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【理论】包气带中水流和溶质迁移问题

2015-11-12 来源:污染水文地质学 企业名称:

大多数水文地质学教科书都把包气带水流仅作为一个专题进行粗略的介绍。传统的水文地质学主要关心从井中取水。包气带,或称为非饱和带,被看成是比较神秘的区域,补给水要到达潜水面必须从这里经过,这一过程通常被比作水的炼狱。土壤学家一直是想了解包气带水流情况的主要群体。以往土壤学家们主要关心水及其溶质向植物根系迁移的通道,以及主要在包气带中流动的水等。近年来,越来越多的土壤学家致力于研究包气带中污染物的迁移和归趋间题。随着污染水文地质学的发展,水文地质学家对包气带的研究产生了越来越大的兴趣。许多向地下释放的污染物发生在包气带里面或其上方。土壤中的污染物应包括那些有意应用的材料如化肥、农药和无意间偶然释放的材料。现在水文地质学家面临的难题是怎样理解溶解的污染物在包气带中的迁移。为了解决此问题,必须从土壤学家那里汲取大量的知识。包气带中的迁移也可能发生在纯非水相液体或气相中。
包气带从地表延伸到潜水面。它包括毛细带,而毛细带中的孔隙可能实际上是饱和的。鉴别包气带的主要特征是其孔隙水的压力通常为负值。包气带中毛细带上部区域可以暂时饱和,这可能是由于地表储水,或者是由于在渗透率较低的土层之上形成上层滞水潜水面。
包气带从地表延伸到地下水面,包气带的水分由表面张力支持。一些土壤颗粒表面带有电荷,它能吸引或排斥阴离子和阳离子。水分在包气带中的运动是位置势和基质势共同作用的结果,基质势是土壤含水量的函数,并与土壤是否经过疏干和吸湿有关。包气带渗透系数同样是体积含水量的函数,水分通过土壤的流量能用达西定律或Buckingham定律计算。土壤的非稳定流用Richards方程描述,土壤中水气和水分的非稳定运动也同样可以用一些不同的方程来描述。
穿过包气带的溶质迁移存在对流和弥散作用。用对流-弥散方程解决包气带的溶质迁移问题,解释土壤颗粒表面由于吸附而产生的滞后现象,此方程存在解析解。包气带溶质的运动受不运动的死端孔隙水范围的影响。当土壤中有粘土存在时,它受阴离子排斥带的影响。溶质运动的优势通道出现在包气带中水分侧向运动产生的通道,以及人渗水量集中的某些地段,水分运动的优势通道给监测包气带和浅层地下水带来了困难。
在植物根系带存在大量的由植物根系、收缩裂隙和动物虫孔等原因形成的大孔隙和裂隙,这些大孔隙能成为水和溶质迁移的优势通道,以水平或垂直方向穿过根系。这种情形能使人渗水“短循环”,因为水分穿过大孔隙的渗透系数要比土壤基质的渗透系数大很多(图1)。

图1 包气带中水流的优势流动-短循环
第二种类型的优势流是指状流,是由不稳定性造成的孔隙尺度内渗透性变化引起的,发生在不规则的入渗基质的前峰向下到达“指状”的位置,不稳定性常常发生在湿润前峰到达粗细沉积物边界处,见图2

图2 包气带中水流的优势流动-指状流
第三种优势流是漏斗流,它发生在植物根系以下的包气带,与分层的土壤和沉积物剖面相结合。倾斜的粗砂层被细砂层所包围,能阻碍水向下渗透,倾斜的地层将聚集的水分从漏斗的边缘直接流到地层的末端,在那里它能以集中水的形式再次垂直渗透(图3)。


图3 包气带中水流的优势流动-漏斗流
在特殊情况下优势流的发生和土壤的各向异性会对包气带溶质迁移的监测产生干扰。一些研究已记录到了异常的结论,较深的土壤层溶质的浓度高于浅层溶质的浓度。这些现象能用优势流解释,通过短循环、指状流和漏斗流入渗的溶质可直接到达包气带的一定范围内。这就说明了如果要获得污染物的准确分布,就要在包气带使用大量的取样装置。由于污染物到达水面需要通过包气带,因此包气带优势流路径与地下水监测息息相关。当污染物被均匀地喷洒在地表时(如农药化肥),人们总以为溶质最后能均匀地通过包气带到达地下水面。然而,由于优势流路径的作用,溶质的质量可能会集中在某些位置,致使溶质在场地浅层地下水中分布不均匀,场地附近的监测井显示了变化的溶质浓度,这与它们距离集中回灌的向上梯度点远近有关。所以说,水分运动的优势通道给监测包气带和浅层地下水带来了困难。

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