应用边界层方法确定溶质迁移参数的实验研究摘要本文以时域反射仪(Time Domain Reflectometry,TDR)作为溶质锋的探测手段，对利用边界层方法确定的参数和利用穿透曲线拟合法确定的参数进行了比较，结果表明边界层方法确定的扩散弥散系数(D)与穿透曲线拟合法确定的扩散弥散系数基本相近。但，因为TDR灵敏度的限制，边界层方法确定的延迟因子(R)大于穿透曲线拟合法确定的延迟因子。应用边界层方法确定的参数，比较了用边界层方法和精确方法预测的浓度剖面图，表明边界层方法在一定时间内可以精确地预测污染物的动态浓度分布。实验结果不仅说明了TDR作为溶质锋探测手段的可行性，同时说明了边界层方法在确定溶质迁移参数方面有一定的可靠性。关键词多孔介质 溶质迁移 边界层理论 溶质锋(1)cr(x,t)=vd(t)c0/vd(t)+3D(1-x/d(t)3(2)d2(t)=4vt/Rd(t)+12Dt/R(2)1/t=R/12Dd2(t)/t2-v/3Dd(t)/t(3)土样高度/cms/(g/cm3)v/(g/cm3)Vp/(cm/h)探测点个数水头/cm黄绵土464沙壤土686娄 土484供试土样分别为榆林沙壤土耕层、安塞黄绵土耕层及杨凌娄土耕层，过2mm筛，实验所用的有机玻璃管高为100cm，管内径为14cm.玻璃管壁上每隔10cm钻内径为2cm的小孔，以便插TDR(时域反射仪)探头，共有6个。TDR为波兰EASY TEST公司生产的FOM/mts型，能够同时测定土壤中的水分、盐度和土壤温度。探头选择10cm长的双针式探头。控制一定的容重，采用分层填装法填装土柱，采用马氏瓶控制水头。根据边界层方法，实验在稳态饱和条件下进行。由于边界层方法是在均质稳态不考虑源汇项的条件下建立的，所以本实验中选择化学性质不活泼的Cl-为迁移离子。微机自动控制TDR，连续测定探测点电解质的浓度变化。下端用100ml的容量瓶接取出流液，获得该土柱Cl-的穿透曲线。AgNO3滴定法测定出流液中Cl-含量。穿透曲线方法求D、R参数 穿透曲线形状不仅可以反映溶质迁移的机理和溶质与土壤之间的作用，而且可以把穿透曲线的数据借助CXTFIT程序用最小二乘法进行拟合，得到溶质迁移的两个重要参数扩散弥散系数D和延迟因子R.因为Cl-的化学性质不活泼且带负电荷，故选用CXTFIT程序中的第二个数学模型即线形平衡吸附模型进行拟合。其控制方程为图3 边界层数据拟合曲线(4)沙壤土黄绵土娄土参数BTCBLTMBTCBLTMBTCBLTMDRy=(5)r2=y=(6)r2=y=(7)r2=cr(x,t)=vd(t)c0/vd(t)+3D(1-x/d(t)3(8)cr(x,t)/c0=1/2erfcRx-vt/2(DRt)+(v2t/DR)1/2exp-(Rx-vt)2/4DRt-f(x,t)(9)f(x,t)=1/2(1+vx/D+v2t/DR)exp(vx/D)erfcRx+vt/2(DRt)(10)图4 沙壤土浓度剖面图5 沙壤土浓度剖面图6 黄绵土浓度剖面图7 黄绵土浓度剖面图8 娄土浓度剖面图9 娄土浓度剖面由图4图9可以看出，在一定时间内，边界层计算的结果同精确方法计算的结果基本一致。但随时间的增加，边界层方法计算的结果与精确方法计算的结果之间的误差会逐渐增大，说明用边界层方法在给定迁移参数情况下预测迁移物质浓度分布时，给定的时间不能过长，即不能预测日期太久后的浓度分布。4 结 论研究结果表明，TDR可以用来监测溶质锋的迁移，与拟合穿透曲线法相比，边界层方法确定的参数具有一定可靠性。TDR因受其灵敏度的制约，所判断的溶质锋比实际的位置靠后，导致边界层方法确定的延迟因子R大于拟合穿透曲线方法得到的R，但两种方法得到的D值相差不大。从两种方法预测的在不同时段内的迁移物质动态分布来看，在一定的时间内，用边界层方法预测迁移物质的浓度分布剖面具有较高的精度。参 考 文 献：1 Rifai M N E,Kaufman W J,Todd Dphenomena in laminar flow through porous mediaJ。 ,93(2).SanitaryCalif.,Berkeley. Elprince A M,Day Psolute breakthrough equations to data using two adjustable parametersJ。Soil ,1977,41:3941. Kool J B,Park J C,Van Genuchten M Testimation for unsaturated flow and transport model-a reviewJ。,91:255293. Buthter B,Hiniz C,Flury M,FluhlerFlow and solute transport in an unsaturated stony soil monolithJ。Soil ,1995,59:1421. Shao Mingan etapproximate solution to the convection-dispersion equation of solute transport in soilJ。Soil Science,1998,163:339345. Bearexperiments in DispersionJ。Geophys ,66:24552467. Mallants D,M Vanclooster, N Toride,J Vanderborght,Jof three methods to calibrate TDR for monitoring solute movement in undisturbed soilJ。Soil ,60:747754. Ridiclife D E,S M Gupte,J E Boxat the pedon and polypedon scaleJ。,1998,50:7784. Van Genuchten M T H,Park Jconditions for displacement experiment through short laboratory soil columnsJ。Soil ,1984,48:703708.