1 引言

包气带是指位于地表面以下、潜水面以上的地质介质。在包气带中发生的各种物理、化学和生物过程尤为复杂，它既是大气水、植物水、土壤水和地下水相互联系与转化的枢纽， 又是各种化学物质(如在地表施加的农药、化肥， 来自于地表渗滤液和地下水的各种溶质)运移和反应的载体。目前， 包气带物质和能量迁移转化过程日益得到人们的重视，成为农田施肥管理、土壤学、水文学、环境学、生态学等学科的重要研究内容之一。

在包气带水分和溶质的迁移转化过程中，各种来源的污染物，如过度施肥的产物硝态氮、垃圾渗滤液中的有机污染物和各种重金属是土壤污染、地下水污染等问题的主要原因。广泛开展包气带污染物溶质运移实验室土柱模拟试验研究， 能够充分了解污染物在包气带中的迁移速率和浓度的时空分布规律，为深入研究包气带水分溶质运移机理、完善基于多孔介质水和溶质运移的数值模型提供科学基础，对于合理施肥、盐渍化土壤治理、土壤污染控制、地下水污染控制、生态环境恢复和改善等应用有着重要的指导意义。

2 观测系统设计

2.1 目标

包气带中污染物运移由于地下水的耦合作用，是一个非常复杂的动态过程，在实验室土柱模拟研究中，如何把地下水的作用耦合到数值模型中，如何精确测定包气带土壤含水量、基质势等水分参数，以及如何精确测定污染物的浓度梯度等溶质运移参数是研究的难点和重点。

AZ-ES100包气带污染物运移试验模拟研究系统采用某一特定高度的微型土柱，填装原状土样，沿土体剖面埋设高精度土壤水分、土壤水势传感器，数据采集器自动采集数据，从而精确测量土壤水分的变化梯度；在土柱体底部安装有陶土盘，用于渗漏水的取样和土体张力模拟，能够有效控制土柱体底部的水势，并测量排水量。沿土体剖面埋设土壤溶液自动取样器，利用全自动离子分析单元或便携重金属分析单元进行污染物溶质浓度分析。

2.2 样品采集及传感器布设

根据研究需要，采集直径300mm、高度为300mm或600mm或1200mm的原状土，或用进行了预处理的特定类型土壤，装填入模拟土柱。

300mm高的土柱沿土体剖面按3个层次、600mm高的土柱沿土体剖面按4个层次、1200mm高的土柱沿土体剖面按5个层次分别安装土壤水分、土壤水势传感器和土壤溶液取样器。

土壤水分和土壤水势的数据采集时间间隔可通过数采进行统一设置为1、5、10、30s，或1、5、10、30min，或1、2、4、12、24h，也可每个

通道单独设定合适的采集时间间隔。

2.3 观测指标

包气带土壤水参数：土壤水分、土壤水势梯度值。

包气带污染物参数：氨、氯化物、六价铬、氰化物、可溶性铁、亚硝酸盐、硝酸盐、硝酸盐＋亚硝酸盐、联氨、正磷酸盐、挥发酚、硅酸盐、总磷、总氮、硫酸盐等溶质浓度梯度；或Ti， V， Cr， Mn， Fe， Co， Ni， Cu， Zn， W， Hf， Ta， Re， Pb， Bi， Zr， Nb， Mo， Ag， Sn， Sb等重金属元素的浓度梯度。

2.4 观测系统组成

AZ-ES100包气带污染物运移试验模拟研究系统由微型实验室土柱、土壤水分水势测量传感器、土壤溶液取样器、全自动土壤离子分析单元或便携重金属分析单元共同组成。

3 数据处理

包气带中污染物浓度的变化是由于污染物在地下水和土壤水的协同作用下在包气带中经过土壤孔隙运移、土壤颗粒的吸附以及土壤微生物的降解等多种因素共同影响的结果。由于污染物质主要是沿垂向运移，所以其运移模型常按垂向一维问题处理。一般认为水在土层中运移符合推流模式，若仅考虑弥散、吸附、降解作用，则污染物质在土层中垂直向下迁移的基本方程为

式中：

c — 水中污染物浓度值(mg/ L) ;

x — 垂向运移距离(m) ;

D — 弥散系数(m2/ d) ;

v —x 方向渗透速度(m/ d) ;

s — 包气带土壤中污染物吸附浓度(mg/ mg) ;

ρ— 土层干容重(g/ cm3) ;

η— 有效空隙度。

4 参考文献

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[2] 刘期凤，廖家莉，张东，等。包气带土壤对Eu( Ⅲ) 的吸附，核化学与放射化学，2005，27（4）：210-215。

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