电导率EC_w、孔隙溶液溶质浓度C、土体渗透吸力π、土体基质吸力

与土体总吸力

具体包括与1a、1b、1c相同的步骤，以及后续步骤如下：

2d、连接试验仪器并填入待测土体，不使用半透膜，待测土体为未污染土，填入土体干密度应与原状土相近，启动溶液循环系统，使重金属溶液从待测土体的一侧往另一侧渗透，逐渐饱和土体，模拟重金属污染场地溶质横向水平运移情况；

2e、启动TDR数据采集系统，实时获取土体介电常数与土体电导率，将其与标定曲线进行对比或根据标定方程分别计算出土体体积含水率θ、孔隙溶液电导率EC_w、孔隙溶液溶质浓度C、土体渗透吸力π、土体基质吸力

与土体总吸力

重金属污染场地控制吸力的模型试验，通过TDR数据采集系统实时获取土体介电常数与土体电导率，计算出土体体积含水率θ、孔隙溶液电导率EC_w、孔隙溶液溶质浓度C、土体渗透吸力π、土体基质吸力

与土体总吸力

具体包括与1a、1b、1c相同的步骤，以及后续步骤如下：

3d、连接试验仪器并填入待测土体，使用半透膜，待测土体为重金属污染土，填入土体干密度应与原状土相近；

3e、关闭进气阀门、出气阀门，启动溶液循环系统，使重金属溶液与重金属污染土产生水分迁移，直至重金属溶液与重金属污染土之间吸力平衡，以此控制土体基质吸力；或关闭进水阀门、出水阀门，启动总吸力控制系统，使通过饱和盐溶液的气体在有机玻璃腔室中循环流动，以此控制腔室内相对湿度，从而控制土体总吸力；

3f、启动TDR数据采集系统，实时获取土体介电常数与土体电导率，将其与标定曲线进行对比或根据标定方程分别计算出土体体积含水率θ、孔隙溶液电导率EC_w、孔隙溶液溶质浓度C、土体渗透吸力π、土体基质吸力

与土体总吸力

将所测的土体基质吸力与控制的土体基质吸力进行对比验证、或将所测的土体总吸力与控制的土体总吸力进行对比验证。

2.根据权利要求1所述的时域反射监测重金属污染场地中渗透吸力的方法，其特征在于，所述土体体积含水率-介电常数的标定试验包括：将原状土烘干，研磨，过筛；控制体积含水率n％在10～40％范围内等梯度变化，梯度为5％；准备容积V的容器，根据原状土干密度ρ_d、容器容积V、体积含水率n％，计算待填入干土的质量m_s＝ρ_dV、水的体积n％V，土和水总质量ρ_dV+n％V，配土时选取干土的质量M_s>m_s，所取水的体积为n％(M_s/ρ_d)，将每种体积含水率下的水分别与干土均匀混合；土体密封保存24h，使其水分均匀；取适量土体在105℃的电烘箱中干燥24h，测其实际体积含水率θ；将总质量为ρ_dV+n％V的土体填至容器中形成土样，考虑质量损失，保证土样填入容器后干密度与原状土干密度接近，填土时分层压实，确保土质均匀；用TDR数据采集系统测量不同体积含水率下土样的介电常数K_a，相同体积含水率下进行多点测试取平均值；将TDR测试结果K_a与土样实际体积含水率θ进行拟合，获取标定曲线与标定方程。

3.根据权利要求1所述的时域反射监测重金属污染场地中渗透吸力的方法，其特征在于，所述孔隙溶液溶质浓度-土体电导率标定试验中土样制备的具体步骤为：制备CuCl₂在不同浓度c下的溶液；将原状未污染土烘干，研磨，过筛；控制体积含水率n％在10～40％范围内等梯度变化，梯度为5％；准备容积V的容器，根据原状重金属污染土干密度ρ_d、容器容积V、体积含水率n％、溶质的相对分子质量Mr、溶液浓度c，计算待填入干土的质量m_s＝ρ_dV-Mrcn％V、重金属溶液体积n％V、土和溶液总质量ρ_dV+n％V，配土时，所取干土的质量M_s>m_s，所取重金属溶液体积为n％[M_s/(ρ_d-Mrcn％)]，将每种体积含水率下每种浓度的溶液分别与干土均匀混合，以模拟Cu离子污染土；土体密封保存24h，使其水分均匀；取适量土体在105℃的电烘箱中干燥24h，测其实际体积含水率θ；将总质量为ρ_dV+n％V的土体填至容器中形成土样，考虑质量损失，保证土样填入容器后干密度与原状重金属污染土干密度接近，填土时分层压实，确保土质均匀；改变重金属类型，制备其他重金属在不同浓度下的溶液，并以上述方法制备其他土样。

4.根据权利要求3所述的时域反射监测重金属污染场地中渗透吸力的方法，其特征在于，所述孔隙溶液溶质浓度-土体电导率标定试验的具体步骤为：用TDR数据采集系统分别测量同种重金属相同体积含水率不同浓度下土样的电导率，相同浓度下进行多点测试取平均值，获取TDR测试结果；测量孔隙溶液电导率，以10000转/分的速度离心土样45分钟，并用电导率仪测量上清液的电导率；已知孔隙溶液的溶质种类，可根据孔隙溶液电导率计算孔隙溶液溶质浓度C；分别将同种重金属相同体积含水率不同浓度下TDR测试所得土体电导率EC与孔隙溶液溶质浓度C进行拟合，获取标定曲线与标定方程。

5.根据权利要求1所述的时域反射监测重金属污染场地中渗透吸力的方法，其特征在于，所述土体基质吸力与土体体积含水率标定试验的具体步骤为：制备原状污染土土样，利用渗析法控制吸力，逐级增加吸力脱水，然后再逐级减小吸力润湿，当每级吸力平衡后，取出土样，通过称重计算其体积含水率，之后将土样重新进行下一级的吸力平衡，将吸湿过程的测量结果制成

曲线，即土水特征曲线。

6.一种时域反射监测重金属污染场地中渗透吸力的装置，采用如权利要求1-5任意一项所述的时域反射监测重金属污染场地中渗透吸力的方法，其特征在于，包括有机玻璃腔室、总吸力控制系统、溶液循环系统、TDR数据采集系统；所述有机玻璃腔室的两端均设置有透水石，每端的所述透水石内侧设置有一可拆卸的半透膜，所述透水石能透过液体而阻隔土体，所述半透膜能透过水分子而阻隔溶质分子，待测土体填充在所述有机玻璃腔室内；所述总吸力控制系统的输入端和输出端分别连接所述有机玻璃腔室上层的两端，连接处位于所述有机玻璃腔室的未填土区域；所述溶液循环系统的输入端和输出端分别连接所述有机玻璃腔室下层的两端，连接处位于填土区域；所述TDR数据采集系统主要由多个TDR探头、TDR数据采集仪和导线组成，所述TDR探头布置在所述有机玻璃腔室内的不同空间位置。

7.根据权利要求6所述的时域反射监测重金属污染场地中渗透吸力的装置，其特征在于，所述总吸力控制系统主要由饱和盐溶液瓶、过滤瓶、气泵、通气管、进气阀门以及出气阀门组成，其中，盛有饱和盐溶液且密封的所述饱和盐溶液瓶通过所述通气管与所述密封过滤瓶连通，所述过滤瓶通过另一安装有所述进气阀门的通气管与所述有机玻璃腔室连通，所述有机玻璃腔室的另一端通过安装有所述出气阀门以及所述气泵的通气管与所述饱和盐溶液瓶连通形成循环回路；

所述溶液循环系统主要由重金属溶液瓶、计量泵、通液管、进水阀门和出水阀门组成，其中，盛有重金属溶液且密封的所述重金属溶液瓶通过安装有所述计量泵和所述进水阀门的通液管与所述有机玻璃腔室连通，所述有机玻璃腔室的另一端通过安装有所述出水阀门的通液管与所述重金属溶液瓶连通形成循环回路。

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