黄原胶在含水层的迁移特性及对KMnO4迁移的影响

向地下水注入化学药剂进行修复时,药剂迁移主要集中在渗透性相对较高的区域,致使低渗透区内的污染物无法有效去除。通过注入聚合物（黄原胶）对地下水进行黏度控制,可以有效提高修复药剂在低渗透区的迁移能力,从而提高修复效果。黏性流体在地层中的迁移特性是该技术应用的理论基础,因此本研究运用一维模拟柱实验分析了含水层介质对黄原胶流体的阻滞作用,黄原胶注入前后介质的压力及渗透系数的变化以及黄原胶与修复药剂KMnO4迁移同步性。实验结果表明:当黄原胶溶液注入到介质后,介质对黄原胶的阻滞导致其有效孔隙度减小,因此会在一定程度上加速后续注入溶液溶质的运移,且介质渗透系数越小,对黄原胶阻滞作用越明显;黄原胶注入导致含水层渗透性降低,流体运移阻力增加,特别是在细砂和粉砂介质中,渗透系数都降低了一个数量级;虽然黄原胶和KMnO4在迁移锋面存在一定差异,但经过2 h后迁移速率基本相同,具有较好的同步性。     

冻结作用下考虑补水层影响的水分迁移试验

冻融协同淋洗修复污染土壤的过程中,为了提高淋洗效率,须使土体在冻结过程中吸收更多的水分或淋洗液。因此,通过室内大尺寸单向冻结水分迁移试验,开展了开放系统下温度梯度、冻结速率及补水方式对水分迁移的影响研究。试验结果表明：冻结过程中土中水分迁移与温度梯度的变化速率有关,变化速率越大水分迁移量越大;可以通过边界温度控制冻结锋面推移速度进而影响土中水分的迁移,当冻结锋面推移速度为0.5 cm·d^-1左右时,补水速率最大;距离冻结锋面越近水分迁移量越大,当距离冻结锋面10 cm左右时,水分迁移量开始增大,可通过在土体中添加多层补水层的方式让土体吸收更多的水分;有外界水源的补给下土体含水量整体增加,但上层土体含水量增加较多,下层土体含水量增加较少。     

多孔介质界面对重非水相液体迁移过程影响的图像法研究

重非水相液体(dense nonaqueous phase liquid,DNAPL)污染土壤和地下水的问题已引起广泛关注,研究其在不同粒径多孔介质及其界面的运移特征形态是确定污染区域、修复治理土壤和地下水环境的前提。文章通过室内试验研究多孔介质界面对DNAPL运移与分布特性的影响。首先在二维砂槽上进行DNAPL污染物的入渗试验,试验过程中用数码相机拍照,将DNAPL扩散过程以图像的形式记录下来;然后用AutoCAD对图片进行处理,绘制出DNAPL迁移过程的锋面变化图。结果表明:DNAPL入渗过程中,迁移主要受到重力作用与毛细作用的控制,毛细作用力随着介质粒径的增大逐层减小,重力作用逐渐起主导作用使污染物入渗速度逐层增大;介质结构影响DNAPL的迁移形态,介质粒径逐层增大,DNAPL污染物的渗流面与指进扩散宽度逐层减小,扩散方式由面状变为指状;在不同粒径介质界面介质结构发生突变时,DNAPL迁移锋面线曲率也相应变大,此时DNAPL的迁移呈现“凸”型特征,另外,不同的界面横向扩散的滞留宽度不同,随着介质粒径的增大,界面的横向扩散宽度相对变短。     

黄原胶改性微米铁修复地下水中Cr(Ⅵ)污染的试验

为了解决微米铁的重力沉降问题,提高微米铁修复地下水Cr（Ⅵ）污染的原位修复效果,本文利用黄原胶对微米铁进行改性,并通过沉降实验探究改性微米铁浆液的稳定性,同时选择Cr（Ⅵ）作为目标污染物,探究黄原胶改性微米铁去除地下水Cr（Ⅵ）污染的降解能力。实验结果显示：当黄原胶的投加质量浓度分别为0.0、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、6.0 g/L时,改性微米铁浆液的悬浮稳定性逐渐得到加强,在5 h沉降实验结束时,对应的相对分光光度值分别为0.05、0.25、0.46、0.57、0.65、0.73和0.87;黄原胶具有抑制微米铁吸附Cr（Ⅵ）的能力,其可促进Cr（Ⅵ）的还原,提高Cr（Ⅵ）的去除率;随着黄原胶投加质量浓度的增加,对应的Cr（Ⅵ）去除率分别为33.4%、41.2%、47.4%、51.1%、53.0%、63.9%和64.1%;6.0 g/L黄原胶改性的微米铁浆液具有最佳的悬浮稳定性,黄原胶的投加提高了微米铁的反应活性,但当黄原胶投加质量浓度超过3.0 g/L时,其对Cr（Ⅵ）的去除率没有显著提高;黄原胶投加质量浓度越大,黄原胶的缓冲作用就越明显。     

多孔介质中热蒸汽的迁移特性及其修复氯苯污染土壤的效果

蒸汽注射法是一种新近发展起来并对包气带非水相液体（NAPLs）污染修复具有较好应用前景的修复方法。为了探讨热蒸汽在非饱和多孔介质中的运移特征和蒸汽注射技术修复氯苯污染土壤的效果,本文通过一维模拟柱分别开展了热蒸汽在多孔介质中的迁移规律实验和蒸汽注射修复氯苯实验。研究表明：模拟柱中给定点处温度随时间变化可分为环境温度段、升温段和饱和蒸汽温度段3个阶段,随着温度锋面向下迁移,其迁移速度逐渐减小;模拟柱中的压力分布在蒸汽覆盖区域且空间分布呈线性规律,给定点处的压力随时间先增加后趋于平稳;实验结束后测得的水饱和度随蒸汽迁移距离的增加逐渐增加。在注入蒸汽质量流量为0.3 kg/h和氯苯初始质量分数为56.8 mg/kg的条件下,热蒸汽修复细砂中氯苯3.5 h后去除率达98.0%。模拟柱底部因蒸汽冷凝水达到饱和而产生出流液,出流10 min时出流液中氯苯最大质量浓度达到152.98 mg/L,70 min后出流液中氯苯质量浓度低于7.00 mg/L;介质中氯苯质量分数随距离的增加而增加,最大残留量为0.36 mg/kg。蒸汽注射法有效地改善了SVE（土壤气相抽提）法"拖尾"现象。     

3种生物聚合物改良粉土的持水特性研究

针对黄河流域水土流失防治,以往多采用水泥等灰色材料进行加固筑堤,但生态环境破坏严重。为响应黄河流域生态保护和高质量发展的国家战略,采用环境友好的生物聚合物对黄河流域典型粉土进行改良,通过WP4C仪测量生物聚合物改良粉土的持水特性,并从微观角度分析了生物聚合物改良粉土持水特性的机制。研究结果表明,与未改良土相比,生物聚合物改良粉土饱和含水率增大,孔隙比增大,持水能力显著提高。黄原胶、结冷胶、瓜尔胶改良粉土的持水能力均随着掺量的增加而增加,结冷胶改良的效果优于黄原胶、瓜尔胶。其机制为生物聚合物颗粒经过水合作用形成水凝胶,填充颗粒间孔隙,增加颗粒之间的黏结性。而且黄原胶、结冷胶改良粉土中形成类似蜂巢结构的孔隙空间,为其提供储水空间,进而提高改良土的持水特性。上述研究结果可为生物聚合物安全、科学地应用于黄河流域水土流失的防治提供科学依据。     

含水层和土壤的随机特征对水分运动的影响

将土壤或含水层的介质参数视为随机分布,建立了饱和非饱和水流运动的随机微分方程,利用随机数值求解方法,得到各种随机参数对水头分布和含水量空间变异性的影响。分析结果表明,随着渗透系数空间变异性和相关尺度的增大,含水层水头分布的变异性增大;对于区域内有抽水井分布的问题,在井点附近区域,z向水流速度空间变异性大,而在井点处变异性较小。当采用Gardner-Russo模型描述非饱和水分特征时,其非饱和土壤介质参数α的变异性对土壤负压和含水量变异性的影响大于饱和渗透系数,土壤含水量越小,含水量的空间变异性越大。初步讨论了根据随机数值方法研究地下水运动问题的可靠性分析方法。     

淋洗剂乙二胺四乙酸对重金属污染土工程特性的影响

以重金属铅（Pb2+）污染土和淋洗剂乙二胺四乙酸（EDTA）为研究对象,通过批次试验研究了不同浓度EDTA的淋洗对Pb2+污染土的渗透特性、持水特性、压缩特性、抗剪强度等工程特性的影响,为淋洗修复后土壤的二次利用提供参数支持。基于矿物成分、孔隙结构等微观试验,揭示了土壤工程特性变化的内在机制。研究结果表明,当淋洗剂EDTA浓度从0增加到0.15 mol/L,经淋洗修复后的污染土壤pH值从7.94下降到5.12,渗透系数降低超过一个数量级,黏聚力降低50%以上,而内摩擦角增大,持水性能提高,孔隙比从0.81下降到了0.76。微观试验的结果表明,随着淋洗剂浓度的增大,土壤中的蒙脱石、钠长石和伊利石矿物含量减少,石英矿物含量增加,其中蒙脱石含量从7.87%下降到了0.07%,而石英矿物含量增加了11.09%;淋洗后土壤单位质量进汞量由0.22 ml/g降低到0.15 ml/g,土壤总孔隙体积减少。重金属污染土淋洗修复工程在考虑重金属去除率及经济性指标的同时,还应考虑淋洗剂对土壤工程特性的弱化。     

实验室与田间条件下骨炭粉与海藻肥对镉污染土壤修复效果评价

本研究基于小麦、玉米、高粱籽粒及烟草烟叶镉(Cd)消减率、修复边际效率及土壤中Cd有效态含量的变化等对比了实验室与田间条件下骨炭粉与海藻肥对Cd污染农田土壤的修复效果。研究结果表明：骨炭粉与海藻肥使玉米、小麦、高粱和烟草对Cd的吸收、转运均有显著(P<0.05)降低作用;在田间条件下,骨炭粉与海藻肥对不同作物籽粒或烟叶的Cd消减率为16.2%~39.8%,可增加作物产量12.3%~38.6%。钝化剂对不同作物增产效果有一定差异,对小麦籽粒增产作用最为有效。研究发现添加钝化剂改变了Cd在土壤团聚体中的分布,使得Cd在大粒径团聚体中负载量增加,并且与对照相比,显著提高土壤pH(提高0.43~0.77),降低土壤Cd的有效性,有利于控制Cd在土壤植物系统中的迁移。总体而言,不同钝化剂的Cd污染土壤修复边际效率为3.99%~14.74%,同海藻肥相比,骨炭粉的修复边际效率较高。不同钝化剂在盆栽实验的修复效果优于田间实验的效果,可能是因为相比于田间实验,盆栽实验条件下根系的作用范围有限,钝化剂的作用效果较高。     

流速及介质粒径对As(Ⅲ)迁移影响的实验研究

为了解潜流带中地下水流速和介质颗粒对As（Ⅲ）迁移的影响,选用天然河砂为介质,配制地下水含As（Ⅲ）模拟液,开展室内批实验和动态柱实验并进行表征分析,探讨流速和介质粒径对As（Ⅲ）迁移的影响及机制.结果发现：（1）粒径越小的河砂与As（Ⅲ）相互作用平衡时间越长,As（Ⅲ）的单位吸附量（Qe）随着河砂粒径的增大而减小（0.15～0.18 mm的粒径河砂除外）,单层最大吸附量（Qm）随着粒径的增大呈减小趋势;（2）As（Ⅲ）在河砂上的迁移行为表现出明显的粒径和流速效应;一方面,河砂粒径越小,比表面积越大,增加了水-砂相互作用时间和限制了地下水冲洗速度,不利于As（Ⅲ）在河砂中的迁移;另一方面,流速越大导致空隙通道内的水力剪切力增强,紊流强度的提高减小了滞留边界层厚度,利于As（Ⅲ）在河砂中的迁移.     

水蒸气增湿非饱和黄土热湿迁移规律研究

温度梯度、含水率梯度和压力梯度对非饱和土体中的水热迁移有重要影响。用非饱和黄土填筑室内模型,通入0.10MPa高温水蒸气,研究蒸汽压梯度、温度梯度和含水率梯度耦合作用下的水热迁移规律。结果表明:在水蒸气迁移范围之内,土体的升温速率、增湿速率和增湿程度较大,以蒸汽传热和压力梯度驱动的水蒸气增湿为主。而在水蒸气未到位置,以温度梯度引起的热传导和含水率梯度与温度梯度耦合驱动的水热迁移为主;水蒸气迁移时,受土颗粒阻碍和蒸汽压消散的影响,土体升温速率、增湿速率和温度传导速率均随径向距离的增大而减小,且增湿速率小于升温速率;水蒸气增湿土体的最大含水率接近最优含水率,增湿效果较好,可有效提高一定范围内土体的压实性能;基于模型试验边界条件,确定含湿毛细多孔介质中二维热湿迁移方程的一组代数显式特解,并以20 cm测点为例,将温度和含水率实测值和计算值进行对比分析。研究结果可为非饱和黄土水-汽-热耦合传输规律和水蒸气增湿新技术研究提供理论支持。     

Geo-engineering properties of expansive soil treated with xanthan gum biopolymer

ABSTRACT

This paper presents the effectiveness of xanthan gum (XG) biopolymer in stabilising the expansive soil. The XG biopolymer is mixed with expansive soil in different proportions such as 0%, 0.2%, 0.5%, 0.8% and 1.0% by weight of the dry soil mass. The plasticity, compaction, swelling, compressibility, hydraulic conductivity, strength and durability characteristics of the treated and un-treated expansive soil are examined. Results show that the plasticity index of the treated soil mass initially increases but beyond 0.5% biopolymer addition it decreases sharply. The optimum moisture content and maximum dry density of treated soil, found out from light and heavy compaction tests, do not follow any definite trend. It is also found that increasing XG content increases compressibility slightly but, it reduces swelling pressure, differential free swelling value and hydraulic conductivity remarkably. On the other hand, time-dependent compressive strength and resistance to mass loss increases with increasing XG content. Microscopic examination confirms the formation of gel-like linkage, which brings about the modifications in the treated expansive soil.     

Spatial distribution characteristics of soil moisture in different types of sand dune in the Mu Us Sandy Land,adjacent to north of Chinese Loess Plateau

The distribution of soil moisture in arid and semiarid regions is a major environmental factor and is regulated by regional topography, vegetation and soil texture. Here, we present the results of a study of the spatial distribution characteristics of soil moisture in the Mu Us Sandy Land, which is the transitional area between the northwestern deserts and the Chinese Loess Plateau, in North China. Samples were taken from holes drilled to a depth of 4 m in 52 different microtopographic positions on different types of dune (bare dunes, shrub-covered dunes and tree-covered dunes). The sites were located in the northwestern margin, the central region and the southeastern margin. All samples were analyzed for moisture content and grain size distribution. The results show that: (1) for the same type of dune, the soil moisture content varies in different microtopographic positions. The soil moisture content on windward slopes is greater than on leeward slopes in the shrub-covered dunes and the tree-covered dunes, while this is the case in only some of the bare migratory sand dunes. In addition, the soil moisture content on leeward slopes is greater than on the corresponding windward slope. (2) The vegetation type and density have a large influence on the moisture content of sandy soils; specifically, the presence of shrubs and trees significantly affects the soil moisture content of windward and leeward slopes and the inter-dune lowland. (3) Soil moisture content is positively correlated with the clay and silt content of sandy soils. From northwest to southeast across the Mu Us Sandy Land, the silt and clay content increases gradually; however, in the case of dunes covered with planted trees, a peak in the content of fine-grained material occurs in the central region, while for shrub-covered sand dunes, the peak occurs in the southeastern margin. In addition, the correlation between soil moisture and soil grain size distribution of the three types of dunes varies from northwest to southeast. (4) The proportion of fine-grained material and the correlation between the content of fine-grained material and soil moisture are the two main factors influencing the soil moisture distribution of the different types of dune. A soil moisture concentration index can be used as a rough indicator of the distribution characteristics of soil moisture.     

冻融循环对土结构性影响的试验研究及影响机制分析

基于室内试验,研究了土颗粒与土孔隙在冻融循环过程中的变化情况,发现在反复冻融过程中,土样产生了颗粒破碎,从而导致土的液塑限、塑性指数、比表面积均有所增大。通过压汞试验,发现冻融循环还会使土样中的大、中孔隙含量总体增加,小孔隙的含量减少,而微孔隙的含量基本保持不变。在经历了15次冻融循环后,颗粒组成、孔隙分布及比表面积等均趋于稳定。通过分析土的三相组成在水分相变和迁移过程中的相互影响和作用,认为土的三相组成是冻融过程中水分相变和迁移的基础,冻融过程中水分相变、冰晶生长和水分迁移对土颗粒和孔隙的反作用力,是冻融循环对土结构性影响的根本原因。     

EK-Fenton process for removal of phenanthrene in a two-dimensional soil system

Feasibility of electrokinetic (EK) process combined with Fenton-like reaction was investigated for the removal of phenanthrene in a two-dimensional cell. Sandy soil and bentonite were selected as a model soil and a filling material to inhibit the leak of electrolyte solution within the electrode reservoirs into the soil by hydraulic pressure difference, respectively. The effects of parameters including current, electroosmotic flow (EOF), electrolyte pH, and moisture content on the removal efficiency were examined under constant voltage.

At the end of operation for 21 days, the concentration of phenanthrene near the anode was lower than the other positions of soil specimen and increased gradually towards the cathode because hydrogen peroxide solution was supplied from anode to cathode region following the direction of EOF. The concentration of phenanthrene at the bottom soil was lower than that at the top soil. Because capillary attraction in the sandy soil with high porosity was too low to maintain appropriate moisture at the top of the cell, EOF moved through the bottom soil with higher moisture content. Overall removal efficiency at 140 V was 81.6%, which was higher than 68.9% at 100 V because total EOF increased by a factor of 1.5 upon increase of the voltage from 100 to 140 V. In addition, power consumptions at 100 and 140 V were 7.2 and 19.4 kWh, respectively.     

青藏高原高寒草甸土壤水分运移机制

查明青藏高原高寒草甸区土壤水分运移机制,对正确理解土壤水分迁移过程、提高高寒草甸重建效率具有重要指导意义。通过开展土壤剖面负压、地温观测等原位试验,结合气象资料,对土壤剖面地温、含水率及总水头特征进行分析。结果表明,土壤的冻结期起始于10月,解冻期起始于4月;地温最高值出现在植物生长旺盛期8月,最低值出现在1月;1～3月土壤水分呈固态,6～10月土壤水分呈液态,处于稳定变化阶段,4～5月、11～12月土壤水分呈固液转化态,含水率变化幅度较大,处于过渡阶段。随着气温升高及降水量增加,6～8月水热同季有利于高寒草甸生长,属于高寒草甸主要生长阶段;春季土层由表及深土壤解冻,冻土层滞水性能保障了返青期春旱牧草生长的水分需求;深秋季节的由表及深的土壤冻结,深层土壤水分随水汽发生的表聚作用保障了牧草生长的水分需求,也是高原生态系统能够维持稳定的原因之一。     

非饱和黄土水蒸气扩散规律模型试验研究

黄土强度受含水状态的影响作用较为显著,其随含水状态的周期性变化而变化,进而引起一系列病害。为研究非饱和黄土中水蒸气和温度的扩散运移规律,通过室内填筑模型试验,在重塑黄土中通入高温高压水蒸气,分析了非饱和重塑黄土中水蒸气和温度扩散运移规律。试验结果表明:在非饱和重塑黄土中,水蒸气扩散范围近似为椭球形;水蒸气扩散速率沿径向逐渐减小,增加蒸气压,蒸气扩散速率、扩散范围和增湿程度都将增大;蒸气压在加速水分扩散的同时,加速了温度的运移,气压为50 kPa土体升温速率约为0.75 ℃ ·min-1,气压为200 kPa时升温速率1.12 ℃ ·min-1;土体密度越大,水蒸气扩散时受到土颗粒的阻碍越大,随着水蒸气径向扩散距离增大,这种阻碍作用越显著,含水率减小的量值越大。