水位波动对污染物在地下介质中运移规律影响机理研究

Water table is always fluctuating due to human and natural influence, which will inevitably lead to the variations of the transport of water and solutes in vadose and aquifer in most regions.There is few research results on it until now.This study will be conducted to study effects of contaminant transport rule on water table fluctuating in subsurface through the theoretical analysis，laboratory test and numerical simulation.The mechanism of effect of water table fluctuating on contaminant transport in subsaface will be revealed. The laboratory test will simulate the effect of hysteresis, Oxidation Reduction Potential(ORP) caused by different fluctuating range and period on biodegradation process and contaminant migration.A numerical model of contaminant transport will be built by using periodic water potential to deal with the lower boundary of model. And the accuracy of the model will be verified by the laboratory test and field data. The study has important theoretical significance and practical value for environment safety evaluation and pollution control of soil and groundwater.

由于人为和自然因素的原因导致大部分地区的地下水位存在明显的上下波动，地下水位的波动必然会引起包气带和含水层水分和溶质运移规律的变化，目前这方面的研究成果很少，本项目拟通过理论分析、室内试验和数值模拟的方法研究地下水位波动对污染物在地下介质中运移规律的影响。室内试验通过大型土柱试验模拟地下水位不同波动幅度、不同波动周期对污染物运移的滞后效应以及其对氧化还原电位和生物降解过程的影响，揭示地下水位循环波动对污染物在地下介质中运移规律的影响机理，建立地下水位波动和污染物运移相互耦合的数值模型，将模型下边界即循环波动的水位面用周期性变化的水势（压力势）来处理。并通过室内试验和现场监测数据验证模型的准确性。该项目的研究对于环境安全性评价及土壤和地下水污染控制的制定具有重要的理论意义和实用价值。

由于人为和自然因素的原因导致大部分地区的地下水位存在明显的上下波动，地下水位的波动必然会引起包气带和含水层水分和溶质运移规律的变化，因此研究水位波动对污染物在地下介质中迁移转化规律的影响对于完善污染物迁移转化模型及土壤和地下水污染的控制具有重要的理论意义和实用价值。本课题针对这一问题选取硝酸盐和重金属镉作为研究对象，通过理论分析、室内土柱试验、现场监测以及数值模拟的方法开展了地下水位波动对硝酸盐氮和重金属镉在地下介质中运移规律影响的研究，取得的主要研究成果如下：.（1）首先通过大型土柱试验开展了地下水位波动对不同污染程度的重金属镉运移规律的影响，结果表明：少量镉离子注入柱内，其主要受土壤吸附作用影响，水位波动对镉离子在土层中运移无显著的影响。污染程度加重后，水位波动对镉离子在饱和-非饱和土层中运移有明显影响；水位波动带内的镉离子浓度随水位上升而增大，水位下降而减小；始终处于饱和土层内的镉离子含量随水位上升而减小，水位下降而增大。.（2）进行了地下水位波动对饱和-非饱和土层硝酸盐迁移转化规律的影响的研究，同时还开展了不同土壤介质条件下硝酸盐迁移转化规律影响的研究，结果表明：随着水位的上升和下降，土层中孔隙水流速、溶解氧和氧化还原电位随之减小和增大；并且水位波动对于饱和和非饱和土层内硝酸盐迁移转化规律的影响是不同的。而且在水位波动过程中，中砂土层中的硝酸盐较粉土中硝酸盐更易对下层造成硝酸盐污染。因此，当地下水埋藏较浅时，考虑地下介质中氮素的迁移转化时，水位波动的因素不能被忽略。.（3）通过分析河南洛阳市某农业活动区连续五年的地下水位及硝酸盐监测结果，得出与室内试验相近的结论。.（4）将水位波动方程和污染物运移理论结合的基础上，提出了在水位波动条件下污染物在土层中运移的一维数学模型，该模型的最大特点是考虑了饱和度-毛细压力关系滞后性以及水位波动对污染物运移的影响。