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AZ-ES200原位滲漏污染遷移過程觀測系統

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1 引言

城市和農業面源和點源污染物在水土環境中的遷移規律是環境污染治理與修復的基礎,也是探尋地下水滲漏污染的關鍵。污染物在包氣帶土壤中的遷移與土壤粒徑、粒形、土壤導水性、導氣性等多種因素相關,在野外原位環境下,實時觀測污染物在包氣帶中的運移成為環境污染、礦區復墾、地質水文環境、農田水肥管理、森林生態、濕地生態、水域生態學等研究中越來越必不可少的工作。

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2 觀測系統設計

2.1 目標

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傳統的污染物監測和調查多采用野外采樣、實驗室分析的方法,這樣方法耗時長,且是破壞性測量,無法在原來采樣點重復監測。特別是對于水溶性污染物無法了解污染物運移的動力學參數。在野外環境,無損監測污染物的遷移過程稱為科研人員的理想工具。

AZ-ES200原位滲漏污染遷移過程觀測系統在室外、模擬田間條件下,依靠重力作用或負壓汲取土柱剖面不同層次的滲漏水,測定目標養分離子或污染離子的動態變化,探明離子的下淋量及其規律,同時監測土柱不同深度的土壤水分,水勢、電導率和降雨等環境因子,監測相關土壤化學性質及驅動因子的動態變化,為養分或污染物擴散提供有用的科學參數。該系統不僅提供觀測的水土環境與野外或大田一致,確保污染物的遷移動力與野外一致,而且能實時監測污染物遷移過程的動力學參數,使得到的養分或污染物運移模型更具準確性、靈活性和通用性。

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2.2 觀測點布設

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在評價場地有代表性的包氣帶地層中用不銹鋼罐體取1平米截面、高1-2米的原狀土柱。將載有土柱的罐體吊裝、安置在觀測點,土柱與地表齊平。根據研究需要可在罐體內種植作物,多用于農田氮磷元素遷移研究;也可作裸地狀況。

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若滲漏污染物的運移主要來自水載體,可建造大型地下室,將多個罐體置于一個地下室內;若側重研究污染物在土壤中的化學、生物反應,每個罐體采用筒埋式放入地下,維護井置于中心位置,如圖。

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在罐體底部安裝稱重系統。在罐體內安裝土壤水分、溫度、水勢傳感器和土壤滲漏水取樣器。

在土柱底部安裝水勢控制單元,包括水勢控制部件、水泵及控制器。這個水勢控制單元確保土柱底部的水勢時刻與野外或大田保持一致,從而確保柱體內滲漏水流特性與大田一致,同時該單元還能收集土柱底部的重力滲漏水。

在距離罐體10m內的地面上安裝氣象傳感器,用于監測、記錄滲漏污染遷移的環境因子變化。

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2.3 采樣頻率

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罐體的重量每1min測量、記錄一次;土壤水分、水勢、溫度、氣象參數每10min測量一次。滲漏水控制器根據實測的土壤水勢,施加恒定的負壓汲取滲漏水。滲漏水離子濃度的測量在離子分析儀上自動完成。

柱體底部的水勢控制單元根據柱體內和大田的水勢差,確定從罐體汲取或補充水,汲取或補充的水量每1min測量、記錄一次。

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2.4 觀測指標

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滲漏水量、滲漏水離子濃度、滲漏物質量、土壤水分、水勢、電導率、降雨、空氣溫濕度、總輻射。

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2.5 觀測系統組成

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AZ-ES200原位滲漏污染遷移過程觀測系統由原狀土柱、稱重單元、水勢控制單元、土壤多參數傳感器、降雨、離子分析儀等部件組成,實時監測滲漏水污染物遷移的時空變化。

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3 數據處理

3.1 氮沉降

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從AZ-ES200原位滲漏污染遷移過程觀測系統采集的罐體重量數據,根據如下水量平衡和物質平衡公式,可得到蒸散量和大氣沉降量。

水量平衡公式: (P + Ir) - (I+ET + Sw) = ΔS (1)

物質平衡公式:Dep + F - V - L = ΔM (2)

公式(1)中Ir 是灌溉量,P 是降水 (總量l), I 是截流, Sw 是滲漏水, 單位時間重量的變化代表蒸散量ET。

公式(2)中,Dep 是大氣沉降量,F 是施肥量,L 是滲濾液,V 植被損耗,單位時間重量的變化代表大氣沉降量。

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3.2 淋濾實驗

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通過控制柱體底部水勢,可加速或有效控制淋濾實驗中添加物的垂直遷移速度。模擬不同土壤干濕條件或不同降雨強度下,污染物的入滲、擴散基礎數據。

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3.3 建模

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AZ-ES200原位滲漏污染遷移過程觀測系統的數據可修訂、發展對流—彌散模型、傳輸—化學平衡模型和傳遞函數模型。同時,對于研究包氣帶土壤氣相對易揮發性元素的遷移,如銨態氮提供了空間。通過提供土壤剖面含水量的變化,也對研究包氣帶不流動水對溶質運移的影響提供了可能。

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4 應用案例

4.1土壤水氮磷引起的農業非點源污染研究

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探測施入土壤中的廄肥,城市垃圾,污泥,氮磷鉀化肥,石灰物質以及其它農化物質中的成分離子的去向(土壤殘留,淋失,徑流沖失)及可能污染。

如日本在甘藍上研究,測知施入氮有20-40%滲漏損失,并確認降水量是肥料氮淋失最主要的影響因子。

美國的研究發現,氮肥的淋失與土壤類型(吸收性能),作物覆蓋程度,氮肥施用方法有密切關系,并確認施加綠肥,廄肥,三葉草等有機物可以減少化肥氮的淋溶損失。

德國的研究還證實,使用硝化抑制劑可明顯減少施入氮的NO3-N淋失,并確認不同氮素形態的淋失率是NO3-N>NO2-N>NH4-N。

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4.2 污水、污染物排放控制標準

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模擬污水或污染物的滲入過程,研究污染物在包氣帶中的吸附、轉化、自凈機制,確定包氣帶的防護能力

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