利用时域反射技术测定土壤中的非水相液体研究

Soil and groundwater contamination by non-aqueous phase liquids (NAPLs) has become a serious environmental issue. Therefore, it is necessary to estimate the NAPLs content to detect and monitor the NAPLs contamination in soil and groundwater. Time domain reflectometry (TDR) has recently been applied to determine the NAPLs content in subsurface soils. This study is to investigate the relationships between the NAPLs content and soil dielectric properties, electrical conductivity. The effects of soil and NAPLs types on the NAPLs content determined by TDR will be discussed. And then the simulated methods for the NAPLs content in soils estimated by TDR will be compared. Accordingly it is to develop an improved model for the soil NAPLs content. This study not only helps to understanding the relationships between non-aqueous phase liquids and water in soil, but it is benefit to study solute transport in the polluted soil, and the remediation of soil and groundwater contamination by organic pollutant.

有机化合物对土壤和地下水资源污染已逐渐成为一个非常严重的全球性环境问题。绝大部分有机污染物在水中的溶解度非常小,并以液态形式存在于土壤中,即为非水相液体（NAPLs）。因此，有必要测定土壤中非水相液体的含量以监测地下有机污染物。时域反射技术（TDR）可以被用来测定土壤中非水相液体含量。本研究拟通过系统研究土壤介电特性和电导率与土壤非水相液体含量之间的关系，分析土壤质地和非水相液体类型对时域反射技术测定土壤非水相液体含量的影响，深入探讨应用时域反射技术确定土壤中非水相液体的方法，改进和发展测定土壤中非水相液体含量的预测模型。该研究不仅有助于深入认识土壤中非水相液体和水分的关系，而且对研究污染土壤的水分运动和溶质运移等土壤物理过程以及有机化合物污染土壤和地下水的修复等环境治理问题具有重要的应用价值。

土壤中绝大部分有机污染物（非水相液体，NAPLs）以液态形式存在，溶解度很小,在地下与水和空气互不相融，导致很难监测土壤中NAPLs的数量、运移速率和污染面积等。因此，准确获取土壤中非水相液体的含量（或饱和度）以及监测NAPLs污染土壤特性的变化成为本研究的主要内容。本研究中，通过利用时域反射技术（TDR）和热脉冲技术测定了不同条件下土壤介电特性、电导率和热特性随NAPLs含量的变化，分析了土壤质地和非水相液体类型对时域反射技术测定土壤非水相液体含量的影响；研究了土壤介电特性和电导率与非水相液体含量之间的关系，修正了利用时域反射技术预测土壤中非水相液体含量的混合介电模型；建立了热脉冲技术测定土壤中非水相液体含量的预测模型。研究结果表明，（1）饱和土壤中体积含油量在0-0.05 cm3 cm-3时，土壤介电常数并无显著变化；随着NAPLs体积含量的增加，介电常数呈线性减小趋势；土壤的电导率与NAPLs含量存在良好的线性负相关关系（R2=0.96）；土壤容重和NAPLs类型对相同饱和度的土壤介电常数和电导率未产生影响。（2）不同质地的土壤在含水量相同条件下，介电常数并不会受到NAPLs体积含量变化的影响，均保持相同数值；相同含水量条件下体积含油量的变化对土壤表观电导率的影响也不明显，而是随含水量的增加电导率呈下降趋势。相同机油体积含量条件下土壤电导率高于菜籽油污染的土壤。（3）混合介电模型（=0.5）高估了饱和砂土中非水液体含量，平均RMSE为0.038 cm3 cm-3；参数调整为0.52后，混合介电模型提高了预测精度，比原混合介电模型（=0.50）预测精度可以提高23.2%。非饱和条件下，由于土壤的介电常数或电导率与体积含油量无关，因此仅依靠介电常数和电导率无法建立与体积含油量的关系，无法准确得到土壤中体积含油量。（4）相同含水量条件下，土壤导热率随NAPLs体积含量增加也增加，特别是在含水量为0-15 cm3 cm-3（R2=0.98）；土壤热容量随体积含油量的增加呈直线线性增加趋势；根据土壤饱和度与体积热容量之间关系，利用时域反射技术测得含水量，建立了热脉冲-时域反射技术预测土壤中NAPLs的模型。