石河子大学大学生创新创业训练项目中期研究报告项目名称：溶质运移条件下土壤穿透曲线（BTC）的试验方法研究立项人：高东翔指导教师：李明思、蓝明菊二〇一二年十二月二十日1. 研究背景及意义土壤盐碱化以及外来溶质随水分在土壤中的迁移问题是引起农业土壤环境问题的两大重要因素，也是当今世界的研究热点。

我国水资源短缺，发展农业节水灌溉技术对我国农业发展尤为重要。

一些地区污水灌溉直接导致了粮食污染、土壤污染及地下水污染，继而影响到人们的健康。

另外，农田中大量施用化肥和农药也造成土壤环境恶化，甚至导致地下水污染。

为了防止土壤的污染，必须制定有效的防治规划，采用合理的措施。

而要建立合理的控制措施，必须首先了解外来溶质在土壤中运移的规律，这对于本身含有盐碱的土壤来说也是治理的先决条件。

水动力弥散系数是多孔介质中的对流弥散和分子扩散之和，它能够综合反映溶质在土壤中的运移特性，水动力弥散系数是研究土壤溶质运移的一个重要参数。

对于研究污水灌溉后污染物质在土壤中的运移规律，化肥、农药在农田的运移规律，盐碱地水盐运动规律，地下水资源保护，它是一个不可少的参数。

土壤溶质穿透曲线成为人们研究土壤溶质迁移特性必不可少的工具[4]。

用穿透曲线法求解水动力弥散系数，其概念清楚，计算简便，已在国内外广泛应用。

自Taylor（1951）利用单毛管描述土壤溶质穿透曲线以来，开始了利用土壤溶质穿透曲线来揭示土壤溶质的迁移机制，特别Nielsen和Bigger（1961，1962，1963）通过实验研究，对土壤溶质穿透曲线及土壤溶质迁移机制作了广泛评述，此后有许多文献报道了相关研究成果。

很多学者在研究溶质运移时都以土壤穿透曲线为依据。

但是，对土壤穿透曲线的试验方法，不论是示踪剂种类、浓度，穿透曲线管尺度等，都没有统一方法，经验性很强，对成果的比较带来困难。

本研究通过试验对土壤投加不同类型及浓度的示踪剂，为科学合理的测定土壤的穿透曲线提供依据。

2. 研究内容与方法2.1研究内容（1）示踪剂的类型对土壤穿透曲线的测定的影响；（2）示踪剂的投加浓度对土壤穿透曲线的测定的影响。

（3）穿透曲线管尺度对土壤穿透曲线的测定的影响；2.2研究方法：穿透曲线(break through curve， BTC)是指将风干土样装入土柱中，严格控制容重，用示踪剂连续恒定注入土壤中，然后根据溶质在土壤中运移时，通过某截面的相对浓度[C(t)-C0]/(C1-C0)与时间或体积的关系曲线，它是反映溶质在非饱和土壤中运移的基本曲线。

（1）由于土壤的化学性质不同，投加不同的示踪剂会表现出不同的穿透性质，对同种土质的土壤投加不同性质的示踪剂，取滤出液测定滤出液浓度随时间的变化关系，进而确定该类土壤宜选用的示踪剂类型。

（2）对同一种示踪剂，投加浓度不同，穿透性质也会有差异。

对同种土质的土壤投加相同性质、不同浓度的示踪剂，取滤出液测定滤出液浓度随时间的变化关系，进而确定该类土壤宜选用该类示踪剂的投加浓度。

（3）由于穿透曲线管尺度不同，产生的边界效应对测定结果表现出不同的穿透性质，选取φ5cm，φ10cm，φ20cm对3种穿透曲线管管径，以相同的容重填装同种土质的壤土，投加相同性质的示踪剂，取滤出液测定滤出液浓度随时间的变化关系，进而确定测定穿透曲线宜选用的土柱尺度。

3.试验材料与方法3.1试验材料3.1.1供试土壤试验于2012年3月-10月在石河子大学给排水实验室进行。

土样经风干过2mm筛，均匀混合，对于粒径大于0.075mm的颗粒用筛分法分析，粒径小于0.075mm颗粒用比重计法分析，测定土壤中各级粒径的颗粒含量，根据试验结果绘制一条土壤颗粒级配曲线，按照国际制土壤质地分类标准确定供试土壤为壤土，土壤中各级粒径的颗粒含量如表1-1所示。

表1-1 供试土壤各级粒径含量（重量%）质地砂粒（2-0.02mm）粉砂粒（0.02-0.002mm）粘粒（<0.002mm）壤土49.70 42.20 8.103.1.2试验用水（1）用蒸馏水做入渗试验，测定蒸馏水沿土柱运动的速度入渗速度；（2）示踪剂：氯化钠溶液（400mg/L），溴化钾溶液（10 mg/L ，25 mg/L，50 mg/L，1.489 mg/L），重铬酸钾溶液做（浓度126 mg/L）；3.1.3试验用土柱土柱由直径为5cm，10cm和20cm的有机玻璃管制成，下端封口，并设有排水口，试验时，土柱填土高度为70cm。

3.2试验方法3.2.1试验设计将土壤风干后粉碎并过Φ2mm土壤筛，按壤土干容重1.54g/cm3、分5层均匀装入穿透曲线管内并夯实,每次放入土样前将夯实的土面抓毛，这样可以避免出现人为的土层界面。

穿透曲线管上连接一个马氏瓶，用于保证土层上不有一定的静水压。

（1）试验开始时先用用蒸馏水做入渗试验，测定蒸馏水沿土柱运动的速度入渗速度，（2）分别用氯化钠（400mg/L），溴化钾（50 mg/L），重铬酸钾（浓度126 mg/L）；做示踪剂，测定土壤穿透曲线；（3）用不同浓度的溴化钾（10 mg/L ，25 mg/L，50 mg/L）做示踪剂，测定土壤穿透曲线。

（2）分别用φ5cm，φ10cm，φ20cm对3种穿透曲线管管径，测定土壤穿透曲线；3.2.2试验数据处理方法弥散系数和弥散度可以在实验室人工条件下运用多孔介质柱体试验测定。

通常的方法是在一端注入示踪剂，在另一端观测示踪剂的流出浓度和流体体积。

试验中的空隙是流体可以占据的空间，空隙体积为柱体横断面积与柱长和孔隙度的乘积ALn 。

根据Darcy 定律，流体流出的体积等于渗流速度与时间和柱体横断面面积的乘积vAt=unAt 。

当流出的液体体积等于试验柱中的空隙体积时，试验柱中的流体被更换一次，所对应的时间为流体从注入端流到了流出端时间。

定义出流体体积比数为液体的流出体积与试验柱空隙体积的比值（Fetter ，1999），即R t Lut ALn unAt U === （1） 可见，出溜液体体积比数等于无量纲的时间R t 。

显然，当U=1时，流出液体的体积等于试验柱的空隙体积，对应的无量纲时间为1。

定义U 后，一维近似解⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=t D ut x erfc C C L 220 变为（x=L ） ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=uL U D U erfc C C L /21210 (2) 式中U ：出流液体体积比数；L ：柱体长度。

通过试验可以测得不同出流量下的污染物浓度，从而得到一组U-C 数据。

在正态概率纸上，以C/C 0为累计正太概率轴，以（U-1）/U 1/2为等分刻度轴，绘制C/C 0—（U-1）/U 1/2实测数据。

如果观测值在正态概率纸上是一条直线，则说明其遵循正态分布，试验结果符合（2）式。

直线的斜率与纵向水动力弥散系数有关。

令J= C/C 0—（U-1）/U 1/2，得⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=uL U D J erfc C C L /2210 （3） 当1/2=-uL D J L 时，16.00=C C ，此时的J 记为J 0.16；当1/2-=-uL D J L 时，84.00=C C ，此时的J 记为J 0.84，显然 2/2/216.084.0=-uL D J uL D J L L (4)解出参数D L 为()216.084.08J J uL D L -= (5) 根据试验结果先在正态概率纸上绘制C/C 0—（U-1）/U 1/2实测数据。

如果观测值在正态概率纸上是一条直线，则可用式（5）求解水动力弥散系数。

4.拟解决的关键问题室内实验，解决土柱装填均匀性和低浓度离子测定准确性的问题，否则将影响试验结果的可靠程度。

5.研究结论5.1穿透曲线管尺度的确定（1）选取φ5cm 穿透曲线管时，穿透曲线管中液体出流后的10h 内，未检测出示踪剂，12h 时示踪剂出流浓度为加入浓度的90%，14-16h 未能检出示踪剂。

由于5cm 是较小的管径，边界条件的影响导致示踪剂浓度呈现这种这种无规律的变化。

因此，选取φ5cm穿透曲线管时，边界条件是应该考虑的主要原因。

（2）用φ10cm穿透曲线管时，C/C0—（U-1）/U1/2正态概率纸上成一条直线，试验结果较符合出流液浓度随时间变化呈S型变化的趋势，因此，φ10cm穿透曲线管是适宜用作土壤穿透曲线示踪剂的管径；（3）用φ20cm穿透曲线管时，C/C0—（U-1）/U1/2正态概率纸上成一条直线，试验结果较符合出流液浓度随时间变化呈S型变化的趋势，因此，φ20cm穿透曲线管也是适宜用作土壤穿透曲线示踪剂的管径。

但是与φ10cm穿透曲线管相比，φ20cm管径制作安装成本较高，填装土壤量也较大，示踪剂出流所需要的时间较长。

5.2土层厚度的确定对同一种土柱尺度，以相同的容重分别填装土层厚度为30cm，40cm，70cm的土柱，投加一定浓度的溴化钾，测定土壤穿透曲线。

试验结果显示土层厚度为40cm，70cm时，C/C0—（U-1）/U1/2正态概率纸上成一条直线，用（5）式计算土壤水动力弥散系数，结果如下表，水动力弥散系数是土壤的性质之一，不会随着测定方法的不同而改变，由以上试验结果可知，土层厚度为40cm，70cm时，，试验结果较为理想，因此，以溴化钾作示踪剂时，40-70cm是较易选用的浓度。

6.项目完成情况的自我评价本项目在指导老师的指导下，按如下进度完成：（1）2012年1月-3月，相关资料与科技文献的收集与整理；（2）2012年4月-10月，利用不同类型，不同浓度的示踪剂，针对不同尺度的穿透曲线管开展穿透曲线试验；（3）2012年10月-12月，处理试验数据，分析试验结果；项目按预期目标进行。

7.项目成果的科学价值、应用前景、效益等很多学者在研究溶质运移时都以土壤穿透曲线为依据。

但是，对土壤穿透曲线的试验方法，不论是穿透曲线管尺度，还是土层厚度等，都没有统一方法，经验性很强，对成果的比较带来困难。

本研究通过选用不同管径的穿透曲线管，并添装不同的土层厚度土壤进行试验，为科学合理的测定土壤的穿透曲线提供依据。