一维溶质运移中纵向弥散系数室内测定系统及方法与流程

本发明涉及一种试验系统及试验方法，具体涉及一种一维溶质运移中纵向弥散系数室内测定系统及方法，属于农业检测测试技术领域。

背景技术：

农田水利工程中的盐碱地改良，咸水改造与利用，地下水开发过程中咸水含水层的越流，滨海地区开采地下水造成的海水入侵，工业中污水、废水的排放以及核废料处理中造成的环境污染等等问题，都牵涉到饱和及非饱和土壤水中的溶质运移。

在研究地下水溶质运移问题中，水动力弥散系数是一个很重要的参数。水动力弥散又由分子扩散与机械弥散两部分组成。分子扩散是一种物理化学现象，是由于溶质浓度的不同而产生的由浓度高向浓度低的地方运动。在静止的水中，只要存在浓度差，这种过程就存在。机械弥散是由溶质在土壤中的对流传输而产生的，主要是由于流速的局部变化(如孔隙的不均匀性，孔隙曲折性等引起)而产生的溶质弥散。

这方面的理论研究工作在我国已开展了相当长的时间，但有关溶质运移的室内、外试验则开展较晚。目前尚没有更多的相关报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种一维溶质运移中纵向弥散系数室内测定系统及方法，具有操作简便、测定周期短、便于进行单因子影响实验的特点，并可以为盐碱土改良时提供冲洗定额等基本参数。

本发明是这样实现的：

一种一维溶质运移中纵向弥散系数室内测定系统，包括一个土柱，土柱顶部连接有进水口，土柱底部连接有排水口，进水口通过管道与进水漏斗相连，排水口通过管道与排水漏斗相连，进水漏斗与进水装置相连，排水漏斗与排水装置相连，在土柱的柱壁上每隔一定距离安装有一支电导电极，电导电极与电导仪相连。

更进一步的方案是：

所述土柱为有机玻璃加工而成。

更进一步的方案是：

所述土柱柱高100cm，内径12cm，土柱的柱壁上每隔10cm安装有一支电导电极。

更进一步的方案是：

所述电导电极为铂金电极，铂金电极由两个铂金片组成，两个铂金片与水流流动方向平行。

更进一步的方案是：

所述电导仪联接到自动平衡记录仪上自动连续记录。

本发明的另一个目的在于提供一种一维溶质运移中纵向弥散系数室内测定方法，所述一维溶质运移中纵向弥散系数室内测定方法采用了本发明提供的一维溶质运移中纵向弥散系数室内测定系统，具体包括如下步骤：

步骤1，将一维溶质运移中纵向弥散系数室内测定系统安装并装填好，将土柱用淡水饱和，并冲洗土柱内土样中的盐分，使整个土柱盐分浓度均匀，在此过程中排除封闭在土样中的气泡；

步骤2，调整进水漏斗与排水漏斗间的水头差，得到所需要的稳定渗透速度；

步骤3，试验开始时，进水装置的淡水突然换为配制好的nacl溶液，同时按一定时间间隔在电导仪上读出各测点的电导率值；

步骤4，在一定含盐量范围内，溶液电导率与溶液浓度呈直线关系，直接利用电导率曲线求解溶液浓度参数；

步骤5，将各测点的含盐量除以入渗溶液浓度并点绘变化过程线，确定距离边界为x位置的c/c0～t关系曲线。

在实际工作过程中，可以利用c/c0～t曲线，画出距边界为x的某一测点的浓度变化过程线，求得x处不同时间的浓度值，并与实测结果进行比较。

更进一步的方案是：

步骤3中，当浓度锋面接近某一电导电极时，加密该电极的观测次数。

更进一步的方案是：

一维溶质运移中纵向弥散系数室内测定方法，具体数据解析方法如下：

根据费克定律和质量守恒原理，可以导出均质、各向同性含水层中溶质运移方程为：

其中：c—地下水浓度(ml^-3)；u—地下水平均孔隙流速(lt^-4)；d′—机械弥散系数((l²t^-4)，d′＝d+dd。dd为介质中的分子扩散系数，当地下水流速较大时，扩散作用可以忽略不计，则有d′≈d。

弥散系数d与平均孔隙流速有下列关系：

d＝al|u|^a

其中al为纵向弥散度，a为反映土壤介质变异程度的参数(当土壤为均匀介质条件下，a＝1)，a＝1条件下，al具有长度量纲。al与介质不均匀程度、颗粒粒径大小及颗粒磨圆程度有关，表征了多孔介质对于其中运动溶质的分散能力。

研究多孔介质中的溶质运动时，首先需要确定弥散系数及其与其余介质参数和流动参数间的关系。确定弥散系数的方法有野外实验方法和室内实验方法。下面结合本发明的目的，介绍一种比较简单的实验室确定纵向弥散系数的方法。

由式(1)可写出一维溶质运移方程

对于以冲洗的方法进行盐碱地改良来说，式(2)的定解条件是：

c(x,0)＝c1,t＝0(3)

c(0,t)＝c0,x＝0(4)

c(∞,0)＝c2,x＝∞(5)

由式(2)～(5)组成的定解问题的解析解为：

其中：x——测点到进水端的距离；c——x点的浓度；t——观测时间；d——弥散系数；u——水流孔隙流速；c0——入渗溶液浓度；——余误差函数。

当d/ux小于0.075时(满足盐碱地冲洗条件要求)，方程式(6)中略去右端第二项其误差不大于5％。本实验中d/ux均能满足上述要求，因而将第二项略去。这时式(6)简化为：

n(z)为正态分布函数。这就是说，当d/ux＜0.075，亦即x较大时(当d及u为定值时)，某一点x处浓度随时间的变化是按正态分布的。

由正态分布函数的性质可知：

z＝1时，n(z)＝0.84

z＝-1时，n(z)＝0.16

z＝0时，n(z)＝0.5

据此，我们可以得到：

t0.16、t0.84分别表示在点x处c/c0～t曲线上c/c0值为0.84和0.16时的t值。

由式(8)、(9)得：

根据z＝0时的t值，求得平均孔隙流速：

u＝x/t0(11)

对各测点分别用式(10)计算d，并取平均值，得试样在相应平均孔隙流速下的弥散系数。

本项发明的有益效果主要表现在以下3个方面：

(1)现有的通过解析解反求弥散系数的一个关键问题在于，只有在边界条件为无穷远的情况下才能够获得解析解进而确定参数，为了避免这一问题，现有的方法通常所采用水流运动锋面未推进到边界情况下的测试结果进行参数推求，而对于盐碱地改良来说，这一方法显然不适用，存在明显的缺陷，因此，本项发明结合冲洗改良盐碱地的条件，在误差控制范围内实现方程的解析求解(见式6)和参数测定。在方法上具有明显的针对性和创新性。

(2)现有的类似的方法中7式中的n为常数(用割线的方法代替盐分浓度梯度)，本项发明中充分考虑到盐碱地冲洗过程中的土壤水流运动非稳定态这一重要特征，基于正态分布确定了参数，更加符合实际条件。

(3)所提出的测定方法中的(1)～(9)式完全针对通过冲洗方法进行盐碱地改良的条件下的参数测定，在方法上保障了参数精度的要求，由于我国盐碱地分布地区普遍缺乏水资源，本项发明对于提高水土资源利用效率具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明一维溶质运移中纵向弥散系数室内测定系统结构示意图；

图2为各测点的溶液浓度除以入渗溶液浓度的点绘变化过程线示意图及将所求得的弥散系数d值及有关参数代入式(6)后的试验浓度过程线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一

如附图1所示，一种一维溶质运移中纵向弥散系数室内测定系统，包括一个土柱4，土柱顶部连接有进水口3，土柱底部连接有排水口7，进水口通过管道与进水漏斗相连，排水口通过管道与排水漏斗8相连，进水漏斗与进水装置1相连，排水漏斗与排水装置9相连，在土柱的柱壁上每隔一定距离安装有一支电导电极5，电导电极5与电导仪6相连，可直接读出溶液的电导。本实施例中，进水装置通过溶质注入的方法能够形成瞬间的浓度变化。

所述土柱4为有机玻璃加工而成。

所述土柱4柱高100cm，内径12cm，土柱的柱壁上每隔10cm安装有一支电导电极5，用于测量渗透溶液中浓度的变化。

所述电导电极5为铂金电极，铂金电极由两个铂金片组成，两个铂金片与水流流动方向平行，以确保溶液在两极板间顺利通过。

所述电导仪6联接到自动平衡记录仪上自动连续记录。

本实施例中，平均孔隙流速由进水漏斗和排水漏斗间的水头差2控制。试样采用扰动土，装填时控制与盐碱地改良地区土壤容重一致，土样装填的均匀程度直接影响观测结果，因此务必保证土样装填均匀。入侵溶液采用nacl溶液，其浓度范围取1～10g/l，在此浓度范围内，仪器可以测得电导的变化，又不致于因浓度过大而出现重力等其它作用对溶液浓度分布的影响。

实施例二

一维溶质运移中纵向弥散系数室内测定方法，具体包括以下步骤：

步骤1，将一维溶质运移中纵向弥散系数室内测定系统安装并装填好，其中：试验土样为细沙，d20＝0.22mm，不均匀系数d20/d10＝1.516，将土柱用淡水，例如自来水饱和，并冲洗砂样中的盐分，达到整个土柱浓度均匀分布，在此过程中排除封闭在土样中的气泡；

步骤2，调整进水漏斗与排水漏斗间的水头差2，得到所需要的稳定渗透速度，即由流出液测得渗透速度为0.3761cm/min；

步骤3，试验开始时，进水装置的淡水突然换为所配制的nacl溶液，同时按一定时间间隔在电导仪上读出各测点的电导率值。浓度锋面接近某一电导极时，需加密该电极的观测次数。

其中，电导仪的使用操作方法如下：①接通电源；②把电极插头插入电导仪上的电极插口中；③把k3、k2开关分别打向高周和校正方向；④把量程选择开关打到最大值；⑤打开电源开关；⑥把电极常数调节器旋到该电极的电极常数位置；⑦用校正调节器把指针调到最大值；⑧把k2扳向测量位置即可读数。读数时，如果量程选择开关在红点位置时，应读数字盘上的红字刻度，在黑点位置时，读黑字刻度。指针指示数乘以量程开关的倍率即为被测溶液的电导率。

步骤4，在1～10g/l含盐量范围内，溶液电导率与溶液浓度呈线性关系，直接利用电导率曲线求解参数；

步骤5，将各测点的溶液浓度除以入渗溶液浓度并点绘变化过程线(即c/c0～t曲线)。图2为x＝60cm测点的浓度过程线，由图2可得到t0.84＝65min，t0.16＝69.5min，t0＝67.5min，将其代入式(11)得到平均孔隙流速：

将以上数据代入式(10)，得：

将所求得的弥散系数d值及有关参数代入式(6)，在x＝60cm处计算与试验浓度过程线由图2给出，由图2可见所求参数都是基本正确的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。同时，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。