本发明属于离子型稀土原地浸矿技术领域，尤其涉及一种离子型稀土一维垂直入渗规律的测定方法。
背景技术：
目前，业内常用的现有技术是这样的：我国南方特有的离子型稀土矿以吸附在黏土上的离子态赋存，目前多采用原地浸开采工艺。原地浸不需要剥离表土和开挖矿体，直接在山体表面布置注液井网，注入硫酸铵浸取剂，通过铵根离子与稀土离子发生交换反应浸出。高效开采需满足两个条件：一是浸矿液应能浸泡到所有拟开采区域的稀土层，简称“浸得到”，二是母液应能全部流出山体汇集到母液池，简称“流得出”。浸矿液在稀土中入渗情况直接影响稀土资源的利用率与回收率。降雨入渗、边坡稳定、农田灌溉、污染物在土体中的迁移等工程问题均与入渗有关。经典入渗模型主要有green-ampt模型、horton模型和philip模型等，为了适用不同的工况，许多学者对于不同积水条件、不同土质土层条件和不同地形条件入渗进行了试验研究与模型研究，但对于离子型稀土原地浸入渗规律及模型研究较少，主要是因为离子型稀土原地浸矿技术是一门工艺走在理论前面的技术。从而导致在实际开采过程中，多凭经验确定注液井网参数和注液强度，造成资源浸取回收率不确定性非常大，有的可达80％，有的甚至不足10％，山体滑坡严重。如果能建立适用性较高的入渗模型，可以通过计算回答“稀土去哪儿了”，“浸矿液流到哪儿了”的问题，提高稀土资源回收率。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)如何确定注液井网的间距以及分布，分布过疏则会形成大量的浸矿盲区，分布过密则会形成大量浸矿液污染和山体滑坡等地质灾害。
(2)大部分土壤有其适用的入渗模型，不同的入渗模型计算出来的渗流参数相差较大，如何利用入渗规律及入渗模型预测和适时调控原地浸矿中浸矿液的流动过程，是精准化开采稀土资源的重要前提。
(3)原地浸的注液井有一定的注水高度，即存在一定的水头压力，有别于农业灌溉时的点源入渗，更有别于大气降雨入渗，考虑水头的入渗模型是提高离子型稀土入渗模型适用性的重要因素。
解决上述技术问题的难度和意义：原地浸矿工艺对于离子型稀土开采具有很好的适用性，可以较好解决稀土资源开采过程中环境污染严重的问题，但是目前该工艺的资源浸取率不确定大，渗流过程中的溶液流向不清晰。开展离子型稀土一维垂直入渗规律的测定方法的研究，将有利于预测和适时调控原地浸矿中浸矿液的流动过程，进一步促进原地浸矿工艺的科学化。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种离子型稀土一维垂直入渗规律的测定方法。
本发明是这样实现的，一种改进的green-ampt模型，所述改进的green-ampt模型的湿润锋前瞬时运移速度和随湿润锋深度的关系：
其中：
其中：i为入渗率；ks为土壤饱和导水率；z为湿润锋深度；sf为湿润锋平均基质吸力；干土层的含水率为初始含水率θi；饱和层的含水率为饱和含水率θs；zw为过渡层厚度。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述改进的green-ampt模型的离子型稀土一维垂直入渗规律的测定方法，所述离子型稀土一维垂直入渗规律的测定方法包括：
步骤一，入渗试验装置由土柱、测压管、马氏瓶供水器和称量设备等组成，主管为外径50mm、长度2000mm的有机玻璃管，竖向测压管外径20mm，且贴有刻度尺，精度为1mm；测压管和主管连接部分用纱布堵住；试验土柱的直径为40mm，高1890mm，恒定水头高为60mm；装填土柱时，埋入tdr探头监测含水率变化；主管上方设有溢水管，末端设有渗水管和量筒，测出累积析出量；
步骤二，稀土试样取自赣南寻乌县某稀土矿山，在室内放置若干天，风化完成；试验前，将块度较大矿土进行简单地碾压，然后进行筛分试验测定稀土试样的颗粒级配。
进一步，所述离子型稀土一维垂直入渗规律的测定方法随着入渗时间增加，湿润锋累计入渗深度随之增长，不同粒径级配的稀土湿润锋运移规律基本相同，先快速增长，后趋于稳定。
湿润锋运移速率变化规律，3％硫酸铵溶液入渗到不同粒径稀土中的湿润锋运移速率随时间的变化趋势相同，首先快速减小，然后缓慢发展，最后趋于一个稳定值；
入渗率变化规律，在入渗初期有很高的入渗率，随着时间的推移，稀土的入渗性能迅速下降，最后趋于稳定；
饱和渗透系数，测压管中水头的上升规律大致相同，初期快速上升，随着入渗时间的增长，上升的速率逐渐减小，直到测压管水头高度接近某固定值，趋于稳定。
本发明的另一目的在于提供一种所述改进的green-ampt模型在离子型稀土原地浸矿中的应用。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：通过离子型稀土一维入渗试验，研究清水和浸矿液在离子型稀土中入渗规律，推求基质吸力、饱和导水率等水动力参数，用修正的green-ampt模型揭示稀土入渗机理。有利于探索离子型稀土矿山原地浸开采时浸矿液的入渗动力及其浸润时空规律等，也有利于完善离子型稀土原地浸开采工艺的理论体系，为工程实际布置注液井网以及确定注液速度提供理论依据。
本发明离子型稀土中清水和3％硫酸铵溶液入渗的湿润锋入渗深度随时间的变化趋势基本相同。随着入渗时间的增加，湿润锋累积入渗深度呈现先快速增加，后缓慢发展的趋势。湿润锋运移速率值呈先快速减小，后缓慢发展的趋势。在入渗初期有很高的入渗率，随着时间的推移，入渗性能迅速下降，最后趋于稳定。根据实际情况，将入渗稀土层分为饱和层、过渡层和干土层，基于分层假设基础上对green-ampt模型进行了改进，结合室内试验结果对改进后的green-ampt模型进行了验证，结果表明，离子型稀土浸矿液一维垂直入渗的湿润锋速率green-ampt改进模型计算值和试验实测值吻合较好，计算精度显著提高，改进模型可以有效地验证离子型稀土一维垂直入渗速率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的离子型稀土一维垂直入渗规律的测定方法流程图。
图2是本发明实施例提供的入渗试验装置示意图。
图3是本发明实施例提供的累计入渗深度与时间的关系示意图；
图中：(a)粒径0.3mm；(b)粒径0.6mm；(c)粒径1.18mm；(d)粒径2.36mm。
图4是本发明实施例提供的湿润锋运移速率与时间的关系示意图。
图5是本发明实施例提供的入渗率与时间的关系示意图。
图6是本发明实施例提供的测压管上升高度与时间关系示意图。
图7是本发明实施例提供的析出水量与时间关系示意图。
图8是本发明实施例提供的改进模型示意图。
图9是本发明实施例提供的湿润锋速率比较示意图；
图中：a)试样1；(b)试样2。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
离子型稀土原地浸矿工艺中浸矿液入渗直接影响稀土资源的高效开采与利用。基于自制试验装置进行离子型稀土一维垂直入渗试验，溶浸液分别选取清水以及3％硫酸铵溶液，研究了4种不同粒径稀土的累积入渗深度、湿润锋运移速率、入渗率等随时间变化规律。结合工程实际，针对传统green-ampt模型假设过于简化而影响计算精度的问题，将入渗稀土层分为饱和层、过渡层和干土层，在分层假设基础上对green-ampt模型进行了改进，并结合室内试验结果对改进后的模型进行了验证。结果表明，湿润锋运移速率green-ampt改进模型计算值和试验实测值吻合较好，计算精度显著提高，可以有效地模拟离子型稀土浸矿液一维垂直入渗过程。
如图1所示，本发明实施例提供的离子型稀土一维垂直入渗规律的测定方法包括以下步骤：
s101：入渗试验装置由土柱、测压管、马氏瓶供水器和称量设备等组成，主管为外径50mm、长度2000mm的有机玻璃管，竖向测压管外径20mm，且贴有刻度尺，精度为1mm；测压管和主管连接部分用纱布堵住，防止土样进入；试验土柱的直径为40mm，高1890mm，恒定水头高为60mm；装填土柱时，埋入tdr探头监测含水率变化；主管上方设有溢水管，末端设有渗水管和量筒，可测出累积析出量；
s102：稀土试样取自赣南寻乌县某稀土矿山，在室内放置若干天，风化完成。试验前，将块度较大矿土进行简单地碾压，然后进行筛分试验测定稀土试样的颗粒级配。
下面结合试验对本发明的应用原理作进一步的描述。
1入渗试验及分析
1.1试验装置
入渗试验装置由土柱、测压管、马氏瓶供水器和称量设备等组成，如图2所示。主管为外径50mm、长度2000mm的有机玻璃管，竖向测压管外径20mm，且贴有刻度尺，精度为1mm；测压管和主管连接部分用纱布堵住，防止土样进入；试验土柱的直径为40mm，高1890mm，恒定水头高为60mm；装填土柱时，埋入tdr探头监测含水率变化；主管上方设有溢水管，末端设有渗水管和量筒，可测出累积析出量。
1.2试样
稀土试样取自赣南寻乌县某稀土矿山，在室内放置若干天，风化完成。试验前，将块度较大矿土进行简单地碾压，然后进行筛分试验测定稀土试样的颗粒级配。土样基本物理特性见表1。
表1土样基本物理参数
1.3累积入渗深度变化规律
图3为入渗液为清水和3％硫酸铵溶液的湿润锋累计入渗深度与时间的关系。随着入渗时间增加，湿润锋累计入渗深度随之增长，不同粒径级配的稀土湿润锋运移规律基本相同，先快速增长，后趋于稳定。从入渗开始至试验结束，入渗液为3％硫酸铵溶液的累计入渗深度曲线一直在清水的累计入渗深度曲线上方，因为入渗动力主要源自土中水的势能，3％硫酸铵溶液重力势和压力势作用较大，溶质势影响很小，故其土水势更大。在入渗初期，与水头周围直接接触的部分土，含水率迅速增大，土体快速达到饱和，气体少，有助于湿润锋的运移，在含水率较高的情况下，稀土中存在连续的毛细管水，引起湿润锋的快速运移。入渗至中后期，湿润锋运移速率快速减慢，这是因为在入渗过程中湿润锋前段具有较强的气势压，对湿润锋的运移造成阻碍作用，直至以稳定的速率推移。在入渗过程中，对湿润锋运移起主导作用的是土层压力水头高度，粒径对湿润锋的运移有一定影响，粒径越大，对水分运移有推进作用，湿润锋瞬时运移速率越大。
1.4湿润锋运移速率变化规律
3％硫酸铵溶液入渗到不同粒径稀土中的湿润锋运移速率随时间的变化趋势相同，首先快速减小，然后缓慢发展，最后趋于一个稳定值，图4为试样1的湿润锋运移速率与入渗时间的关系图。
1.5入渗率变化规律
根据入渗过程湿润锋距离与含水率变化，可求得入渗率，图5为试样1的入渗率变化规律。可以看出：在入渗初期有很高的入渗率，随着时间的推移，稀土的入渗性能迅速下降，最后趋于稳定。
1.6饱和渗透系数
进行3％硫酸铵溶液在稀土土柱中的一维垂直入渗试验，4组试验在测压管中均有水头出现，记录测压管水头高度及时间和主管底部渗水管析出水量及时间。试样1测压管上升高度与时间的关系曲线如图6所示；4组试样累计析出水量与时间的关系曲线如图7所示。
由图6可知，测压管中水头的上升规律大致相同，初期快速上升，随着入渗时间的增长，上升的速率逐渐减小，直到测压管水头高度接近某固定值，趋于稳定。由图7可知，主管底部的累计析出量随时间呈线性关系，这是由于土柱已经完全进入了饱和状态，形成稳定流所致。
根据达西定律，得流量方程为：
其中：q为渗流量，ks为饱和渗透系数，a为土柱的横截面积，h为水头差，l为渗径长度，t为入渗时间。
由式(1)可得饱和渗透系数ks如表3所示。
表3饱和渗透系数值
2green-ampt模型改进与验证
2.1模型改进
根据green-ampt模型，可得
其中：i为入渗率；ks为土壤饱和导水率；z为湿润锋深度；sf为湿润锋平均基质吸力；h0为常水头高度。
假设i＝c+dx(3)
其中：c＝ks(4)
式中：c、d为拟合参数；x＝1/z。
根据(3)、(4)和(5)可以拟合出入渗时的土样饱和导水率和基质吸力。
设干土层的含水率为初始含水率θi。饱和层的含水率为饱和含水率θs；则累计入渗量为：
i＝(θs-θi)×z(6)
对累计入渗量求导，可得：
根据入渗率的倒数和累计入渗量关系，可以得出湿润锋瞬时运移速度随湿润锋深度的函数关系为：
green-ampt入渗模型假定湿润锋前面为干土区，湿润锋后面湿润层为饱和区，与实际入渗不符合，假定水在土层中的入渗过程湿润层包括饱和层和过渡层，如图8所示，zs为饱和层厚度，zw为过渡层厚度。设过渡层含水率为θ(z)，其值介于初始含水率θi和饱和含水率θs之间。
试验中过渡层体积含水率呈椭圆曲线变化，将过渡层长度等分，通过过渡层含水率随湿润锋长度的关系，计算平均值，得过渡层含水率：
θ(z)＝0.78θs+0.22θi(9)
假定过渡层的非饱和导水率与其含水率的大小呈正比，根据饱和层的含水率和饱和导水率，可以得出过渡层的非饱和导水率，关系如下：
其中：
根据上述分层假定，可以分别得出入渗过程中饱和层和过渡层的入渗量is和iw，其值为：
is＝(θs-θi)zs(11)
由非饱和达西定理，得：
根据达西定律和水量平衡原理，某一时间段进入过渡层的水量即为：
式中：iw为过渡层入渗率。
将式(12)、(13)代入式(14)得到湿润锋前瞬时运移速度和随湿润锋深度的关系：
其中：
2.2模型验证
修正模型计算结果与原模型计算结果比较如图9所示。可以看出：green-ampt入渗模型的湿润锋处瞬时运移速率大于改进模型的湿润锋处瞬时运移速率和实测值。随着时间增长，改进模型拟合曲线和实测值曲线相当接近；green-ampt入渗模型拟合的湿润锋增长速率大于改进模型和实测值，这是由于入渗模型假定存在缺陷导致的；相比较green-ampt入渗模型，改进入渗模型考虑了实际入渗的情况，寻求了渗流速度的数值解，更加贴近实际值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。