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均质与非均质土中水动力弥散规律研究
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王 达,庄鲁文,林凯荣,冯上超
(中山大学土木工程学院,广东 珠海 519082)
当前随着土壤盐渍化和地下水污染问题的逐渐加剧,研究土壤中溶质的运移和分布特征,定量分析均质土及非均质层状土壤中的水盐运移规律,对于掌握和控制污染物的迁移扩散范围,改良盐渍土意义重大[1-3]。与此同时,探究不同因素[4-6]对水动力弥散系数及溶质运移过程的影响,对于准确预报溶质污染物在土壤地下水中的迁移扩散规律具有重要理论与应用价值。其中水动力弥散系数是表征土壤地下水中污染物迁移和分布的重要参数,代表着溶质在多孔介质中弥散作用的强弱[7-10]。
在此背景之下,国内外大量学者相继开展了相关研究。其中通过对比研究均质土与非均质层状土中溶质迁移规律,是当前最常见且有效的方法[11]。已有研究表明,当细土覆盖粗土产生上细下粗型层状结构时,水分在细砂和粗砂界面会被滞留,当湿润锋穿过粗细土界面时会产生指流现象,入渗率趋近于常数[12-13]。而对于上粗下细型层状土,导水率较低的下层细砂土会降低上层砂土水分再分布的速率,从而会提高层状土壤的持水能力[14],所以非均质层状土中的溶质扩散迁移时,由于土壤上下层质地的不同,层状结构对溶质扩散的分散系数以及流速影响很大,不同土层的排序使得溶质在同一情境下产生的穿透曲线区别也很大[15]。此外,同一种溶质在均质土与非均质层状土中的弥散度具有明显差异,并且这种差异与夹层土壤的弥散度密切相关,层状土的水动力弥散系数不是均质土水动力弥散系数的平均值[16]。不同尺度下模拟试验的结果也不尽相同,因为在层状土中进行不同尺度下的溶质迁移扩散试验时,由于土壤介质的非均匀性,溶质迁移扩散时会产生尺度效应[17],但当前对此还尚无确切的定论。因此,为进一步研究均质土与非均质层状土中水动力弥散的规律[18],进行均质土壤和非均质层状土壤中溶质运移的试验与数值研究十分有必要。
1 材料与方法
1.1 试验土样基本物理性质
选取粗细不一的2种标准沙,就均质土与不同构型的层状土溶质运移进行试验研究。其中2种砂土的基本物理特性见表1。
表1 试验土样基本物理性质
在进行溶质迁移试验之前,为进一步验证所选土样的代表性,检测砂土持水与失水性能,经过测量以及经典的VG[19]模型拟合得出2种砂土的毛管压力曲线,见图1。
图1 2种砂土的毛管压力曲线
1.2 试验装置
为对比分析均质土与非均质层状土中的溶质迁移扩散规律,设计了长40 cm和短21 cm、材料完全一致、高度不同的2种玻璃柱进行土柱试验。其中21 cm的柱子由下至上在7、14 cm处分别装有一个探针传感器,主要用于均质土中溶质迁移扩散的试验研究,而40 cm长的柱子由下至上在8、16、24、32 cm处各装有一个探针传感器,主要用于非均质层状土中溶质迁移扩散的试验研究。其中示踪剂为NaCl溶液。试验整体装置见图2。
图2 试验装置示意
1.3 试验方法
试验分成三大组。其中第一、第二大组使用21 cm玻璃柱分别对粗沙和细沙进行不同溶液浓度和不同流速下的溶质迁移扩散试验,用于探讨溶质浓度、流体流速及多孔介质粒径大小等因素对均质土壤中水动力弥散的影响。而第三组为粗沙和细沙混合形成不同层状结构后的试验,使用40 cm长的土柱进行不同尺度的试验。2种砂土按体积1∶1进行混合,混合工况见图3。在同一示踪剂浓度下进行不同流速下的溶质运移试验,用于探讨层状非均匀性对水动力弥散的影响。在试验前使用去离子水对2种砂土分别进行清洗,去除混合杂质的干扰。在试验中由下向上先通入超纯水,待土壤饱和且水流稳定后再通入NaCl溶液,其中溶液通入的开始时间与达西流速均可通过阀门与蠕动泵进行控制。最后通过插入的探针传感器实时读取土柱中溶液的相对浓度。
图3 非均质层状土试验工况
2 传输模型
由于在整个入口横截面上溶质是均匀注入的,并且横向边界上无流动,装置中整体宏观流动和溶质传输仍然可以被认为是一维的,可以使用一维连续尺度模型来模拟溶质穿透曲线,因此本文选取经典的对流扩散方程(ADE方程)[20]来描述非吸附性溶质运移过程,其中对流扩散方程如下:
(1)
式中C——平均溶质浓度;z——纵向迁移距离;t——时间;D——水动力弥散系数;v——平均孔隙水速度。
假设在初始无溶质分布的入口(z=0)处施加一个持续时间较短的溶质脉冲,即提供相应的初始条件、边界条件和相应的数据点时,便可以进行求解。其中使用的边界条件和初始条件如下:
C(z,0)=0,0zl p
(2)
(3)
(4)
式中C(z,t)——溶液浓度;CR——相对浓度;L——土柱的长度。
在水动力弥散系数计算过程中,通过土柱中每个位置所观测到的数据,基于对流扩散方程,使用CXTFIT计算机程序[21-22]
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