（物理电子学专业论文）盐溶液及吸附盐溶液土壤介电特性实验研究.pdf

北京科技人学硕七学t i ) = 论文 摘要 本文是在国家自然科学基会支持下完成的，旨在研究重会属离子溶液及吸附重金属 离子溶液土壤的微波介电特性。以淀粉聚乙烯醇( p o l y v i n y la l c o h 0 1 ) 共混体( 简称淀粉 p v a ) 为溶液吸附载体，测量了水及含有c k 2 + 离子的水溶液的复介电常数，分析了其 复介电常数与体积含水率之间的关系。制备了不同白“离子浓度的淀粉聚乙烯醇样 品，测试了4 0 0 7 0 0 m h z 频段内样品的介电特性，分析了其复介电常数与c u 2 + 离子浓 度之日j 的关系。测试结果表明，淀粉聚乙烯醇样品复介电常数实部对样品体积含水率很 敏感，随含水率呈线性变化，复介电常数虚部随吸附溶液c u 2 + 离子浓度升高呈对数增 加。采集河北香河县的砂土作为土壤样本，经过预处理后进行不同体积含水率的水分渗 透，分析了土壤复介电常数与样品体积含水率之i b j 的关系，得到了与吸附水的淀粉聚乙 烯醇载体一样的变化规律，即土壤复介电常数实部在3 0 0 7 0 0 m h z 频段内随土壤样品 体积含水率呈线性增长。吸附c u c i ，溶液的土壤样品实验中，当土壤样品密度和体积含 水率保持不变时，在固定频率点处其复介电常数只受离子浓度的影响。实验中土壤样品 0 2 + 离子浓度增大时，其复介电常数值虚部也随着增大，在各个频率点处对复介电常 数和仇2 + 离子浓度的变化关系进行曲线拟合，可以得到复介电常数虚部和 “浓度之 间的关系式。 实验表明通过测量土壤以及吸附有土壤析出液的介质载体的相对复介电常数，可以 反映土壤析出液的污染状况，根据复介电常数虚部的变化规律可以得到地表和地下土壤 污染程度，为土壤污染监测提供了可能和实验依据，这对于预测和监测土壤的污染程度 具有重大意义。 关键词：复介电常数土壤离子浓度 北京科技人学硕十学位论文 s t u d yo n t h ed i e l e c t r i cb e h a v i o ro ft h es a l i n es o l u t i o n s a n ds o i lc o n t a i n i n gs a l i n es o l u t i o n s a b s t r a c t t h ep a p e rw a ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n t h em i c r o w a v e d i e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c so f w m e rs o l u t i o nw i t hh e a v ym e t a li o na n ds o i lc o n t a i n i n gh e a v ym e t a l i o ns o l u t i o nw e r et e s t e d t h ec o m p l e xp e r m i t t i v i t yo f w a t e ra n dw a t e rs o l u t i o nw i t hc u 2 + i o n w e r em e a s u r e d ，i nw h i c hs t a r c h p o l y v i n y la l c o h o lb l e n d ( s t a r c hp v af o rs h o r t ) w a su s e da s s o l u t i o nc a r r i e r , t of i n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e uc o m p l e xp e n n i t t i v i t ya n df r e q u e n c y , i o n c o n c e n t r a t i o n , a n dw a t e rc o n t e n t t h es o l u t i o ns a m p l e sw i t hd i f f e r e n tc u 2 + i o nc o n c e n t r a t i o n w e l et e s t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e a lp a r to f r e l a t i v ec o m p l e xp e r m i t t i v i t yw a ss e n s i t i v e t ot h ec h a n g e si nv o l u m e t r i cw a t e rc o n t e n to ft h es a m p l e s n e a r l yi n c r e a s i n gl i n e a r l y 、v i t l lt h e c h a n g e so fv o l u m e t r i cw a t e rc o n t e n to fs a m p l e sw h e nl i n e a rr e g r e s s i o nw a sd o n et ot h ed a t a t h ei i i l a g i n a r yp mo f t h a ti n c r e a s e dl o g a r i t h m i c a l l yw i t ht h ec u “i o nc o n c e n t r a t i o n t h es o i l s a m p l e so ft h ec o u n t yo fx i a n g h ei nh e b e ip r o v i n c ew e l et e s t e di nt h ee x p e r i m e n t t h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nv o l u m e t r i cw a t e rc o n t e n ta n dt h ec o m p l e xp e r m i t t i v i t yo fs o i l w e r e a n a l y z e d ，w h i c hs h o w e dt h es t a t i ca st h es t a r c hp v a c a l t i e rw i t hw a t e r t h er e s u l ts h o w e dt h a t t h er e a lp a r to f c o m p l e xp e l m i t t i v i t yi n c r e a s e dl i n e a r l yw i t ht h ev o l u m e t r i cw a t e rc o n t e n ti nt h e f r e q u e n c yb a n df r o m3 0 0m h zt o7 0 0 m h z i tw a ss h o w e di nt h ee x p e r i t n e n to f s o i ls a m p l e s w i t hp o r es o l u t i o nw i t h c u c l zt h a tt h ei m a g i n a r yp a r to fc o m p l e xp e r m i t t i v i t yo n l yv a r i e d 谢mi o nc o n c e n t r a t i o nw h e nt h ed e n s i t ya n dv o l t m a e l r i cw a t e rc o n t e n tk e e pc o n s t a n ta ta s p e c i f i c 矗明u c yp o i n t w h e nt h er e g r e s s i o nr e l a t i o n s h i pb c c c w c c nc u “i o nc o n c e n t r a t i o n a n di m a g i n a r yp a r to f c o m p l e xp e r m i t t i v i t yo f s o i ls a m p l e sw a sd o n e , t h ec o n c e m 枷o f lo f s o i l s a m p l e sw i l lc h a r a c t e r i z et h eh e a v ym e t a li o nc o n t a m i n a t i o no f s o i l 。 a ss u c h , i tm a yh a v ep o t e n t i a lf o rd e t e c t i n gi o nc o n t a m i n a t i o ni ns o i lw a t e rs y s t e m a c c o r d i n gt o t h ec h a n g e so fr e l a t i v e c o m p l e xp e r m i t t i v i t y a f t e rm i c r o w a v ed i e l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c so fs o i la n ds a m p l e sw i t hp o r es o l u t i o no fs o i lw e r et e s t e d i ti ss i g n i f i c a n tf o r p r e d i c t i o na n dm o n i t o ro f s o i lc o n t a m i n a t i o n k e yw o r d s ：c o m p l e xp e r m i t t i v i t y ，s o i l , i o nc o n c e n t r a t i o n 2 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：封邀蒜日期：nv 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：蜮导师签名：圭l 日期： l 7 s 1 f 北京科技人学硕十学位论文 引言 近年来，由于人口的急剧增长和工业的迅猛发展，固体废弃物的倾倒和堆放量同益 增多，为了减少地面垃圾的堆放，一些大型的城市采取了地下掩埋的方式进行了处理。 这些固体废弃物的长期存在，在自然雨水以及地表水的侵蚀下，产生的污染水分不断地 向周围的土壤以及地下水循环系统扩散河渗透，导致地表一定范围内土壤的污染以及地 下水的严重污染。土壤、水、阳光和空气是自然界赋予人类和其他生物生存的生念环境 的重要组成部分，目6 口世界各国经济的高速发展以及城市化进程的进行，导致了我们生 存所依赖的自然生态环境的严重污染。一般像水、空气的污染，很快就能够引起世界各 国环保部门以及广大人民群众的关注，但是土壤的污染却并没有得到重视，这是由于土 壤污染引起的不良后果的表征一般会有比较长的潜伏期，短则几年、几十年，长则上百 年l 能够显现出来。因此，土壤的污染也许不会对目自u 人类的生存和发展造成影响，但 这将危及到我们人类后代的生存环境，不利于长期的可持续发展。所以，土壤污染的监 测和防治将是一项非常重要和具有重大意义的活动。 固体废弃物的随意倾倒，工业有害废水的排放，大气中有害气体和漂浮尘埃随阿水 的降落，这些都将导致土壤的污染。土壤污染将导致严重的直接经济损失，我国目前尚 无系统全面的资料可查。仅以土壤重会属的污染为例，我国每年因重会属污染而减产的 粮食就有1 0 0 多万吨，被污染的粮食每年也多达1 2 0 0 万吨，合计经济损失至少2 0 0 亿 元人民币。由于土壤的污染导致食物品质的下降也是很严重的，在我国很多大中城市， 由于城市垃圾的倾倒，导致郊区土壤都受到了不同程度的污染，从而导致这些土壤生长 的农作物，诸如粮食、蔬菜、水果等的污染，使得这些食物中的镉、铬、砷、铅、汞等 重金属含量接近临界值甚至超标。更严重的是，这些污染物会在植物体内积累，并通过 食物链富集到人体和动物体内，引发各种难以治愈的疾病，危害人类的健康。在自然界 风力和水力的作用下，地表土壤颗粒会进入到大气和水中，导致大气和水体的污染，从 而危及到整个生态圈的健康。 土壤是植物生长的基地，是动物、人类赖以生存的物质基础，因此，土壤质量的优 劣直接影响人类的生存和发展。但由于近些年人们不合理的开发和利用，致使许多污染 物质通过多种渠道进入土壤。当污染物进入土壤的数量和速度超过土壤的自净能力时， 将导致土壤质量下降甚至恶化，影响土壤的生产能力。因此，对土壤污染进行监测，对 提高土壤的环境质量和生产能力，保障食品安全以及人类的健康具有十分积极的意义。 北京科技人学硕十学位论文 对于土壤污染的监测，世界各国的科学家们相继提出了各种监测办法。到目前为 止，主要依靠人工采样，实验室分析为主，这种方法虽然监测精度较高，但需要耗费大 量的人力物力，而且监测周期较长，不适宜现场在线测量、快速测量，建立快速、智 能、准确的水土污染检测系统，用于地下质或水土系统的环保监测，实现水土系统污 染状况高精度，动态的，连续的，无损的实时监测，最终实现我国环境地质监测系统的 智能化，网络化，数据化，这将对我国环保事业的意义极其重大。本项目旨在研制一套 用于快速监测土壤污染的测量系统，在之前的工作中【l 】，测试系统信号获取部分的到了 很好的研究，在实验中取得了满足实验误差的数据，后续的人工神经网络的应用 2 1 ，也 初步验证了利用复介电常数测量方法辨别土壤污染的可行性。本论文测量了函a ，溶液 以及吸附c u c l ，溶液土壤的介电特性，分析了复介电常数和含水率，离子浓度，土壤密 度之问的关系，采用的实验方法可分别应用于地表土壤及地下土壤的污染监中。 北京科技人学硕十学位论文 1 绪论 1 1 课题研究意义及选题依据 目自u 我国土壤污染的总体形势严峻，已对生态环境、食品安全、百姓身体健康和农 业可持续发展构成威胁。主要污染物排放量超过环境承载能力，流经城市的河段普遍受 到污染，许多城市空气污染严重，酸时污染加重，持久性有机污染物的危害开始显现， 土壤污染面积扩大，近岸海域污染加剧，生念环境安全存在隐患。生态破坏严重，水土 流失量大面广，沙漠化、草原退化j i 口, n ，生物多样性减少，生念系统功能退化。发达国 家上百年工业化过程中分阶段出现的环境问题，在我国近2 0 年来集中出现，呈现结构 型、复合型、压缩型的特点。环境污染和生态破坏造成了巨大经济损失，危害群众健 康，影响社会稳定和环境安全。未来1 5 年我国人口将继续增加，经济总量将继续高速 增长，资源、能源消耗持续增加，环境保护面临的压力越来越大。 据不完全调查，目自u 全国受污染的耕地约有1 5 亿亩，污水灌溉污染耕地3 2 5 0 万 亩，固体废弃物堆存占地和毁用2 0 0 万亩，合计约占耕地总面积的1 l o 以上，其中多 数集中在经济较发达的地区。全国每年因重会属污染的粮食达1 2 0 0 力1 吨，造成的直接 经济损失超过2 0 0 亿元。土壤污染造成有害物质在农作物中积累，并通过食物链进入人 体，引发各种疾病，最终危害人体健康。土壤污染直接影响壤尘念系统的结构和功 能，最终将对生态安全构成威胁。土壤污染与每个人的身体健康息息相关，比如粮食中 的重会属含量、蔬菜中的农药残留、饮用水源的安全情况，都会受到土壤环境质量的直 接影响。但长期以来，我们对全国土壤污染的面积、分布和程度不明确，影响了我国土 壤污染防治措旌的针对性和有效性 3 1 。开展重点区域土壤污染风险评估与安全等级划分 已经迫在眉睫。目自口我国主要采取重点监控，集中治理的策略。把重污染企业周边、工 业遗留或遗弃场地、固体废物集中处理处置场地、油田、采矿区、主要蔬菜基地、污灌 区、大型交通干线两侧以及社会关注的环境热点区域作为调查重点，按照统一的技术要 求，采集土壤、农产品和地下水等样品进行系统测试分析，查明土壤污染的类型、范 围、程度以及土壤重污染区的空日j 分布情况，分析污染成因。在此基础上开展污染土壤 风险评估，确定土壤环境安全等级，建立污染土壤档案。如何解决好城市发展和环境问 题的冲突，是一个亟待研究的重要课题，中国币面临着严重的环境污染问题，必须加大 治理和监测力度。建立快速、智能、准确的水土污染检测系统，对我国环保事业的意义 及其重大。 北京科技人学硕士学伉论文 我国在水土污染检测方面的研究，到目前为止，主要依靠人工采样，实验室分析为 主。利用短路同轴线复介电常数测量方法，可以研制一套用于地下土质或水土系统的环 保监测传感系统，可以实现高精度，动态的，连续的，无损的实时监测。根据微波测湿 法的原理，利用所研制的短路同轴线采集土壤样品反射的电磁波信号，探测被测介质复 介质常数变化，使用专门设计的自动网络分析系统和微型计算机进行数掘处理，分析复 介电常数受众多环境因素影响引起的土壤物理化学性质和力学性质的变化，从而实现对 地下环境变化的检测。和传统的监测手段相比，短路同轴线复介电常数测量法以其耗用 时| 1 日j 短，长期实时动态监测，方法简单，效率高，费用少，易于实现网络化智能化的特 点而有更大的优越性和推广价值，因此短路同轴线复介电常数测量方法将是对水土污染 监测的一个很好的补充和发展。 1 2 国内外进展 据美国2 0 世纪8 0 年代末的统计资料，美国有污染场地5 2 0 0 0 个，其中的7 5 已对 地下水构成污染，处置这些污染场地的费用占当时美国年国民生产总产值的1 0 。现在 美国对环境地质污染建立了多种监测体系，例如在地下水污染防治中起重要作用的地下 水监测网。美国对监测网、监测项目和技术作了研究，并取得了很好的成果。美国东郁 的大西洋城和迈阿密曾通过监测井网络资料，发现受污染地下水正缓慢流向城市供水 井。大城市一般都建立了三级监测网，用于不同的监测目标。2 0 多年来，地下水污染 物探技术以其良好的勘查效果，以及速度快、成本低、不破坏地质环境的优点，得到水 文地质学家和环保工作者的认可。到目前为止，国外已成功地将电法、电磁法、地震、 磁法、微重力、探地雷达和测井技术用于地下水污染的调查与监测。 日本在这方面则建立了水质环境污染的自动监测仪器。水质自动监测系统被广泛应 用在公共用水水域的水质污染的经常性监视中，水质自动监测可以自动、连续得到多项 目的数据，定期定点监视，可以有效地把握水质异常、水质及污染负荷量等的变化特征 和水污染物排放总量控制的情况。因此，水质自动监测系统成为公共用水水域的水质经 常性监测的极为有效的手段。另外，水质自动监测还可以与定期定点监视结合，形成极 为详细的监测体制，根据调整水质自动监测的配置状况，可以把握大范围水质污染状 况，把从水质自动监测站得到的数据通过计算机处理，处理结果作为该地区的公共用水 水域的水质污染状况向公众发布；或者，作为制定该地区的水质改善计划基础资料来使 用。目前，r 本的水质自动监测的设置主要在河流、湖泊和近海海域。 面对同益严重的环境问题，中国近年来也加强了对环保方面的研究，环保是一项牵 涉极广的复杂的系统工程，不仅需要各种法律条令的健全，而且还要求众多高新技术的 l 京科技人学硕十学位论文 综合使用，此外还要求全民环保意识的增强，总的来说应该以监测和预防为主，同时也 要深入研究各种污染物的合理再利用的相关问题。目前，国内已建立了众多的监测点， 并在局部地区实现了监测的网络化，采用了多种方法。还建立了水资源环境保护自动监 控区域网，在某一局部地区实现对水质采样后的数据联网处理。另外，国内各种学术期 刊也一直在探讨更简单有效的监测手段，近年来的部分研究成果如：土壤污染及其防 治，对城市积存垃圾处理项目的建议，环境污染及其防治，用于市政污水的排放监测、 地表水的水质监测、食品加工行业和饮料行业污水的排放监测的l x w a - o 分析仪， t w 一6 0 0 0 水质连续自动监测系统，z h 2 5 2 1 型污染源二氧化硫在线自动监测系统等等。 这些科研成果及方法对一些地表水关键地段的污染控制以及污水处理厂的过程控制，以 及某些污染排放口的在线连续监测起到了很好的效果。 目前都只是对单纯的气体或地表水体的监测，对于地下水质污染的监测，主要依靠 人工采样，实验室分析为主。与空气和地面环境污染相比，由于地下水污染的不可视 性，使其污染的防治工作较为艰难，例如在污染场所及附近地区的地下水质的污染，现 在还没有一种简便可靠的办法来实现对其连续动态的在线监测。其实地下水污染的严重 程度和危害并不亚于空气和地面环境污染，所以研制一种用于地下水土污染的监测系统 就显的尤为重要。 复介电常数是介质材料最基本的性能参数之一，表征了介质材料在一定频段下的基 本物理特性【4 目，测量线是一种传输线结构的传统微波测量仪器，通常使用波导或同轴 线来进行测量，其原理是测量离负载最近的第一电压波节点的距离和测量线上的驻波 比，束确定负载的复反射系数和阻抗数值，这种方法所需设备结构简单，价格低廉，基 本测量原理清晰，目前主要使用于微波毫米波段未知阻抗的测量。微波介质复介电常数 f ) 可以表示为： s + 0 ) = 0 = e o ( e b ) 一弦0 ” 式中岛为自由空问的介电常数，s ，为介质材料的相对复介电常数。 1 3 主要研究内容 本文旨在研究重会属离子溶液及吸附重金属离子溶液土壤的微波介电特性，对 b a k e r - j a r v i s 等的s 参数模型 6 1 进行了复介电常数求解方法的扩展，同时对r o w er k ， 等71 】的复介电常数离子浓度模型进行了高频段和低浓度区域的扩展，从而为水土系统 无机物污染的监测提供了理论依据和实验基础。利用短路同轴线对微波介质材料复介电 北京科技大学硕十学位论文 常数进行了测量，将网络分析测量技术与计算机辅助测量技术、微波同轴线结构设计方 法、微波介质样品制备方法等相结合，对微波介质材料的端口反射参数墨。以及复介电 常数进行了测量和计算：以电磁波传输理论和微波测量技术为基础，进行了二端口微波 网络的分析与技术研究，得到了微波介质材料复介电常数和其中吸附的溶液浓度的定量 关系曲线。 该文主要研究内容包括以下几点： 1 根据微波介质吸附溶液的理论分析和前期的试验研究，采用淀粉聚乙烯醇作为载 体介质材料，配制成不同含盐量、含水量的实验样品，分析了复介电常数的影响因素。 以实际的土壤为研究对象，测量了其复介电常数的变化规律。 2 根据微波的传输反射特性，通过软件模拟设计制作了短路同轴传输线，在传输线 中l b j 部位制作了样品腔，以便将制作好的样品装入传输线适当部位。 3 将制作好的短路同轴线接入矢量网络分析仪的共轴接头，分别对土壤样品以及 c u c l 2 进行频域扫描，测量样品的单端反射参数s 。 4 利用牛顿割线法对关于复介电常数的s 。方程进行数值方法求解，对求解获得的 结果进行数据分析，获得复介电常数和频率以及污染物浓度，种类之间的关系。 北京科技大学硕十学位论文 2 土壤各组分的物理化学性质 2 1 土壤物理化学组分 土壤是指地球陆地表面具有一定肥力且能生长作物的疏松表层，是由岩石风化以及 大气、水，特别是动植物和微生物对于地壳表层长期作用而形成的；它介于大气圈、岩 石圈、水圈和生物圈之间，是环境中独特的组成部分，土壤是由固体颗粒( 基质) 、液 体、气体三相物质组成的疏松多孔体。固相物质包括矿物质、有机质和土壤生物。固帽 物质之问形成不同形状的孔隙，孑l 隙中存在水分和空气。其固体颗粒部分，颗粒形状有 较大的变化范围，有体积较大的近似球体状，薄的平面板状体，长的纤维针状体。细小 的土壤颗粒中，包含有机物质和非结晶的无机物质组分，其化学成分可以包含地壳中发 现的任何元素，含有的常量元素有o 、s i 、a l 、f e 、c a 、n a 、k 、m g 、c 、h 、n 、p 、 s 等，含有的微量元素有b 、c u 、z n 、m o 、c o 等。最丰富的元素为o 、s i 、h 、a 1 ， 这些元素会形成不同成分和结晶念的物质，其它元素含量较少，所有这些元素就形成了 土壤形念的矿物质。 土壤的固体部分为土壤基质，是一个分散和多孔的体系。土壤的固体物质颗粒其粒 径大小不一，形状和组成也各不形同，从而形成了一个分散的体系。世界各国大都以土 壤中各粒级含量的相对百分比作为标准，国际制采用三级分类法旧，即根据砂粒( o 0 2 2 m m ) 、粉砂粒( 0 0 0 2 - 0 0 2 m m ) 和粘粒( 。 j 二二= = ： z 图6 4 不同含水率土壤复介电常数实部与频率关系曲线 北京科技人学硕十学位论文 图6 5 不同含水率土壤复介电常数虚部与频率关系曲线 图6 4 中，土壤复介电常数的实部随着土壤中水的体积分数的增加而增大，虚部随 含水率的增大有较小的增大，受土壤含水率的影响较小。为了能够在各个频率点处看到 复介电常数随含水率的变化关系，分别在4 5 0 6m h z ，4 7 5 1 m h z ，5 0 1 9m h z 频率点 处对土壤含水率和复介电常数实部之间的关系作图，得到如图6 6 所示的关系曲线。 十壤体积俞水率m v ( ) 图6 6 土壤复介电常数与体积含水率关系曲线图 - 4 1 北京科技人学硕十学位论文 分别在各频率点处的曲线进行线性拟合，所得到的线性拟合公式及线性回归系数 如表6 3 所示。 表6 3 土壤复介电常数实部与含水率关系线性拟合 频率( m h z ) 4 5 0 64 7 5 15 0 1 9 线性拟合 占= o 3 8 5 5m 。+ 3 6 6 6 6 f 1 = o 3 8 5 5 m 。+ 3 5 3 8 7f l = 0 3 9 3 4 m 。+ 3 4 0 7 9 回归系数0 9 9 4 3 0 9 9 4 4 0 9 9 4 6 由表6 - 3 可以看出，随着土壤中水的体积分数的增大，土壤的介电常数实部呈线性 增大。在3 0 0 - - 7 0 0 m h z 频段内，土壤的介电常数实部在3 , - - 4 之间，与温度和频率无 关，而相应的水的介电常数实部为8 l 。根据异质混合物介电常数模型，混合物的介电 常数值为各组成成分的介电常数与体积乘积之和，即如式( 3 一1 ) s ：= + 叶( f ? 一占孑) 所描述，在3 0 0 - - 7 0 0 m h z 频段内土壤中的大部分水分为自由水，其介电常数值远大于 土壤介电常数值，随着水的体积分数的增大，从而使介电常数实部呈现出增大的趋势。 从图7 _ 6 中可以看到，在低含水率区，复介电常数值随含水率的增长较为缓慢，这是由 于土壤中的水分一部分为束缚水，一部分为自由水，在低含水率区，土壤颗粒周围较大 半径范围内的水分在晶格力和渗透压的作用下被紧紧吸附在土壤颗粒表面，成为束缚 水，能够成为自由水的水分在总含水量中所占比重较小。由于带有负电的粘土颗粒的强 静电力的作用，使得水分子的极化强度大大减弱，导致束缚水的复介电常数实部远小于 自由水，约为3 2 ，和土壤的复介电常数实都较为接近，这样就使得水分的增加对土壤 总体介电常数值的增大的贡献较小，在实验中表现为低含水率区土壤复介电常数实部随 含水率增加变化较为缓慢。 渗透了c k c f ，溶液的9 个土壤样品，测得其复介电常数实部如图6 7 所示。 4 2 北京科技人学硕十学位论文 七 i 图6 7 含c u c i ：溶液土壤样品复介电常数实部 不同溶液浓度的样品虚部值随频率及溶液浓度变化情况如图6 8 所示。 图6 8 含函c 如溶液土壤样品复介电常数虚部 从图6 7 可以看出，在含水率保持不变的情况下，随着频率的增加，复介电常数实 部呈下降趋势，当溶液浓度增加时，实部值在各频率点处有下降趋势，但这种趋势不明 显。由于复介电常数实部值表征介质极化程度，当频率增加时，一部分离子的极化速度 _ 4 3 一 ca日兰口日e一 北京科技人学硕+ 学位论文 逐渐跟不上外加频率的变化，在宏观上表征为复介电常数实部值的下降。溶液中离子浓 度增加时，单位体积溶液中的离子数量增多，由于离子的自由移动，导致溶液内部的一 些正负电荷互相抵消，使单位体积溶液中的偶极子数量减少，溶液极化强度减弱，最终 使土壤介质极化强度变弱，导致其实部值呈下降趋势。实验中的样品的加工存在缺陷， 导致各个反射面不是理想的平面，同时对于含水率相同的控制存在误差，而这一点恰恰 对实部影响较大，导致图6 4 中出现了一些不符合该规律的曲线，如曲线6 ，8 。在图 6 7 中，除样品9 之外的其他样品，在5 5 0 m h z 7 0 0 m h z 频段内其复介电常数实部都 呈增大的趋势，这一现象有些异常。由于我们采用的是基于n i d s o n 、r o s s 与w c i r 等人 于二十世纪七十年代提出的n r w 传输反射法的复介电常数求解方法，该方法在计算复 介电常数值时，在墨幅值和相位角对较小的频率点处会产生较大的误差m t 3 5 】。同时实 验中采用了牛顿迭代法，该方法所求得的解并不是完全不依赖于猜测初值的解，所以也 会引入一部分误差，这些都导致了图6 7 中复介电常数实部值随频率增加的现象，这一 实验现象还出现在图6 a ，图5 9 ，图5 5 图中。对于复介电常数虚部值，如图6 8 所 示，则可以看出，随着频率的增加，复介电常数虚部呈下降趋势，在各个频率点处随着 c u 2 + 浓度的增加，复介电常数呈增大趋势，表现出了和图5 1 0 一样的性质，这说明对 于土壤和淀粉p v a 载体，吸附溶液对复介电常数虚部的影响具有一致的规律。 为了得到土壤复介电常数和白2 + 离子浓度之| 日j 的明确的规律，对图6 8 中的数据 分别在频率点4 0 1 7 m h z ，4 5 0 6 m h z ，4 9 9 5 m h z ，5 5 0 8 m h z ，5 9 9 7 m h z 处作复介 电常数虚部和c u “浓度的关系曲线图，得到如图6 9 ，6 1 0 ，6 1 1 ，6 1 2 ，6 1 3 所示数 据。 北京科技人学硕十学位论文 图6 94 0 l 7 m h z 土壤样品复介电常数虚部与c u 2 + 浓度关系曲线 图6 1 04 5 0 6 m h z 土壤样品复介电常数虚部与c u 2 + 浓度关系曲线 - 4 5 北京科技人学硕十学位论文 图6 1 14 9 9 5 m h z 土壤样品复介电常数虚部与c u2 + 浓度关系曲线 图6 1 25 5 0 8 m h z 土壤样品复介电常数虚部与国“浓度关系曲线 4 6 北京科技人学硕十学位论文 图6 1 35 9 9 7 m h z 土壤样品复介电常数虚部与仇2 + 浓度关系曲线 对各频率点处的数据进行二次多项式拟合，得到如表6 - 4 的关系式，表中c 为土 壤样品吸附溶液中c u 2 + 离子的浓度。 表6 _ 4 各频率点复介电常数虚部与浓度关系 频率( 2 次多项式拟合回归系数 4 0 1 7 占。= _ o 0 0 4 5 c2 + 0 4 9 4 5 c + 1 7 7 1 2 0 9 9 3 8 4 5 0 6s 。= 旬0 0 3 7 c2 + 0 4 3 0 1c + 1 6 5 7 3 o 9 9 5 0 4 9 9 5。= m 0 0 3 4 c2 + o 3 9 0 7 c + 1 5 4 5 5 0 9 9 3 8 5 5 0 8 s = 0 0 0 3 c2 + 0 3 7 1 1c + 1 5 9 2 5 o 9 9 2 0 5 9 9 7s 。= - o 0 0 2 9 c2 + 0 3 6 7 9 c + 1 6 5 9 7 0 9 9 1 3 从表6 - 4 中可以看出各频率点处的回归系数均大于0 9 9 ，对于土壤c h 2 + 离子污染 监测中，当测得土壤的复介电常数虚部在某一频率点处的值时，可以根据表6 4 中所示 的拟合公式计算出c u 2 + 离子浓度c ，从而做到快速的在线测量。 - 4 7 北京科技人学硕七学位论文 结论 本文用短路同轴线法测量了c u 2 + 离子溶液和吸附c u c i ，溶液土壤在含水率和溶液 离子浓度变化的情况下的端口反射参数s 分析了样品复介电常数值在4 0 0 7 0 0 m h z 频段内与含水率以及离子浓度之间的关系，得出如下结论： 1 以淀粉p v a 为载体的水的复介电常数测量中，含水率对其复介电常数的实部影 响较大，在频率由4 0 0 m h z 上升到7 0 0 m h z 的过程中，淀粉p v a 载体复介电常数实部 在5 0 0 - - 7 0 0 腻陇频段内趋于一个定值，这一定值随着含水率的增大而增大，对 4 0 i 7 8m h z 频率点处复介电常数实部和淀粉p v a 体积含水率之日j 的曲线作线性拟合， 线性回归系数为0 9 2 4 4 ，可以看出复介电常数实部随淀粉p v a 体积含水率的增大呈线 性增加。体积含水率由5 4 9 增至7 4 3 的过程中，复介电常数由6 增至1 6 。而复介电 常数虚部随频率增大呈下降趋势，在体积含水率由0 增至7 0 的过程中，复介电常数虚 部的波动范围为1 2 ，因此体积含水率在该频段内对复介电常数的虚部影响不大。 2 c u c i ，溶液复介电常数测量中，淀粉p v a 载体体积含水率保持为6 3 8 3 ，c u 2 + 离子浓度对淀粉p v a 复介电常数的虚部影响较大，随着频率的增大，吸附溶液c u 2 + 离 子浓度不同的淀粉p v a 其复介电常数虚部趋于不同的值，并随着离子浓度的升高而增 大。分别在5 0 2 9 8 m h z ，6 0 2 1 8m h z ，7 0 2 3 7 m h z 频率点上对复介电常数虚部和c u 2 + 离子浓度的关系进行对数拟合，其回归系数均大于0 9 9 ，复介电常数实部随离子浓度的 升高有所增大，但在5 ( x ) 7 0 0 m h z 频段内变化幅度不大。综合结论l ，可以得到，在对 地下土壤层进行污染监测时，可以将内置有吸附载体的同轴线埋入该土层，土壤析出液 通过渗透作用进入吸附载体中，测量端口反射参数墨，求得相应的复介电常数，根据 复介电常数实部的值确定土壤中的水分含量范围，由复介电常数虚部值确定土壤中的离 子浓度。利用事先建立的人工神经网络模型，即可实现对土壤污染类型及程度进行估计 和评测。 3 采样河北香河县的砂土作为土壤样本，测试了土壤复介电常数值与频率、含水率 之间的关系曲线，验证了基于p o l d e r - v a ns a n t e n d el o o t 公式的混合介质介电模型，以 及d o b s o n 等提出的经验土壤介电模型。在3 0 0 7 0 0 m h z 频段内，测试了密度为 1 7 8 9 9 c m 3 的土壤压制样品的介电常数，土壤复介电常数值在整个频段内保持在3 4 之间，没有明显的变化，复介电常数虚部保持在o 如5 范围内，对实验中出现的测量误 差给予了解释。 匕京科技人学硕十学位论文 4 在考虑实验误差的情况下测量了不同含水率的土壤压制样品的复介电常数值，密 度为1 7 8 9 9 c m 3 的土壤压制样品其复介电常数的实部随着土壤中水的体积分数的增加 而增大，分别在4 5 0 6 m h z ，4 7 5 1m h z ，5 0 1 9 m h z 频率点处对土壤含水率和复介电 常数实部之间的关系曲线进行线性拟合，各频率点的线性回归系数均大于0 9 9 ，可以得 到土壤复介电常数实部随体积含水率的增大呈线性关系增加。土壤复介电常数虚部则随 体积含水率增大没有明显的变化。在低含水率区域，复介电常数值随体积含水率增长趋 势较为缓慢，表明了土壤中自由水和结合水随着水分的增n - - 者的比例关系发生了变 化。 5 在土壤样品密度保持为1 7 8 9 9 c m 3 ，体积含水率保持为1 4 3 2 时，实验中得到 在各频率点处土壤样品复介电常数虚部随着 “离子浓度的增加而增大，在 4 0 1 7 m h z ，4 5 0 6 m h z ，4 9 9 5 m h z ，5 5 0 8 m h z ，5 9 9 7 m h z 频率点处对二者的变化 关系曲线进行二次多项式拟合，得到各频率点处的回归系数均大于0 9 9 。土壤复介电常 数虚部主要受到密度、温度、体积含水率、吸附溶液离子种类和浓度的影响，利用人工 神经网络建立土壤复介电常数和密度、温度、体积含水率、溶液离子种类、浓度的非线 性关系，在一定的条件下，当密度、温度、体积含水率一定时，土壤吸附溶液离子种类 和浓度的变化将直接表征为复介电常数的变化。利用人工神经网络模型，判断和识别土 壤吸附溶液离子种类和浓度。综上所述，在对地表土壤的污染监测中，在固定频率点处 测量土壤的复介电常数，根据复介电常数实部值得到土壤的含水率，由复介电常数虚部 值以实验中预先测量的经验公式推算土壤中c u “离子的浓度，能够预测土壤中重金属 离子的污染状况。 北京科技人学硕十学位论文 参考文献 1 1 l冯振华，用跃，尚秋林，许洪彦，邱宏，高频电磁波测量土水系统环保传感器的 设计与制造，北京科技大学学报，2 0 0 5 ，2 7 ( 5 ) ：6 1 3 - 6 1 6 1 2 j李建丽、李杰，田跃等，利用复介电常数和b p 人工神经网络进行环境监测的可 行性研究，污染防治技术，2 0 0 6 ，1 9 ( 2 ) ：3 - 6 1 3 l高拯民，土壤一植物系统污染生态研究【h q ，北京：中国科技出版社，1 9 8 6 1 4 l j y hs h e e n ，s t u d yo fm i c r o w a v ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e sm e a s u r e m e n t sb yv a r i o u s r e s o n a n c et e c h n i q u e s ，m e a s u r e m e n t , 2 0 0 5 ，3 7 ：1 2 3 1 3 0 【5 l j uh y u n gk 砖m y o u n gh a ko h , j u n b o u mp a r k , s e o c kh c o nl e e ，k y uh o n ga h n , d i e l e c t r i cd i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs a n dc o n t a m i n a t e db y h e a v ym e t a l 1 a n d f i l ll e a c h a t ea n d b t e x ( 0 2 1 0 4 b ) ，j o u r n a lo f h a z a r d o u sm a t e r i a l sb 1 0 5 。2 0 0 3 ：8 3 1 0 2 1 6 l j a m e sb a k e r - j a r v i s ，m i c h a e ld j a n e z i c ，j o h nh g r o s v e n o l - j r ，r i c h a r dg g e y e r , t r a n s m i s s i o n r e f l e c t i o na n ds h o r t c i r c u i tl i n em e t h o d sf o r m e a s u r i n gp e r m i t t i v i t y a n d p e r m e a b i l i t y , n a t i n s t s t a n d 1 k h ( u s ) ，1 9 9 3 ：6 6 - 7 3 1 7 1 s h a n gj q ，r o w ei l k ，u m a n a , j a a n ds c h o l t ej w ，ac o m p l e xp e r m i t t i v i t y m e a s u r e l n e n ts y s t e mf o ru n d i s t u r b e d c o m p a c t e ds o i i s , j o u m a lo fg e o t e c h n i c a lt e s t i n g , 1 9 9 9 ， a s t m , 2 2 ( 2 ) ：1 6 5 1 7 4 1 8 1 r o w er k ，s h a n gj q ，a n dx i ey ，c o m p l e xp e r m i t t i v i t ym e a s u r e m e n ts y s t e mf o r d e c e c t i n gs o i lc o n t a m i n a t i o n , c a n a d i a ng e o t e c h n i c a l ，j