离子交换行为对溶质运移影响作用的实验研究.pdf

第4 2卷 第4期2 0 2 3年 7月 地 质 科 技 通 报B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V o l.4 2 N o.4J u l.2 0 2 3史绪山,康鸿源,潘欢迎,等.离子交换行为对溶质运移影响作用的实验研究J.地质科技通报,2 0 2 3,4 2(4):1 6 2-1 6 9.S h i X u s h a n,K a n g H o n g y u a n,P a n H u a n y i n g,e t a l.E x p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e e f f e c t o f i o n e x c h a n g e o n s o l u t e t r a n s p o r t i n a s a n d y t a n kJ.B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 2(4):1 6 2-1 6 9.基金项目:国家自然科学基金项目(4 2 1 7 2 3 1 8)作者简介:史绪山(1 9 9 2),男,现正攻读水文地质学专业博士学位,主要从事水岩相互作用下地质灾害成因机制研究工作。E-m a i l:x u s h a n_s h i c u g.e d u.c n通信作者:潘欢迎(1 9 7 5),男,副教授,主要从事水文地质和环境地质领域的教学和科研工作。E-m a i l:p h y 7 51 6 3.c o m E d i t o r i a l O f f i c e o f B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y.T h i s i s a n o p e n a c c e s s a r t i c l e u n d e r t h e C C B Y-N C-N D l i c e n s e.离子交换行为对溶质运移影响作用的实验研究史绪山,康鸿源,潘欢迎,柴 波(中国地质大学(武汉)环境学院,武汉 4 3 0 0 7 8)摘 要:为研究河流阶地和洪积扇这类典型水力沉积单元污染物运移规律,搭建了大尺寸室内渗流槽开展溶质运移实验。通过点投放N a NO3溶液模拟点源污染物在水力沉积物中的运移过程,测定不同位置主要离子成分随时间的变化,用于分析离子交换过程对于溶质运移的影响及溶质迁移规律。结果表明:在运移过程中,NO2-3属于保守性离子,穿透曲线呈尖瘦形,N a+受阳离子交替吸附作用的显著影响,峰形陡升缓降;阳离子交替吸附作用降低了N a+的弥散度,离子交替吸附作用对弥散度的影响随着运移距离的增加愈加明显;运移初期高浓度N a+在砂层中能交换出相当数量的C a2+,M g2+,K+等离子;运移后期阳离子交替吸附反应方向改变,沉积砂层吸附水中的C a2+,M g2+,K+,穿透曲线存在3种阳离子低于背景值的情况;交替吸附作用使得对流-弥散作用下的N a+质量浓度穿透曲线形状更加宽缓,“拖尾”现象更为明显;渗流砂槽内不同区域的水化学类型在空间上产生了差异性。研究成果对于开展水力沉积单元地下水污染防治具有一定指导意义。关键词:溶质运移;阳离子交替吸附作用;浓度穿透曲线;对流-弥散作用2 0 2 1-1 1-0 8收稿;2 0 2 2-0 4-2 9修回;2 0 2 3-0 1-3 0接受中图分类号:P 6 4 1 文章编号:2 0 9 6-8 5 2 3(2 0 2 3)0 4-0 1 6 2-0 8d o i:1 0.1 9 5 0 9/j.c n k i.d z k q.t b 2 0 2 1 0 6 9 7 开放科学(资源服务)标识码(O S I D):E x p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e e f f e c t o f i o n e x c h a n g e o ns o l u t e t r a n s p o r t i n a s a n d y t a n kS h i X u s h a n1,K a n g H o n g y u a n1,P a n H u a n y i n g1,C h a i B o1(S c h o o l o f E n v i r o n m e n t a l S t u d i e s,C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s(Wu h a n),Wu h a n 4 3 0 0 7 8,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT o s t u d y t h e t r a n s p o r t o f p o l l u t a n t s i n t y p i c a l h y d r a u l i c s e d i m e n t a r y u n i t s s u c h a s r i v e r t e r r a c e s o r a l l u v i a l f a n s,s o l u t e t r a n s p o r t e x p e r i m e n t s w e r e c a r r i e d o u t i n a n i n d o o r s e e p a g e t a n k.M e t h o d sN a NO3 s o l u t i o n w e r e i n t r o d u c e d i n t o t h e t a n k t o s i m u l a t e t h e p o i n t-p o l l u t i o n i n h y d r a u l i c s e d i-m e n t s.B y m e a s u r i n g t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e m a i n i o n c o m p o n e n t s a t d i f f e r e n t p o s i t i o n s o v e r t i m e,t h e m i g r a t i o n l a w o f p o l l u t a n t s a n d t h e i o n e x c h a n g e p r o c e s s a r e a n a l y s e d.R e s u l t sT h e r e s u l t s s h o w t h a t NO2-3 i s a c o n s e r v a t i v e i o n,a n d i t s b r e a k t h r o u g h c u r v e(B T C)i s s h a r p a n d t h i n.T h e t r a n s p o r t b e h a v i o u r o f N a+i s s i g n i f i c a n t l y a f f e c t e d b y c a t i o n e x c h a n g e,i t s c o n c e n t r a t i o n r i s i n g s h a r p l y a n d d e c r e a s i n g s l o w l y.C a t i o n e x c h a n g e r e d u c e s t h e d i s p e r s i o n o f N a+,a n d t h e e f f e c t b e c o m e s m o r e o b v i o u s a s t h e d i s t a n c e i n-c r e a s e s.I n t h e e a r l y s t a g e,t h e h i g h c o n c e n t r a t i o n o f N a+c a n e x c h a n g e C a2+,M g2+,a n d K+i n t h e s a n d l a y e r.C a t i o n e x c h a n g e r e d u c e s t h e N a+d i s p e r s i o n c o n c e n t r a t i o n.D u e t o t h e a d s o r p t i o n b y s e d i m e n t,t h e c o n c e n t r a t i o n s o f C a2+,M g2+,a n d K+w i l l b e l o w e r i n t h e l a t e r s t a g e.T h e c h a n g e i n t h e r e a c t i o n d i r e c-第4期史绪山等:离子交换行为对溶质运移影响作用的实验研究t i o n o f c a t i o n e x c h a n g e m a k e s t h e B T C s o f N a+w i d e r a n d g e n t l e r u n d e r t h e a c t i o n o f a d v e c t i v e d i s p e r s i o n,a n d t h e p h e n o m e n o n o f t a i l i n g i s m o r e o b v i o u s.T h e w a t e r c h e m i s t r y t y p e s i n d i f f e r e n t a r e a s i n t h e s e e p-a g e s a n k h a v e d i f f e r e n t p r o p e r t i e s i n s p a c e.C o n c l u s i o nT h e r e s e a r c h r e s u l t s h a v e g u i d i n g s i g n i f i c a n c e f o r p r e v e n t i n g a n d c o n t r o l l i n g g r o u n d w a t e r p o l l u t i o n i n h y d r a u l i c s e d i m e n t a r y u n i t s.K e y w o r d s:s o l u t e t r a n s p o r t;c a t i o n e x c h a n g e a d s o r p t i o n;b r e a k t h r o u g h c u r v e;a d v e c t i v e d i s p e r s i v eR e c e i v e d:2 0 2 1-1 1-0 8;R e v i s e d:2 0 2 2-0 4-2 9;A c c e p t e d:2 0 2 3-0 1-3 0 土壤和地下水污染是影响人类健康的重要问题,该问题涉及污染物的迁移转化规律和水岩相互作用,因而受到广泛关注1。污染物迁移转化过程复杂,在对流-弥散作用的基础上,运移过程涉及到诸多反应,例如离子间的交换反应、重金属吸附、表面络合、氧化还原等。定量刻画污染物运移转化规律,主要通过野外监测、室内实验和数值模拟的手段开展。野外监测和原位测试基于真实的水文地质环境,但众多地质参数未知,且耗时较长2。室内实验边界条件明确,易于实现对于实验变量的控制,常用于研究特定水流系统条件下溶质运移规律3-5,但难以反映宏观结构和非均质性的影响。数值模拟更加容易实现对于某些条件的处理6-9,但大多数数值模拟方法无法涵盖溶质在运移过程中的全部行为7。全面定量地反映污染物的迁移转化规律需要将溶质运移过程和多组分水化学反应结合起来4。实际工作过程中,针对对流-弥散作用的处理已经相当成熟1 0,部分软件根据水文地球化学的反应机理来预测地下水的组分和质量的转移1 1。阳离子交替吸附反应作为最常见的水文地球化学过程,在地下水污染1 2、海水入侵1 3-1 4、土壤盐渍化1 5中扮演重要角色。当前的研究认为,比表面积和电荷常被认为离子交换吸附作用的重要影响因素1 6,黏土介质比表面积大,离子交换作用显著,多数研究集中在黏土介质或者以黏土介质开展相关实验1 7-1 9。而对于黏土含量低的砂层则认为阳离子交换作用不显著,常在室内实验或者数值模拟研究中忽略其影响。在实际工作中,B o r r o k等2 0通过野外试验和室内工作发现分散在含水砂层中的黏土离子交换反应会显著改变 注 入L o u i s i a n a沿 岸 沉 积 物 中 的 水 成 分。C e a z a n等2 1借助小规模示踪试验观察地下水污染羽中的NH4+和K+分布,结果表明,即使在黏土体积分数低于0.1%的情况下,阳离子交换过程也会显著影响NH4+和K+通过砂砾含水层的传输。室内砂箱实验穿透曲线出现的不对称性现象2 2,也极有可能是阳离子交替吸附作用造成的。因此,开展典型含水层中阳离子交换吸附作用研究,对于深入了解盐离子迁移转化以及水岩相互作用具有重要理论和实践意义,从而服务于地下水污染监测、海水入侵和区域水质异常的分析和预防。洪积扇和河流阶地作为人类生活居住的主要场所,地形平坦,地下水资源丰富,是发展城镇的首选地,也是水土污染的易发区和高风险区2 3-2 4。洪积扇和河流阶地由水流搬运堆积形成,具有砾石、砂、泥分层分带的结构特征2 3,受到不同物质性质的影响,地下水和岩土间阳离子交替吸附作用表现更为复杂2 5-2 6。同时,沉积结构直接影响了地下水储水和透水能力,也影响着污染物的运移转化能力2 7。本研究拟构建大尺度室内砂槽模型,针对饱和稳定流条件下盐溶液多种组分浓度变化和运移过程进行监测,开展在阳离子交替吸附作用影响下典型水力沉积单元内污染物运移规律研究,以期指导洪积扇和河流阶地人类生活居住区的污染防控。1 实验设计及测试方法1.1砂槽及沉积结构实验用砂槽的槽体长4 0 0 c m,宽1 0 0 c m,高1 0 0 c m,材质为0.5 c m厚的有机玻璃板,采用1 0 c m1 0 c m2.5 c m的T型槽钢搭建槽体支撑框架。沿着渗流槽长边方向划分3段,其中中段3 4 0 c m区域为填充段,模拟沉积单元的径流区,头尾2段各留有3 0 c m的非填充段,模拟补给区和排泄区。典型洪积扇沉积结构模型具有三段性特征,补给区多为渗透性较好的介质,径流区常含有一系列透镜体,排泄区位于地势较低处,表层常覆盖细粒黏土形成隔水层2 5。参考典型沉积单元布置砾石、中砂和黏土介质。各段之间选用带孔的塑料板分隔,透水孔孔径5 mm,孔密度1个/c m2,以保证水流通畅,塑料板靠近中段一侧贴有尼龙滤网充当反滤层,防止堵塞进水孔和出水孔(图1)。将典型水力沉积单元所具有的“上黏下泥,局部砾石透镜体”结构进行概化,概化后的分层几何尺寸及各层物理性质参数见表1。在渗流槽内布置9个监测孔,用于污染物的投放和取样,监测孔的布设参数及示意图见表2和图2,根据布设情况,1,2,3,6,9号监测孔处于砂槽的中心线上,4,5,7,8位于中心线两侧,其中5号监测孔位于砾石层中,其余监测孔均位于中砂层中。361h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 a.实物图;b.模型示意图;c.定水头装置;d.溶质投放装置;e.取样装置图1 渗流槽系统物理模型F i g.1 P h y s i c a l m o d e l o f t h e s e e p a g e t a n k表1 渗流槽填充介质设计参数T a b l e 1 D e s i g n p a r a m e t e r s o f t h e f i l l i n g m e d i u m o f t h e s e e p a g e t a n k填充介质几何参数物理参数长/c m宽/c m高/c m容重/(k gm-3)孔隙度/%渗透系数/(ms-1)矿物组成黏土1 5 01 0 04 01 8 3 05 81 0-7高岭石、蒙脱石中砂3 4 01 0 06 09 02 4 6 04 41 0-4石英、长石砾石1 0 01 0 02 02 6 5 02 821 0-4石英、云母表2 监测孔布设位置坐标T a b l e 2 C o o r d i n a t e s o f t h e m o n i t o r i n g h o l e s l o c a t i o n s监测孔编号123456789x/c m2 05 08 01 2 0 1 2 0 1 5 0 2 5 0 2 5 0 3 0 0y/c m5 05 05 07 52 55 07 52 55 0z/c m5 05 05 05 07 55 07 57 57 5 注:以模拟槽前端顶部近视点为坐标原点(见图2),长度单位为c m1.2实验流程及测试方法调整砂槽补给区和排泄区溢流水箱分别至0.9 m和0.6 m,通入自来水,形成稳定水流场。通过各监测孔获取水样,得到砂槽内各监测孔位的阳离子浓度背景值。待水流场和水化学场稳定后,利用蠕动泵在1号 孔 注 入 质 量 浓 度 为5 0 0 0 m g/L的N a NO3溶液,蠕动泵转速为2 0 0 r/m i n、流量为2 0 L/h,持续投放0.5 h,共注入N a NO3溶液1 0 L,整图2 监测孔布设位置示意图(19为监测孔)F i g.2 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e l o c a t i o n o f t h e m o-n i t o r i n g h o l e s个投放过程无溶液从1号孔溢出。各监测孔中布设电导率传感器,监测各孔电导率变化过程。从投放开始计时,平均每隔1 h对29号孔取样,在监测孔位电导率值开始变化的初期或变化程度较大时,461 第4期史绪山等:离子交换行为对溶质运移影响作用的实验研究增加取样频率,反之则减少取样频率。实验开始2 5 h后,各监测孔的电导率值接近背景值,结束实验。监测孔采集水样中,N a+,C a2+,K+,M g2+为主要阳离子,NO2-3,C l-,S O2-4为主要阴离子,受取样量限制(为减少对于稳定水流场的扰动,单次取样量约为1 0 m L),无法测定HC O-3的含量。监测孔所取水样由中国地质大学(武汉)环境学院实验教学中心测定,NO2-3,C l-,S O2-4等 阴 离 子 采 用 离 子 色 谱 仪(D i o n e x I C S-1 1 0 0)测定,N a+,C a2+,K+,M g2+等阳离子由电感耦合等离子体原子发射光谱仪(A g i-l e n t 5 1 1 0 I C P-O E S)测定。采用标准样、平行样等手段进行质量控制,以保证数据的准确度。2 实验结果2.1阴离子浓度随时间的变化曲线背景样测试结果显示,NO2-3,C l-,S O2-4的背景含量为3 6.1 2,2 3.4 9,3 4.2 2 m g/L。投放过程C l-,S O2-4质量浓度无明显波动,只有投放的NO2-3质量浓度发生了改变,NO2-3作为保守性溶质,没有与其他离子发生交换吸附作用,仅在对流-弥散作用下发生浓度变化(图3)。2,3,7,8,9号监测孔都观察到了明显的NO2-3质量浓度穿透曲线,靠近1号投放孔的监测孔穿透曲线峰型对称性好,越远离投放孔不对称性越显著。起峰过程中质量浓度迅速上升,峰后浓度快速衰减,整体呈现出陡升陡降、尖瘦形的特征。4,6号监测孔NO2-3质量浓度变化较小,出现较小的NO2-3质量浓度穿透曲线,5号监测孔未能形成有效的穿透曲线。2.2阳离子浓度随时间的变化曲线阳离子N a+,C a2+,K+,M g2+的平均背景值分别为1 5.3 9,5 1.6 4,3.1 0,9.7 1 m g/L。投放过程4,5,6号监测孔没有观测到明显的阳离子浓度波动,其余各监测孔不仅投放溶质N a+形成了穿透曲线,其他阳离子呈现出显著的穿透曲线,主要阳离子也出现了明显的穿透曲线,且具有不同的形态(图4)。图3 阴离子质量浓度穿透曲线(分图中左上角编号分别对应图2中的29号监测孔)F i g.3 C o n c e n t r a t i o n b r e a k t h r o u g h c u r v e o f a n i o n图4 阳离子质量浓度穿透曲线(分图中左上角编号同上)F i g.4 C o n c e n t r a t i o n b r e a k t h r o u g h c u r v e o f c a t i o n561h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 N a+的穿透曲线是相对标准的不对称单峰曲线。靠近1号投放孔的2,3号监测孔,峰值前浓度上升迅速,峰后呈现为“快速下降缓慢下降”的两段趋势,3号监测孔在实验结束时N a+质量浓度4 6.0 6 m g/L仍高于背景值。远离投放孔的9号监测孔相对2,3号监测孔呈现宽缓的单峰穿透曲线,投放点主流线两侧的7,8号监测孔能够监测到完整的单峰穿透曲线,且峰值前后较为对称。在2,3,7,8,9号监测孔同样监测到C a2+,K+,M g2+穿透曲线。相比N a+的穿透曲线,C a2+,K+,M g2+穿 透 曲 线 陡 升 陡 降,其 峰 值 出 现 的 时 间 比N a+早,且无峰值后缓降的第二段曲线。在投放点主流线上布置的2,3,9号监测孔,穿透曲线下降段均出现了低于背景值现象(2号监测孔在5 h处测到的C a2+,K+,M g2+浓度分别为0.6 9,0.8 5,0.0 9 m g/L),下降至谷值后缓慢上升恢复至背景值。3 分析与讨论3.1沉积结构渗透系数对于对流-弥散作用的影响污染物示踪剂的阴阳离子穿透曲线存在显著差异,阳离子N a+在运移过程中受到了对流-弥散作用和 阳 离 子 交 替 吸 附 作 用 的 双 重 影 响,阴 离 子NO2-3则仅表现为对流-弥散作用。NO2-3作为保守性溶质,对于砂槽中对流-弥散作用具有很好的指示意义。据图3可知,以点投放的结果,4,5,6号孔都可看做是在污染晕的边缘处,甚至5号孔在砂砾层快速水流条件下,无完整的穿透曲线。也就意味着,污染物初始阶段沿水流快速迁移,侧向弥散范围有限。在受到黏土阻滞的位置,流线发生变化,即便在与1号投放孔位于流向上的6号孔,也处于污染晕的边缘部分。7,8号孔浓度穿透曲线总体上对称,侧向弥散作用已使污染物浓度明显降低。3.2交替吸附作用对污染物弥散的影响砂槽1号孔至3号孔间介质均匀各向同性,稳定流条件下流线近乎水平,污染物运移过程可概化为二维水动力弥散问题,根据补给和边界条件其定解条件2 8为:C(x,y,t)=mH/H4 DLDTte-(x-v t)24DLt+y24DTt (1)式中:C为溶液浓度(m g/L);x,y分别为水流方向和垂直水流方向 的距离(m);t为 溶质运移时 间(h);mH表示厚度为H的线源瞬时注入示踪剂的质量(m g);H为含水层的厚度(m);为含水层介质孔隙度;DL和DT分别为水流方向和垂直水流方向的弥散系数(m2/h);v为水的实际流速(m/h)。对于式(1)求一阶导数,得到:C(x,y,t)=-mH/H4 t2DLDTt x2-v2t24DLt+y24DTt-1 e(x-v t)24DLt+y24DTt (2)令C=0,即浓度达到峰值,对应时间t为到达峰值时间tm,则有x2-u2t2m4DLtm+y24DTt-1=0(3)化简式(3),可得水流方向DL的解DL=x2-v2t2m4tm(4)通过式(4),对2,3号监测孔的弥散度进行计算,计算结果见表3。根据保守性溶质NO2-3来看,弥散度本身随着运移距离的增大而增大。由于离子交替吸附作用的存在,N a+的弥散度比NO32的偏小。计算各监测孔穿透曲线阳离子峰值和阴离子峰值的时间差,计算阳离子峰值的延迟时间可知,随着污染物运移距离增加,监测孔阳离子峰值较阴离子峰值的延迟时间增加,其延迟时间和到达时间的比从0.5 7%增加到2 5.7 1%(表4),离子交替吸附作用对弥散度的影响随着运移距离增加而愈加明显。此外,在4,5,6号监测孔只出现了NO2-3的穿透曲线而N a+质量浓度未出现变化,说明交替吸附作用削弱了阳离子横向弥散度。鉴于此,在开展相关工作或研究时,在横向上N a+受到阳离子交换作用的影响,扩散范围显著减小,可在横向小范围内通过加密监测孔的方法,探知离子的运动情况。表3 2,3号监测孔N a+和NO2-3的弥散度计算结果T a b l e 3 C a l c u l a t i o n r e s u l t s o f t h e d i s p e r s i o n o f N a+a n d NO2-3 i n t h e N o.2 a n d N o.3 m o n i t o r i n g h o l e s离子成分x/mtm/h实际流速v/(mh-1)弥散系数DL/(m2h-1)弥散度/mN a+0.30.61.7 63.5 60.10.0 0 8 3 8 40.0 1 6 3 8 10.0 8 3 8 4 10.1 6 3 8 0 9NO2-30.30.61.7 53.3 60.10.0 0 8 4 8 20.0 1 8 3 8 40.0 8 4 8 2 10.1 8 3 8 4 73.3交替吸附作用对于水化学成分的影响C a2+,K+,M g2+作为非投放成分,超过背景值的部分均为N a+阳离子交替吸附作用的产物。阳离子交替吸附作用可以表示为2 9-3 0:C a t i o nn+n X-C a t i o n-Xn(5)k=C a t i o n-XnC a t i o nn+X-n(6)式中:k为反应平衡常数;X为介质中的吸附剂;C a t i o nn+某种n价阳离子;X-为介质中的吸附剂;661 第4期史绪山等:离子交换行为对溶质运移影响作用的实验研究C a t i o n-Xn为被吸附在吸附剂表面的阳离子;为组分的活度(m o l/L)。砂槽中溶质浓度变化,不同情况下式(6)中的k值不同,使得式(5)向不同的方向进行。把图4中C a2+,K+,M g2+质量浓度减掉背景值,依据式(5)可以得到N a+的交换量,以浓度表达为N a+的转换浓度;N a+实际浓度与转换浓度加和记为N a+虚拟浓度。图5显示了N a+转换浓度存在正反两个变化过程,其绿色部分,N a+转换浓度为正值,监测孔附近高浓 度 的N a+可 置 换 实 验 砂 层 的C a2+,K+,M g2+离子;红色部分,N a+转换浓度为负值,N a+浓度逐步衰 减,交替吸 附作用向反方 向,水中的C a2+,K+,M g2+置换实验砂层的N a+离子,直至实验砂槽内介质表面达到新的阳离子平衡状态。表4 交替吸附作用对到达峰值时间的影响T a b l e 4 E f f e c t o f c a t i o n e x c h a n g e a d s o r p t i o n o n t h e p e a k t i m e监测孔编号2346789到达峰值时间tm/hNO2-3N a+1.7 51.7 63.3 63.5 65.5 05.5 07.5 08.7 58.0 09.0 08.7 51 1.0 0延迟时间td e l a y/h0.0 10.2 01.2 51.0 02.2 5延迟时间比r/%0.5 75.9 51 6.6 71 2.5 02 5.7 1 注:延迟时间比r=td e l a ytm(NO2-3)1 0 0%图5 交替吸附作用对N a+质量浓度的影响F i g.5 E f f e c t o f c a t i o n e x c h a n g e a d s o r p t i o n o n t h e c o n c e n t r a t i o n o f N a+随着污染物运移距离的增加,转换浓度绿色和红色区域的占比存在明显差异。初始阶段2,3监测孔,N a+质量浓度高,短时间内大量C a2+等被交换N a+出来,正向过程的绿色段相对较短;而N a+浓度下降后的红色反向交换过程则持续时间较长。污染物投放点主流线之上的9号监测孔仅有小段反向交换,而两侧的7,8号监测孔,不存在红色区域,该区域受到黏土层阻隔,过水断面变窄,水流速度加快,且离子间质量浓度相对低,没有C a2+等能用来交换实验砂层颗粒中的N a+,绿色区域的C a2+等离子由砂槽前部反应后通过对流-弥散作用运移而来。7,8,9号监测孔位于的砂槽末端N a+虚拟浓度线长期处于实际浓度线之上,表明C a2+质量浓度长时间高于N a+质量浓度。通过对比N a+虚-实浓度的穿透曲线,可以看出阳离子交替吸附作用显著削弱了N a+穿透曲线的峰值,并推迟了峰值到达时间,使得峰形更加宽缓,并使得“拖尾”现象愈加明显。这种现象说明当高浓度N a+通过砂层时,大量N a+在阳离子交换吸附作用下被“固定”下来,并随着水流的不断更新而缓慢释放,主要流向上地下水的化学成分将会长期地偏离天然状态下的水化学组成。761h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 4 结 论(1)室内渗流槽N a NO3溶液投放实验过程中,阴阳离子浓度穿透曲线呈现明显的不一致性。保守性溶质组分NO2-3穿透曲线峰形呈尖瘦形,对称性较好;N a+浓度穿透曲线呈现出较为明显的不对称性,陡升缓降,“拖尾”现象较为明显。阳离子交替吸附作用显著,作为非投放组分的C a2+,K+,M g2+同样出现了明显的浓度穿透曲线,而且存在着峰值和谷值。(2)阳离子交替吸附作用的存在削弱了N a+的横向和纵向弥散度,同仅仅受对流-弥散作用影响的NO2-3相比,较小的弥散度使得N a+在横向上的影响范围变小,对流-弥散的范围更加聚拢。同时,在阳离子交替吸附作用和对流-弥散作用的共同影响下使得主要流动方向上地下水的水化学类型发生了明显而长期改变。(3)对于中砂等类似不具备大量黏粒结构的含水介质,N a+不能简单地视为保守性溶质,有必要充分考虑阳离子交替吸附作用的影响,通过求取阳离子交换容量等参数,开展相关含水层的数值模拟或者计算工作,从而更加贴合野外的实际情况。(所有作者声明不存在利益冲突)参考文献:1 R a m o s T B,i m uon e k J,G o n a l v e s M C,e t a l.F i e l d e v a l u a t i o n o f a m u l t i c o m p o n e n t s o l u t e t r a n s p o r t m o d e l i n s o i l s i r r i g a t e d w i t h s a l i n e w a t e r sJ.J o u r n a l o f H y d r o l o g y,2 0 1 1,4 0 7(1):1 2 9-1 4 4.2 Z h o u J,S u X,L i a n g C,e t a l.E x p e r i m e n t a l a n d n u m e r i c a l i n v e s-t i g a t i o n s o f t h e e f f e c t o f i m b r i c a t e d g r a v e l s t r u c t u r e s o n f l o w a n d s o l u t e t r a n s p o r t i n a h i g h l y h e t e r o g e n e o u s a l l u v i a l-p r o l u v i-a l f a n a q u i f e r,SW C h i n aJ.E n v i r o n m e n t a l F l u i d M e c h a n i c s,2 0 2 1,2 1(1):1 1-3 8.3 S w a m i D,S h a r m a A,S h a r m a P K,e t a l.P r e d i c t i n g s u i t a b i l i t y o f d i f f e r e n t s c a l e-d e p e n d e n t d i s p e r s i v i t i e s f o r r e a c t i v e s o l u t e t r a n s p o r t t h r o u g h s t r a t i f i e d p o r o u s m e d i aJ.J o u r n a l o f R o c k M e c h a n i c s a n d G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g,2 0 1 6,8(6):9 2 1-9 2 7.4 胡海珠,毛晓敏,王铄.多组分离子交换吸附反应-运移的土柱试验及模拟J.水文地质工程地质,2 0 1 0,3 7(4):8 1-8 6.H u H Z,M a o X M,W a n g S.C o l u m n e x p e r i m e n t a n d s i m u l a-t i o n o n m u t i-s p e c i e s c a t i o n e x c h a n g e r e a c t i v e t r a n s p o r tJ.H y d r o g e o l o g y&E n g i n e e r i n g G e o 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