粒径对溶质运移的影响试验研究

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1、粒径对溶质运移的影响试验研究袁金芹河海大学土木工程学院地质工程系，江苏南京（210098） E_mail：yuanjinqin_1999 摘要：利用水平放置的砂柱，改变砂柱中粒径和流速，以定浓度和容量的亮蓝溶液在砂柱中进行了溶质运移的初步试验研究。研究结果表明：在不同粒径中，以相同的流速运移时，到 达峰值的时间一致，但粒径大对应的峰值大，且弥散度 与孔隙度 n 成一个二次函数关系。 表明，粒径的大小对溶质运移有影响。关键词：粒径：弥散度：孔隙度：溶质运移1. 引 言近年来，由于工业、农业等迅速发展，导致了地下水遭到不同程度的污染。地下水中的 溶质运移理论愈来愈引起人们的关注。溶质运移的模型理论

2、越来越成熟1-3，但影响溶质在 多孔介质中运移4-6因素有很多。对于同一种介质不同粒径7，在不同的条件下溶质运移的 过程与规律是不一样的。本文主要是以亮蓝溶液为溶质，研究在不同粒径下对溶质运移的影 响。2. 试验装置及试验材料2.1 试验装置试验装置如图 1 所示，装置主要是由机玻璃管制成，有机玻璃管内外壁光滑、长为 1 米、内径为 1 厘米。装置水平放置，可以消除重力的重用，有机玻璃管中充填满石英砂。进 水用蠕动泵（最小流量为 0.01ml/s）进水，蠕动泵（保定兰格恒流泵有限公司）是一定的转 速对应一定的流速。本试验是用医用一次性注射器瞬时注入溶液，取样用 3ml的比色皿，采 用紫外可见分

3、光光度计测溶液的吸光度（Abs），型号为UV2600（上海尤尼柯），可以精确到 检测到 110-6g/L，而且不用考虑到温度对吸光度的影响。d=1进水口水头-2-蠕动泵进水 瞬时注入溶液每次3ml标准砂充填100出水口水头取样处 注：1、本图尺寸均以厘米计。2.2 试验材料图 1 溶质运移实验装置图Fig1 Experimental apparatus of solute transport实验所用砂为 GB1781977 标准石英砂，用方孔筛筛分，取了三个粒径的，分别为23mm、12mm 和 0.51mm，每次充填时，就用一个粒径的石英砂，因此保证性质的稳定 性。试验用水就用普通的自然水。试

4、验的示踪剂为食品添加剂：亮蓝，亮蓝溶液的吸附性差 相对与氯化钠等示踪剂，而且五毒无气味，颜色比较鲜艳，用肉眼就可以观察到溶质的运移。2.3 标准曲线首先是配置亮蓝溶液的标准曲线，实验用的是紫外可见分光光度计测亮蓝的吸光度，可 见分光光度法主要应用于定量分析方面。物质定量分析的基础是Lambert-Beer定律，即溶液 中溶质的吸光度（A）与溶质的浓度（C）、液层的厚度（L）成正比。将不同已知含量的亮蓝标样用水溶解后，在亮蓝的最大吸收波长 630 2nm处，分别测其吸光度，制作标准曲线，标准曲线见图 2，从图 2 中可见，亮蓝的浓度和吸光度成直线关系，相关系数R2=0.9999（n=10），相关

5、性非常好。然后把测出试样的吸光度值和标准曲线对比就可以得到溶液的浓 度值。0.0120.01浓度（g/L)0.0080.0060.0040.002000.51 吸光度（bs)2.4 实验步骤图 2 亮蓝溶液的吸光度的标准曲线Fig2 Standard curve of absorbance for bright blue solution首先是选取一定粒径的砂装在有机玻璃管中，在一般条件下，装砂会产生很多的气泡， 在饱和的条件下可以避免产生气泡，在出水口和进水口放置沙网，砂子分层填注并捣实，装 完后检查密封性，完全密封后，用蠕动泵以固定的转速进水，等进水口和出水口的水头稳定 后，记录水头、用秒

6、表和量筒测出流速，等一切准备工作做完后，用注射器瞬时注入定浓度 的 3ml 亮蓝溶液，同时记录注入溶液的时间，并观察溶质在砂柱中的运移，用比色皿取样， 每次接十滴，记录每次取样的时间，等样取完用分光计测出吸光度，在转化为浓度，实验完 成后用清水清洗装置和砂子，改变流速和砂子的粒径重复上面的步骤。3.试验结果与分析本试验是在同种流速条件下改变砂径和同种砂径条件下改变流速的情况下进行的溶质 运移试验。砂径为 0.51mm、12mm 和 23mm，蠕动泵有两种转速，10 和 15 转对应的平 均流速为 0.162cm/s 和 0.245cm/s。3.1 在相同流速条件不同粒径的穿透曲线分析图 3 和

7、 4 分别为流速为 0.162cm/s 和 0.245cm/s 不同粒径砂样的穿透曲线。从图 3 和 4 中可以看出，为不同流速情况下曲线均为单峰曲线，且不对称，近似呈正态分布。同一流速 时，三种砂径开始穿透的时间不一致，粒径小的先穿透，曲线达到峰值的时间不一致，流速 越快越先穿透。从图 3 中可以看出，23mm 的峰值比 12mm 的高，12mm 的峰值又比0.51mm 的，从图 4 中也可以看出和图 3 中一样的趋势。这说明了同一流速下粒径颗粒越 大对应的峰值就越大，而且随着粒径的变小峰值也逐渐降低。从图中也可以看出，六个穿透 曲线都有很明显的拖尾现象（非费克运移），粒径越细所需穿透的时间

8、就越长，拖尾现象越明显，而且拖尾延续的时间长。同一流速下，粒径越小，曲线展布较宽，随着粒径的增加，曲线的主体明显边窄。-5-0.0450.040.0350.03吸光 度0.0250.020.0150.010.00502-3mm1-2mm1-0.5mm0200400600 时间(s)0.0450.040.0350.03吸光度0.0250.020.0150.010.00502-3mm1-2mm1-0.5mm0 200400600 时间(s)图 3 平均流速为 0.162cm/s图 4 平均流速为 0.245cm/s三种砂样的穿透曲线三种砂样的穿透曲线Fig3 Breakthrough curve

9、of three sand specimenFig4 Breakthrough curve of three sand specimen at average velocity of 0.162 cm/sat average velocity of 0.245 cm/s3.2 影响穿透曲线的相关因素分析溶质在多孔介质中运移的主要的运移机理有三个：对流、水动力弥散和化学反应。溶质 点位于原点、瞬时注入质量为 M 的溶质，溶质运移的方程为：2C = D C u C（1）tLx 2x弥散度 与弥散系数 D 之间的关系式为：D = u（2）其中：C浓度，DL纵向弥散系数，u实际平均流速 ，t为时间，x

10、为距离，M为溶 质的质量，方程（1）对应的解析解为：C ( x, t ) = M1exp(x ut )2 （3）n 2 DL t4DL t 利用穿透曲线对三种粒径的砂的溶质运移参数进行拟和，经拟合溶质在不同粒径中运移 的参数见表 1：表 1 不同粒径的溶质运移参数表Tab.1 Solute transport parameter table of different particle size粒径（mm）平均流速 v（cm/s）有效孔隙度 n实际平均流速u(cm/s)纵向弥散度 （cm）纵向弥散度系数D0.5-10.1620.2600.6230.7810.4870.2450.9420.7361

11、-20.1620.3190.5080.8780.4460.2450.7680.6742-30.1620.3450.4700.9820.4620.2450.7100.692LL水动力弥散是由于孔隙水的微观流速的变化引起的，弥散度是表示运移离子在迁移过程中弥散强度的一个量。出流液中运移离子的浓度开始变化为初始穿透，当出流液中离子浓度 不在变化为完全穿透。从表 1 可以看出，随着粒径的增大，有效孔隙度增加，实际的平均流速减小，纵向弥散度增加，但弥散系数不仅与弥散度有关还与实际的平均流速有关，纵向弥散系数随着粒径的 增大而减小。在实际的不同粒径相同的平均流速的穿透曲线图中，粒径小的先穿透，而且粒 径小

12、的从初始穿透到完全穿透所用的时间多，对应的浓度值是粒径小浓度小，说明了粒径小 的实际流速大，所以先开始穿透。弥散系数（D）也是粒径小的弥散系数（D）大，这和所 拟和穿透曲线得到的结果一致，溶质随着粒径的变大 D 值变小的原因可能是粒径小的介质 中小孔隙多且孔隙的曲折比较大。浓度随着粒径的增加而增加，是粒径小的孔隙多且比表面 积增大，吸附了一些溶质，导致了峰值的减小。从表 1 中也可以看出弥散度、弥散系数和孔隙度随着砂样粒径的改变也明显的发生变 化。分析表 1 中的实验数据，建立的弥散度与孔隙度之间的关系，如图 5 所示：1.21弥散度(cm)0.80.60.2 0.25 0.30.350.4

13、孔隙度n图 5 孔隙度 n 与弥散度 的关系曲线Fig5 Relationship curve between dispersivity and porosity n对弥散度 和孔隙度 n 的关系进行了回归，得到了如下的关系式： = 27.717(n 0.259)2 + 0.793（4）从回归方程（4）可以看出：孔隙度 n 和弥散系数 满足一个二次多项式的函数关系。 对于本实验装置，从回归的二次多项式中可以看出，当孔隙度大于 0.259 时，随着孔隙度的 增加弥散度也随着增加，呈递增关系，当孔隙度小于 0.259 时，随着孔隙度的减小弥散度增 加，呈递减关系。4.结论（1）在相同流速条件下，亮

14、蓝溶液在粒径小的砂柱中的弥散系数大，并且先穿透，说 明了粒径是影响溶质运移的一个重要因素。（2）在相同流速条件下，粒径大的对应峰值大，孔隙度 n 与弥散度 满足一个二次函 数关系。参考文献1 朱学愚，谢春红地下水运移模型M中国建筑工业出版社，19902 陈崇希，李国敏地下水溶质运移理论及模型M中国地质大学出版社，19963 程诚，吴吉春，葛锐，等（et al）单裂隙介质中的溶质运移研究综述J水科学进展，2003，（4）：502-5084 吴华山，陈效民，沃飞，等（et al）太户地区水稻土的硝态穿透曲线及影响因素J土壤通报，2006，36（6）1129-11335 方堃，陈效民，沃飞，等（et

15、 al）典型水稻土中硝态氮垂直穿透状况及模拟J安全与环境学报，2007，（5）：16-206 刘庆玲，徐绍辉不同质地土壤中铜离子运移阻滞因子研究J土壤学报，2005，42(6)：930-9357 速宝玉，詹美礼，张祝添充填裂隙渗流特性实验研究J岩土力学，1994，（4）：46-52.Experimental study on the effect of particle size to solute transportYuan JinqinDepartment of Geotechnical Engineering and HoHei University,Nanjing,PRC (21009

16、8)AbstractIn this paper a horizontal sand column was used, by change the particle size of sand and the velocity of water, with certain concentration and capacity bright blue solution, to preliminary study onthe solute transport test. The results showed that: when transport at different particle size

17、, with the same velocity, the time arrival peak value are the same, the larger the particle size, the larger the peak value,the relationship between dispersivity and porosity n was quadratic function, that is the particle size ofsand has an effect on the solute transport.Keywords: particle sizedispersivityporositysolute transport