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摘 要：通过室内一维土柱淋滤实验，选择氯氰菊酯为淋滤液，研究其在不同介质中的穿透行为，探讨不同介质自身特性对氯氰菊酯纵向弥散行为的影响。实验依据自然降雨强度确定喷淋强度，通过改变充填介质的种类比较氯氰菊酯与氯离子在不同介质中的穿透曲线的差异。结果表明：以乳油形式广泛应用于田间的氯氰菊酯在土柱内的穿透曲线与氯离子十分接近，即氯氰菊酯在水中的迁移性能良好，对地下水有一定威胁。土壤有机质含量会引起弥散系数的降低，实验选择的2种喷淋强度对氯氰菊酯的弥散系数影响不大。
关键词：土柱；多孔介质；淋滤；氯氰菊酯；弥散
中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2013）19-18-03
溶质运移指的是溶解于水中的物质在多孔介质中的迁移，地下水溶质运移过程是地下水污染物控制工程中一个很具有挑战性的问题[1-2]。目前的理论研究表明溶质的运移受到对流（Advection）和弥散（Dispersion）这两种机制的控制，通常所说的水动力弥散便是机械弥散和分子扩散这两种作用的总和。弥散系数是表征这一过程的重要参数[3-4]。
降水/灌溉水通过包气带入渗补给浅层地下水的过程是水文循环中的一个非常重要的环节，但在此环节中，农业生产过程中广泛使用的农药随降水/灌溉水通过包气带也十分容易进入含水层造成浅层地下水的污染[3-7]。有机农药的弥散系数的变化对其在地下水环境中分布和积累过程有影响。在距离污染源较近时，有机农药随弥散系数的扩大而浓度降低，在距离污染源较远处，有机农药随弥散系数的扩大而浓度增加[8-11]。笔者通过室内土柱穿透实验，考察了氯氰菊酯在淋滤过程中的溶质运移的特点，以期为后续的实验进行数据分析和结论的得出提供理论依据，认识在田间施用的有机农药在包气带及浅层地下水中的迁移行为有利于正确评价农药的环境行为，也有利于正确评价地下水的污染，具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 主要设备和仪器 雷弗BT300S蠕动泵，供水瓶，一维渗流柱，DDS-307A型电导率仪，电热恒温干燥箱。
1.2 土柱装填介质的制备 实验土壤采集于南通大学校园西南角，采回的土样均在室温下风干，拣出石块、植物根等杂质，将大土块用玻璃棒捣碎，然后过50目筛，备用，另取一部分土壤去除土壤内有机质，备用。实验粗砂及细砂均取自建筑工地，粗砂过200目筛，细砂过100目筛。确定土柱5种充填介质分别为：1#：粗砂∶未去除有机质土=3∶1；2#：粗砂∶去有机质土=3∶1；3#：细砂∶未去除有机质土=3∶1；4#：细砂∶去有机质土=3∶1；5#∶细砂。
1.3 土柱的填装 实验采用土柱长50cm，内径5cm，土柱填装前洗净晾干。柱底端铺2～3cm洗净的石砾，其上垫一薄层棉花，以防土样和砂粒被水淋出土柱堵塞出水口，再根据需要加入特定的充填介质，每次称取不超过40g的样品倒入土柱中，以防进样不均导致实验的误差过大，土柱表层再放入5～6cm高度的石砾，根据装填介质不同，共装1、2、3、4、5号柱，具体介质组成如下：1号土柱：1#介质；2号土柱：2#介质；3号土柱：3#介质；4号土柱：4#介质；5号土柱：5#介质。
1.4 淋溶实验[3-5] 实验过程中以供液瓶和蠕动泵作为供水装置来形成稳定流场，土柱垂直放置。实验开始时，先打开蠕动泵从土柱底部以较慢的流速自下而上饱水以排除土柱内的空气，然后调整入流液的流向，用浓度为C0的贮备液（NaCl、氯氰菊酯）作淋滤液，进行室内弥散试验。试验开始时间以淋滤液替换原有水溶液的时间为准，在土柱下端出水口按需要间隔一定时间取样并测定样品中示踪剂浓度C，当出水样品中淋滤液浓度持续不变则结束试验，记录数据，用所获得数据绘制c-t曲线，即为土柱穿透曲线。
2.2 有机质含量对氯氰菊酯纵向弥散的影响 淋滤的发生主要是由于溶解于土壤间隙水中的污染物随土壤孔隙水的垂直运动而不断向下渗滤。影响淋滤的因素很多，包括溶质的物理化学性质和施用方法、土壤的结构和性质等。实验重点讨论介质中有机质含量对氯氰菊酯迁移行为的影响。将1、2号土柱和3、4号土柱作比较，其穿透曲线如图2、3所示。
1、2号柱的砂性高于3、4号柱，土壤中大孔隙所占的比例也较高，土壤持水量较低，与此相应，1、2号柱内单位体积介质的比表面积减少，降低了土壤对污染物的吸附性能，从而增强了污染物的运移性能，故而相应的穿透曲线的穿透时间较短，污染物的运移性能增强（图2）。
此外，从图2、3还可以发现，充填土壤在去有机质后表现为土壤粘性降低，孔隙增加，与按同样比例充填的有机质土柱相比，含有机质土壤的土柱内弥散系数较小，相对应的穿透时间较长。究其原因，可能是土壤有机质含量愈高，对氯氰菊酯的吸附性能愈强，从而减弱了氯氰菊酯的淋滤能力，这与相关文献报道的结果相近[10，13-14]。
2.3 氯氰菊酯纵向迁移行为与无机氯离子纵向迁移行为的比较 淋滤实验氯氰菊酯在土壤中的迁移特征可以认为是氯氰菊酯在饱和均质的多孔介质中的一维垂向迁移。氯氰菊酯在迁移过程中发生的物理、化学以及生物作用与氯氰菊酯自身的性质有关，是一个复杂的过程。对比同一根土柱中氯氰菊酯和Cl-的迁移规律，如图4～7所示。
一般来说，水溶性大的污染物，淋滤作用较强，有可能进入深层土壤而造成地下水的污染。实验选用的氯氰菊酯是生产实际中广泛采用的水乳剂，在水中分散均匀，相较纯的氯氰菊酯而言，流动性大大增强，实验结果也充分证明了这一点。从1、2、3、4号土柱中不同污染物的穿透曲线可以看到，氯氰菊酯的穿透曲线与Cl-穿透曲线十分接近，说明二者的迁移性能也十分接近。但同时也可以看到，氯氰菊酯穿透均在Cl-的下方，说明有机物在土柱内的弥散起点较无机物低，最终趋于平缓阶段也较低，弥散稍慢于无机物，从计算上也能说明这一点。这可能是由于土柱充填介质对有机物的吸附作用较大的缘故，同时有机物在土柱中的穿透也伴随着自身的水解和各种复杂因素，最后到达终点的浓度较小。 3 结论
从实验结果来看，利用土柱实验测定污染土水动力弥散参数，要充分考虑侧壁渗漏问题，控制介质的渗透性能，保证能够在较短的试验周期内获得污染土中污染物的穿透曲线。由于实验土柱尺寸的限制，需要根据试验所获得的穿透曲线，采用数值反演方法求解其水动力弥散参数。就本实验研究的结果来看，可以得出以下认识：
（1）水动力弥散参数中的弥散系数与介质性质有关，弥散系数明显受土壤掺入量影响，这主要是土柱充填介质的水动力性质受介质砂性控制显著。
（2）相同情况下含有机质土的土柱内弥散系数稍小，但差别不明显，可能是由于含有机质的土壤比去除有机质的土壤对无机溶液的吸附能力稍强所致。
（3）与无机物在土柱内弥散不同，有机物柱内弥散时会因自身容易为土柱充填介质所吸附降解，故而其穿透曲线相对无机氯离子而言有一定的滞后，且弥散系数相比无机物稍小。
（4）实际生产过程中在田间施用的农药一般以乳油的形式存在，其在水中的分散性良好，淋滤作用较强，有可能进入深层土壤而造成地下水的污染。
参考文献
[1]戴树桂，刘广良，钱芸，等.土壤多介质环境污染研究进展[J]. 土壤与环境，2001，10（l）：l.
[2]WeberWJ，DiGiano F A.Process Dynamics in Environmental Systems[M].New York：A Wiley-interscience Publication，John Wiley&SonsInc，1996： 320-335.
[3]侯永侠，杨继松，陈红亮，等. 饱和土壤与河流底泥水动力弥散研究[J].安徽农业科学，2010（36）：193-196.
[4]高太忠，黄群贤，李秀荣，等. 垃圾渗滤液中污染物在包气带运移模拟实验及预测[J].生态环境，2006（5）：70-75.
[5]李磊，朱伟，屈阳，等.低渗透污染土水动力弥散参数试验研究[J].岩土工程学报，2011（8）：162-166.
[6]张嘉，王明玉.纵向弥散作用与渗透介质非均质性定量关系的模拟研究[J]. 地学前缘，2010（6）：156-162.
[7]张嘉，王明玉，张雷. 数值模拟中非均质介质纵向弥散度两种计算方法的适宜性探析[J]. 华东理工大学学报：自然科学版，2010（6）：59-63.
[8]安凤春，莫汉宏，杨克武，等.农药在土壤中迁移的研究方法[J].环境化学，1994，13（3）： 214-217.
[9]张静雯.农药丁草胺在砂质壤土中吸附，降解和运移规律的模拟[D].北京：中国农业大学，2003：28-31.
[10]王亚军，朱琨，王进喜，等.腐殖酸对铬在砂质土壤中吸附行为的影响研究[J].安全与环境学报，2007，7（5）： 42-47.
[11]吕殿青，王宏，潘云，等.容重变化对土壤溶质运移特征的影响[J].湖南师范大学自然科学学报，2010（1）：77-81.
[12]沈翠丽，范志先，朱庆书.氯氰菊酯在玉米及土壤中的残留分析[J].青岛科技大学学报，2006，27（3）： 23-26.
[13]Drolet C，Banton O，Lafrance P，Villeneuve JP. Assessing the fate of polynuclear aromatic hydr-ocarbons from oilywaste land spreading by modelling[J].Canadian Journal of Civil Engineering，1996，23：211-217.
[14]Bogan BW，Sullivan WR. Physicochemical soil parameters affecting sepuestration and mycobacterial biodegradation of polycyclic aromatic hydrocarbons in soil[J]. Chemosphere，2003，52：1 717-1 726. （责编：徐世红）
关键词：土柱；多孔介质；淋滤；氯氰菊酯；弥散
中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2013）19-18-03
溶质运移指的是溶解于水中的物质在多孔介质中的迁移，地下水溶质运移过程是地下水污染物控制工程中一个很具有挑战性的问题[1-2]。目前的理论研究表明溶质的运移受到对流（Advection）和弥散（Dispersion）这两种机制的控制，通常所说的水动力弥散便是机械弥散和分子扩散这两种作用的总和。弥散系数是表征这一过程的重要参数[3-4]。
降水/灌溉水通过包气带入渗补给浅层地下水的过程是水文循环中的一个非常重要的环节，但在此环节中，农业生产过程中广泛使用的农药随降水/灌溉水通过包气带也十分容易进入含水层造成浅层地下水的污染[3-7]。有机农药的弥散系数的变化对其在地下水环境中分布和积累过程有影响。在距离污染源较近时，有机农药随弥散系数的扩大而浓度降低，在距离污染源较远处，有机农药随弥散系数的扩大而浓度增加[8-11]。笔者通过室内土柱穿透实验，考察了氯氰菊酯在淋滤过程中的溶质运移的特点，以期为后续的实验进行数据分析和结论的得出提供理论依据，认识在田间施用的有机农药在包气带及浅层地下水中的迁移行为有利于正确评价农药的环境行为，也有利于正确评价地下水的污染，具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 主要设备和仪器 雷弗BT300S蠕动泵，供水瓶，一维渗流柱，DDS-307A型电导率仪，电热恒温干燥箱。
1.2 土柱装填介质的制备 实验土壤采集于南通大学校园西南角，采回的土样均在室温下风干，拣出石块、植物根等杂质，将大土块用玻璃棒捣碎，然后过50目筛，备用，另取一部分土壤去除土壤内有机质，备用。实验粗砂及细砂均取自建筑工地，粗砂过200目筛，细砂过100目筛。确定土柱5种充填介质分别为：1#：粗砂∶未去除有机质土=3∶1；2#：粗砂∶去有机质土=3∶1；3#：细砂∶未去除有机质土=3∶1；4#：细砂∶去有机质土=3∶1；5#∶细砂。
1.3 土柱的填装 实验采用土柱长50cm，内径5cm，土柱填装前洗净晾干。柱底端铺2～3cm洗净的石砾，其上垫一薄层棉花，以防土样和砂粒被水淋出土柱堵塞出水口，再根据需要加入特定的充填介质，每次称取不超过40g的样品倒入土柱中，以防进样不均导致实验的误差过大，土柱表层再放入5～6cm高度的石砾，根据装填介质不同，共装1、2、3、4、5号柱，具体介质组成如下：1号土柱：1#介质；2号土柱：2#介质；3号土柱：3#介质；4号土柱：4#介质；5号土柱：5#介质。
1.4 淋溶实验[3-5] 实验过程中以供液瓶和蠕动泵作为供水装置来形成稳定流场，土柱垂直放置。实验开始时，先打开蠕动泵从土柱底部以较慢的流速自下而上饱水以排除土柱内的空气，然后调整入流液的流向，用浓度为C0的贮备液（NaCl、氯氰菊酯）作淋滤液，进行室内弥散试验。试验开始时间以淋滤液替换原有水溶液的时间为准，在土柱下端出水口按需要间隔一定时间取样并测定样品中示踪剂浓度C，当出水样品中淋滤液浓度持续不变则结束试验，记录数据，用所获得数据绘制c-t曲线，即为土柱穿透曲线。
2.2 有机质含量对氯氰菊酯纵向弥散的影响 淋滤的发生主要是由于溶解于土壤间隙水中的污染物随土壤孔隙水的垂直运动而不断向下渗滤。影响淋滤的因素很多，包括溶质的物理化学性质和施用方法、土壤的结构和性质等。实验重点讨论介质中有机质含量对氯氰菊酯迁移行为的影响。将1、2号土柱和3、4号土柱作比较，其穿透曲线如图2、3所示。
1、2号柱的砂性高于3、4号柱，土壤中大孔隙所占的比例也较高，土壤持水量较低，与此相应，1、2号柱内单位体积介质的比表面积减少，降低了土壤对污染物的吸附性能，从而增强了污染物的运移性能，故而相应的穿透曲线的穿透时间较短，污染物的运移性能增强（图2）。
此外，从图2、3还可以发现，充填土壤在去有机质后表现为土壤粘性降低，孔隙增加，与按同样比例充填的有机质土柱相比，含有机质土壤的土柱内弥散系数较小，相对应的穿透时间较长。究其原因，可能是土壤有机质含量愈高，对氯氰菊酯的吸附性能愈强，从而减弱了氯氰菊酯的淋滤能力，这与相关文献报道的结果相近[10，13-14]。
2.3 氯氰菊酯纵向迁移行为与无机氯离子纵向迁移行为的比较 淋滤实验氯氰菊酯在土壤中的迁移特征可以认为是氯氰菊酯在饱和均质的多孔介质中的一维垂向迁移。氯氰菊酯在迁移过程中发生的物理、化学以及生物作用与氯氰菊酯自身的性质有关，是一个复杂的过程。对比同一根土柱中氯氰菊酯和Cl-的迁移规律，如图4～7所示。
一般来说，水溶性大的污染物，淋滤作用较强，有可能进入深层土壤而造成地下水的污染。实验选用的氯氰菊酯是生产实际中广泛采用的水乳剂，在水中分散均匀，相较纯的氯氰菊酯而言，流动性大大增强，实验结果也充分证明了这一点。从1、2、3、4号土柱中不同污染物的穿透曲线可以看到，氯氰菊酯的穿透曲线与Cl-穿透曲线十分接近，说明二者的迁移性能也十分接近。但同时也可以看到，氯氰菊酯穿透均在Cl-的下方，说明有机物在土柱内的弥散起点较无机物低，最终趋于平缓阶段也较低，弥散稍慢于无机物，从计算上也能说明这一点。这可能是由于土柱充填介质对有机物的吸附作用较大的缘故，同时有机物在土柱中的穿透也伴随着自身的水解和各种复杂因素，最后到达终点的浓度较小。 3 结论
从实验结果来看，利用土柱实验测定污染土水动力弥散参数，要充分考虑侧壁渗漏问题，控制介质的渗透性能，保证能够在较短的试验周期内获得污染土中污染物的穿透曲线。由于实验土柱尺寸的限制，需要根据试验所获得的穿透曲线，采用数值反演方法求解其水动力弥散参数。就本实验研究的结果来看，可以得出以下认识：
（1）水动力弥散参数中的弥散系数与介质性质有关，弥散系数明显受土壤掺入量影响，这主要是土柱充填介质的水动力性质受介质砂性控制显著。
（2）相同情况下含有机质土的土柱内弥散系数稍小，但差别不明显，可能是由于含有机质的土壤比去除有机质的土壤对无机溶液的吸附能力稍强所致。
（3）与无机物在土柱内弥散不同，有机物柱内弥散时会因自身容易为土柱充填介质所吸附降解，故而其穿透曲线相对无机氯离子而言有一定的滞后，且弥散系数相比无机物稍小。
（4）实际生产过程中在田间施用的农药一般以乳油的形式存在，其在水中的分散性良好，淋滤作用较强，有可能进入深层土壤而造成地下水的污染。
参考文献
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[13]Drolet C，Banton O，Lafrance P，Villeneuve JP. Assessing the fate of polynuclear aromatic hydr-ocarbons from oilywaste land spreading by modelling[J].Canadian Journal of Civil Engineering，1996，23：211-217.
[14]Bogan BW，Sullivan WR. Physicochemical soil parameters affecting sepuestration and mycobacterial biodegradation of polycyclic aromatic hydrocarbons in soil[J]. Chemosphere，2003，52：1 717-1 726. （责编：徐世红）