粒径和流速对溶质运移的影响试验研究.docx

1、粒径和流速对溶质运移的影响试验研究袁金芹，周志芳（河海大学土木工程学院地质工程系，江苏南京210098）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;在相同的牲径的砂柱中以不同的流速进行溶质运移时,速度大、到达峰值的时间短，并且对应的峰值大，表明流速和粒径的大小对峰值的大小有影响。关键词：流速;粒径;峰值;溶质运移；试验中图分类号:P64文献标识码:B文章编号:10045716（2008）12016604进年来，由于工业、农业等迅速发展,导致

2、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越来越成熟，但影响溶质在多孔介质中运移因素有很多。主要在影响溶质在介质中运移的因素有很多，对于同一种介质不同粒径，在不同的条件下溶质运移的过程与规律是不一样的。主要是以亮蓝溶液为溶质,研究在不同粒径和流速下影响溶质运移的规律。1试验装置及试验材料1.1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Im、内径为1cm。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

3、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，采用紫外可见分光光度计测溶液的吸光度（Abs）,型号为UV26OOC上海尤尼柯），可以精确到检测到1X10-6g/L,而且不用考虑到温度对吸光度的影响。实验所用砂为GB178-1977标准石英砂,用方孔筛筛分，取了3个粒径的,分别为23mm、l2mm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。1.3标准曲线首先是配置亮蓝溶液的标准曲线，实验用

4、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士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：图2亮蓝溶液的吸光度的标准曲线1.2试验材料0.0450.040.0350.03安0.025食0.020.0150.010.

5、005时间(s)图3流速为0.162an/s三种粒径的穿透曲线0.0450.040.0350.030.0250.020.0150.010.0050图4流速为0.245an/y三种粒径的穿透曲线0200400600800时间（S）图50.5-lmm粒径的不同流速的穿透曲线1.4实验步骤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，用端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

6、3mL亮蓝溶液，同时记录注入溶液的时间，并观察溶质在砂柱的运移，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。1.4.1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转对应的流速为0.162cm/s和0.245cm/s。1.4.2在相同流速条件不同粒径的穿透曲线分析图3和4分别为流速为0.162cm/s和0.245cm/s不同粒径砂的穿透曲线。从图3和4中可以看出，为

7、不同流速情况下曲线均为单峰曲线，且不对称，近视呈的正态分布。同一流速时，三种砂径的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-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。1.4.3在相同粒径条件下不

8、同流速的穿透曲线分析图5、6和7分别是0.51mm粒径的不同流速的穿透曲线2mm粒径的不同流速的穿透曲线和23mm粒径的不同流速的穿透曲线。从图5、6、和7中也可以看出观察到曲线为单峰曲线，不对称分布，同一粒径不同流速的条件下，流速大的穿透时间短，流速小穿透时间时间长，同时流速大首先达到峰值。同一粒径的条件下，流速大，对应的峰值也大,流速小对应的峰值也小。同一粒径条件下，流速大时，曲线展布较窄,随着流速的减小曲线展布变宽。每个穿透曲线都有拖尾现象,随着流速的减小，拖尾延续的时间增加。时间(s)图6径的不同流速的穿透曲线图723mm粒径的不同流速的穿透曲线(2)(3)1.4.4影响穿透曲线的相关

9、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：3C夜d2Cac弥散度a与弥散系数D之间的关系式为：D=aXu式中:C浓度；IX 纵向弥散系数；u实际平均流速3t时间；X 距离；M溶质的质最。方程(1)对应的解析解为：C(Xa)=n?7eXp利用穿透曲线对三种粒径的砂的溶质运移参数进行拟和，经拟和溶质在不同粒径中运移的参数见表1。衰1不同粒径的溶质运移参教表粒径(mm)平均流速(cm/s)有效孔隙度n实际平均流速u(cm/s)纵向弥散度叫(cm)纵向弥散度系数IX0.510.1620.2840.5702

10、.9101.6590.2450.8632.511120.1620.3320.48S3.3301.6250.2450.7382.457230.1620.3540.4573.3501.5310.2450.6922.318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。在实际的不同粒径不同流速的穿透曲线图中，

11、粒径小的先穿透,而且粒径小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。在实际的相同粒径不同流速的穿透曲线中，流速大的先穿透，且穿透的时间短，峰值也大，这也和拟和的的结果一致,同一粒径中流速大的实际流速大,即穿透时间短，同时对流与弥散相比，对流为主要的运移方式，对应的峰值也大。2结论(】)

12、在相同流速条件下，亮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)在相同粒径条件下，亮蓝溶液以不同流速在砂柱中运移时,流速大的弥散系数大，对应的峰值也大，说明了流速是影响浓度的一个重要因素。参考文献:断层及其含导水性的直流电法勘察实例鲍广富(安徽省煤田地质局物探测量队，安徽宿州234000)摘要：江苏新光集团淮北刘东煤矿地质条件十分复杂，根据勘探奏料和，井资料，该井田主要含水层为：第四系含水层；二登系砂岩含水层；石炭系灰岩与奥陶系灰岩含水层，如果因构造使得砂岩与下伏灰岩水相通，其含水量十分丰富。为此，采用直流电阻率法对主要断层位置及其含导水性进行

13、勘查，对于提高矿井生产能力，防治彦井地质灾害具有重要意义。.简述了勘察方法及其地质效果。关键词：断层；含导水性；直流电法；实例中图分类号:P632文献标识码：B文章编号：10045716(2008)120169-03刘东煤矿位于安徽省淮北市西3km,地面标高+32m左右,区内沟渠纵横，村庄棋布，并有果园、砖窑、河流。主要河流为大庙河，属淮河水系，河面水宽一般30m左右。1地层矿区上部为新生界松散层所覆盖，据钻孔揭示，地层层序由下而上有奥陶系、石炭系、二叠系。二叠系为本区主要含煤地层。现简述如下：奥陶系中统老虎山组(Oa)该组厚3040m,一般厚34m。岩层为白云质灰岩、灰岩，中厚层状，细晶隐晶

14、质，浅灰青灰色，夹薄层泥质灰岩，含海绵骨针化石。与上覆本溪组假整合接触。石炭系上统本溪组(Gb)该组厚1535m,一般厚25m°岩层以灰黑紫红杂色泥岩、粉砂岩为主，夹两层灰岩，底部为含铁质粘土泥岩(G层铝土矿)。石炭系上统太原组(C”)该组厚65130m,一般厚85m,为一套海陆交互相沉积,岩性主要为含生物碎屑灰岩、泥岩、粉砂岩互层,局部夹薄层细砂岩。含生物碎屑灰岩共有1112层,其中顶部第一层灰岩全区稳定，视为标志层K1,作为与上覆山西组的分界线。1吴华山，陈效民，沃飞.陈玉川.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):1129-1133.2方塑,陈

15、效民，沃飞，吴华山.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,2007,7(5):16-20.3刘庆玲，徐绍辉.不同质地土壤中铜离子运移阻滞因子研究D1土壤学报，2005,42(6)：930-935.4朱学愚，谢春红.地下水运移模型M.中国建筑工业出版该组下部共含薄煤层34层，一般厚0.200.60m,与上覆山西组及下伏本溪组整合接触。二叠系下统山西组(PG该组厚70115m,一般厚85m左右。据岩性特征可分为上、下两段。(1) 下段：K】灰岩顶板至10煤层顶板，厚3070m,一般厚40m。主要为具脉状层理的细砂岩和前三角洲相的泥岩，富含虫孔等遗迹化石和植物碎片化石。含11.10两个煤层，11煤层为局部可采煤层，一般厚1.80-4.08m；10煤层为中厚稳定可采煤层,2.53.5m,平均3mo(2) 上段：10煤层顶板至的铝土泥岩底板厚4070m,一般厚45m,主要为三角洲相的细砂岩、粉砂岩及泥岩互层。含E煤组，厚00.24m,为分流河湾相沉积，煤层极不稳定。二叠系下统下石盒子组(RD为本区主要含煤地层，层厚125128m,含可采煤(7煤