CN115541846A - 非饱和土壤中污染物原位在线测量装置以及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了非饱和土壤中污染物原位在线测量装置以及测量方法。本技术方案中，将包括渗透膜、套管气室和导管等的测量装置与非饱和土壤基质相接触，在渗透膜内维持负压高于土壤基质势，形成从土壤到膜内的非饱和渗流条件，测量在所形成的渗流条件下土壤溶液中的污染物进入膜体后的浓度，基于解析方法对测量条件下的溶质迁移方程进行求解，确定土壤溶液浓度与膜体内浓度的函数关系，基于模拟实验率定渗透膜体参数，通过对膜体内污染物浓度的连续测定实现对土壤溶液中污染物浓度的连续测定。本申请测测试方法为非饱和土壤条件下污染物原位在线、连续过程监测提供了基础性支撑。
Description
技术领域
本申请涉及土壤水环境和农业面源污染的技术领域，尤其涉及非饱和土壤中污染物原位在线测量装置以及测量方法。
背景技术
目前，非饱和土壤溶液中污染物的监测需要采集土壤样品，通过浸提的方法提取土壤溶液后，对污染物浓度进行测定。这种方法已经严重的制约了非饱和土壤中对污染物迁移，转化机制的了解，以及对污染物实时动态的掌控。
现有的土壤溶液污染物测量方法同一个位置不可能连续地对污染物进行取样，而土壤本身具有高度的变异性，并且，水流运动及其驱动下的污染物迁移转化过程具有高度的非线性。因而在不同的时刻、不同位置取样所测定的污染物浓度在多大程度上能够反映污染物的实际行为是不清楚的。更为重要的，非饱和条件下，由于土壤水和土壤之间的作用力，通常很难直接提取土壤溶液以进行土壤溶液的测定，并且原位连续测定的基本要求还在于不能破坏土壤条件，或者扰动原位的条件，由于这些条件的限制，目前仍然缺少非饱和土壤条件下污染物浓度的原位、在线直接测定方法。
发明内容
有鉴于此，本申请提供非饱和土壤中污染物原位在线测量装置以及测量方法，能够准确地对非饱和土壤条件下对污染物浓度的原位、在线直接测定。
第一方面，本申请提供一种非饱和土壤中污染物原位在线测量装置，包括：
一套管气室，具有密闭的气室；
一渗透膜，构成所述套管的至少部分外壁，用以与待测土壤相接触；
一导管，伸入所述气室内，用以抽取所述气室内的空气，以及向气室内注入或抽取液体；
一水体容积测定件，用以测量所述气室内水污染液的体积。
可选地，还包括用以密闭所述气室的封口件。
可选地，当污染物为氨氮NH4 +-N或可溶性磷SP时，渗透膜的材质为纤维素。
可选地，当污染物为非吸附性阴离子时，渗透膜的材质为碳酸酯。
第二方面，本申请提供一种采用上述非饱和土壤中污染物原位在线测量装置实施的测量方法，包括：
当渗透膜与土壤接触时间满足预设条件时，测定所述气室内水污染液的污染物浓度sc；
根据所述污染物浓度sc和标准土壤样品的已知污染物浓度s0，得到标定参数，所述标定参数包括渗透膜等效长度L和渗透膜的等效扩散率a的组合参数a/L2、气室内污染物浓度变化对土壤-气室水体浓度差影响的修正系数R；
根据所述标定参数，并结合以下公式，得到待测土壤溶液中的污染物浓度，
其中W为套管气室内测量开始时的水量，W0为土壤溶液沿土壤-渗透膜-套管气室进入套管气室的水量。
可选地，所述渗透膜与土壤接触时间所满足的预设条件为，该接触时间t符合大小关系，
可选地，标准土壤样品的制作过程是，获取待测土壤的含水率，用水浸提土壤溶液中的污染物后进行浓度测定，土壤溶液污染物浓度s0为污染物质量/土壤含水量。
以上提供的非饱和土壤中污染物原位在线测量装置以及测量方法，将包括渗透膜、套管和导管气室等的测量装置与非饱和土壤相接触，在渗透膜内维持负压高于土壤基质势，形成从土壤到膜内的非饱和渗流条件，测量在所形成的流动条件下土壤溶液中的污染物进入膜体后的浓度，基于解析方法对测量条件下的溶质迁移方程进行求解，确定土壤溶液浓度与膜体内浓度的函数关系，基于模拟实验率定渗透膜体参数，通过对膜体内污染物浓度的连续测定实现对土壤溶液中污染物浓度的测定。本申请测试方法为非饱和土壤条件下污染物原位在线、连续过程监测提供了基础性的支撑。
附图说明
下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为本申请实施例提供的测量装置的结构示意图。
其中，图中元件标识如下：
1-土壤；2-套管气室；3-导管；4-渗透膜；5-封口件；6-水体容积测定件；7-椎体。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
关于本申请第一方面的目的，本申请提供一种非饱和土壤中污染物原位在线测量装置，包括：
一套管，具有密闭的套管气室2；
一渗透膜4，构成所述套管气室2的至少部分外壁，用以与待测土壤1相接触；
一导管3，伸入所述气室2内，用以抽取所述气室2内的空气，以及向气室2内注入或抽取液体；
一水体容积测定件6，用以测量所述气室2内水污染液的体积。
作为水体容积测定件6的一种可示范地实现方式，可以为电子水尺。
作为一种可示范地实现方式，上述测量装置测量装置还包括用以密闭所述气室的封口件5。
至于密口件5的实现方式，可以是任意能够想到的形式，较好地选用隔绝水或者隔气的材质。
为了便于套管能更好地装入待测试的土壤中，套管的端部可设有便于插入土壤的椎体7，以通过椎体的“尖刺”功能，达到快速插入待测试的土壤内，尤其是在待测试的土壤的土质较硬的情形下。
关于本申请第二方面的目的，本申请实施例提出了一种非饱和土壤中污染物原位在线测量的方法，包括以下步骤：
S1：在膜体与土壤接触时间满足预设条件，即
(其中L为接触膜体的渗透长度，a为膜体的等效扩散系数)的情况下，测定导管内水体体积变化，并进而通过导管抽取套管形成的气室中的溶液，最终测定出进入套管污染物在去离子水中形成的污染物浓度sc。
S2：标定参数。首先，将与上述测量装置接触的待测量的土壤取样，即测定土壤含水率后，用诸如1:5的去离子水浸提土壤溶液中的污染物后进行浓度测定，土壤溶液污染物浓度s0为污染物质量/土壤含水量，由此制得标准土壤试样并获得了标准土壤试样的土壤溶液的污染物浓度s0。再通过该标准土壤试样的已知污染物浓度s0可求得相关标定参数，即上述L和a的组合参数a/L2，以及气室内污染物浓度变化对土壤-气室水体浓度差影响的修正系数R。
土壤溶液中的浓度s0和以对流和水动力弥散方式进入到套管后的浓度sc函数关系为：
其中，W和W0分别为套管气室内测试前的水量和土壤溶液沿土壤-渗透膜-套管气室进入套管气室的水量。
利用S2中的获知的多个s0具体值和S1获知sc的多个具体值，并结合式(1)即可求得标定参数L和a的组合参数a/L2、R。
关于式(1)的推导过程如下：
土壤中溶质与膜接触条件下，基本方程以及定解条件为：
定解条件为：s(x,t)＝s0(3)
令s＇＝s－s0
其中，q为土壤-渗透膜-气室流动通量，则(3)式为：
边界条件为：s'(x,0)＝0
式(4)经拉普拉斯变换后得：
式中
式(5)的通解为：
定解条件(3)式经拉普拉斯变换后，得：
将定解条件带入，得：
由于
故式(9)为
将式(9)写成双曲函数的形式得：
根据拉氏变换的分解定理
F1(P)、F2(P)为包含P的多项式的函数，且F2(P)不包含常数项，Pn为F2之根。
取
求F2(P)的根
p→0，
p→pn，
sh(Z)＝-isiniz,chZ＝cosiz
由于土壤-渗透膜-气室连续流动条件下，污染物在渗透膜中的运动是整个流动过程中污染物进入气室的决定性环节，因此：
在
时，无穷级数只需取第一项即可
因此，
时刻，气室内水体浓度为
考虑到
的条件下，土壤中累积进入气室水量对浓度的影响，因此，土壤溶液浓度为
其中W和W0分别室内测试前的水量和土壤溶液沿土壤-渗透膜-套管气室进入套管气室的水量，
L为渗透膜等效长度，a为渗透膜的等效扩散率，L2/a是污染物穿透渗透膜的相对时间因子。R为气室内污染物浓度变化对土壤-气室水体浓度差影响的修正系数。利用监测数据对参数(包括渗透膜等效长度L和渗透膜等效扩散率a共同组成的参数L2/a)和R进行率定。
为了更清楚地呈现上述标定参数的过程，下面通过一个具体的实例予以呈现。
测试的土壤物理和水动力参数如表1所示，初始土壤含水率为0.254，通过配置浓度为0.01，0.02，0.05，0.1，0.2，0.5，1.0，2.0，5.0mg/L的硝态氮溶液(使用硝酸钾)，将土壤充分浸润后，所确定套管气室内的浓度，依据试结果所示，以及(1)式的线性化形式
对L2/a以及R两个参数进行拟合，分别为0.04287和1.0548。
表1测定土壤的物理性质参数
S3，利用S2随标定参数以及式(1)，对土壤溶液中污染物浓度进行原位连续测定。
开始测定时：注入去离子水，封闭套管后采用外接真空泵抽取气室内的空气，形成土壤溶液-渗透膜-气室的流动条件，在
的情况下，采用导管抽取气室内的全部溶液后，测定污染物浓度。基于
关系，确定土壤溶液中污染物浓度。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种非饱和土壤中污染物原位在线测量装置，其特征在于，包括：
一套管气室，具有密闭的气室；
一渗透膜，构成所述套管的至少部分外壁，用以与待测土壤相接触；
一导管，伸入所述气室内，用以抽取所述气室内的空气，以及向气室内注入或抽取液体；
一水体容积测定件，用以测量所述气室内水污染液的体积。
2.根据权利要求1所述非饱和土壤中污染物原位在线测量装置，其特征在于，还包括用以密闭所述气室的封口件。
3.根据权利要求1所述非饱和土壤中污染物原位在线测量装置，其特征在于，当污染物为氨氮NH4 +-N或可溶性磷SP时，渗透膜的材质为纤维素。
4.根据权利要求1所述非饱和土壤中污染物原位在线测量装置，其特征在于，当污染物为非吸附性阴离子时，渗透膜的材质为碳酸酯。
5.一种采用权利要求1所述非饱和土壤中污染物原位在线测量装置实施的测量方法，其特征在于，包括：
当渗透膜与土壤接触时间满足预设条件时，测定所述气室内水污染液的污染物浓度sc；
根据所述污染物浓度sc和标准土壤样品的已知污染物浓度s0，得到标定参数，所述标定参数包括渗透膜等效长度L和渗透膜的等效扩散率a的组合参数a/L2、气室内污染物浓度变化对土壤-气室水体浓度差影响的修正系数R；
根据所述标定参数，并结合以下公式，得到待测土壤溶液中的污染物浓度，
其中W为套管气室内测量开始时的水量，W0为土壤溶液沿土壤-渗透膜-套管气室进入套管气室的水量。
6.根据权利要求5所述测量方法，其特征在于，所述渗透膜与土壤接触时间所满足的预设条件为，该接触时间t符合大小关系，
7.根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，标准土壤样品的制作过程是：获取待测土壤的含水率，用水浸提土壤溶液中的污染物后进行浓度测定，土壤溶液污染物浓度s0为污染物质量/土壤含水量。
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| GR01 | Patent grant | ||
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