氯氰菊酯在土柱淋濾實(shí)驗(yàn)中的遷移行為

摘 要：通過室內(nèi)一維土柱淋濾實(shí)驗(yàn)，選擇氯氰菊酯為淋濾液，研究其在不同介質(zhì)中的穿透行為，探討不同介質(zhì)自身特性對(duì)氯氰菊酯縱向彌散行為的影響。實(shí)驗(yàn)依據(jù)自然降雨強(qiáng)度確定噴淋強(qiáng)度，通過改變充填介質(zhì)的種類比較氯氰菊酯與氯離子在不同介質(zhì)中的穿透曲線的差異。結(jié)果表明：以乳油形式廣泛應(yīng)用于田間的氯氰菊酯在土柱內(nèi)的穿透曲線與氯離子十分接近，即氯氰菊酯在水中的遷移性能良好，對(duì)地下水有一定威脅。土壤有機(jī)質(zhì)含量會(huì)引起彌散系數(shù)的降低，實(shí)驗(yàn)選擇的2種噴淋強(qiáng)度對(duì)氯氰菊酯的彌散系數(shù)影響不大。

關(guān)鍵詞：土柱；多孔介質(zhì)；淋濾；氯氰菊酯；彌散

中圖分類號(hào) X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2013）19-18-03

溶質(zhì)運(yùn)移指的是溶解于水中的物質(zhì)在多孔介質(zhì)中的遷移，地下水溶質(zhì)運(yùn)移過程是地下水污染物控制工程中一個(gè)很具有挑戰(zhàn)性的問題[1-2]。目前的理論研究表明溶質(zhì)的運(yùn)移受到對(duì)流（Advection）和彌散（Dispersion）這兩種機(jī)制的控制，通常所說的水動(dòng)力彌散便是機(jī)械彌散和分子擴(kuò)散這兩種作用的總和。彌散系數(shù)是表征這一過程的重要參數(shù)[3-4]。

降水/灌溉水通過包氣帶入滲補(bǔ)給淺層地下水的過程是水文循環(huán)中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，但在此環(huán)節(jié)中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用的農(nóng)藥隨降水/灌溉水通過包氣帶也十分容易進(jìn)入含水層造成淺層地下水的污染[3-7]。有機(jī)農(nóng)藥的彌散系數(shù)的變化對(duì)其在地下水環(huán)境中分布和積累過程有影響。在距離污染源較近時(shí)，有機(jī)農(nóng)藥隨彌散系數(shù)的擴(kuò)大而濃度降低，在距離污染源較遠(yuǎn)處，有機(jī)農(nóng)藥隨彌散系數(shù)的擴(kuò)大而濃度增加[8-11]。筆者通過室內(nèi)土柱穿透實(shí)驗(yàn)，考察了氯氰菊酯在淋濾過程中的溶質(zhì)運(yùn)移的特點(diǎn)，以期為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和結(jié)論的得出提供理論依據(jù)，認(rèn)識(shí)在田間施用的有機(jī)農(nóng)藥在包氣帶及淺層地下水中的遷移行為有利于正確評(píng)價(jià)農(nóng)藥的環(huán)境行為，也有利于正確評(píng)價(jià)地下水的污染，具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 主要設(shè)備和儀器 雷弗BT300S蠕動(dòng)泵，供水瓶，一維滲流柱，DDS-307A型電導(dǎo)率儀，電熱恒溫干燥箱。

1.2 土柱裝填介質(zhì)的制備 實(shí)驗(yàn)土壤采集于南通大學(xué)校園西南角，采回的土樣均在室溫下風(fēng)干，揀出石塊、植物根等雜質(zhì)，將大土塊用玻璃棒搗碎，然后過50目篩，備用，另取一部分土壤去除土壤內(nèi)有機(jī)質(zhì)，備用。實(shí)驗(yàn)粗砂及細(xì)砂均取自建筑工地，粗砂過200目篩，細(xì)砂過100目篩。確定土柱5種充填介質(zhì)分別為：1#：粗砂∶未去除有機(jī)質(zhì)土=3∶1；2#：粗砂∶去有機(jī)質(zhì)土=3∶1；3#：細(xì)砂∶未去除有機(jī)質(zhì)土=3∶1；4#：細(xì)砂∶去有機(jī)質(zhì)土=3∶1；5#∶細(xì)砂。

1.3 土柱的填裝 實(shí)驗(yàn)采用土柱長50cm，內(nèi)徑5cm，土柱填裝前洗凈晾干。柱底端鋪2～3cm洗凈的石礫，其上墊一薄層棉花，以防土樣和砂粒被水淋出土柱堵塞出水口，再根據(jù)需要加入特定的充填介質(zhì)，每次稱取不超過40g的樣品倒入土柱中，以防進(jìn)樣不均導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的誤差過大，土柱表層再放入5～6cm高度的石礫，根據(jù)裝填介質(zhì)不同，共裝1、2、3、4、5號(hào)柱，具體介質(zhì)組成如下：1號(hào)土柱：1#介質(zhì)；2號(hào)土柱：2#介質(zhì)；3號(hào)土柱：3#介質(zhì)；4號(hào)土柱：4#介質(zhì)；5號(hào)土柱：5#介質(zhì)。

1.4 淋溶實(shí)驗(yàn)[3-5] 實(shí)驗(yàn)過程中以供液瓶和蠕動(dòng)泵作為供水裝置來形成穩(wěn)定流場，土柱垂直放置。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，先打開蠕動(dòng)泵從土柱底部以較慢的流速自下而上飽水以排除土柱內(nèi)的空氣，然后調(diào)整入流液的流向，用濃度為C0的貯備液（NaCl、氯氰菊酯）作淋濾液，進(jìn)行室內(nèi)彌散試驗(yàn)。試驗(yàn)開始時(shí)間以淋濾液替換原有水溶液的時(shí)間為準(zhǔn)，在土柱下端出水口按需要間隔一定時(shí)間取樣并測定樣品中示蹤劑濃度C，當(dāng)出水樣品中淋濾液濃度持續(xù)不變則結(jié)束試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，用所獲得數(shù)據(jù)繪制c-t曲線，即為土柱穿透曲線。

2.2 有機(jī)質(zhì)含量對(duì)氯氰菊酯縱向彌散的影響 淋濾的發(fā)生主要是由于溶解于土壤間隙水中的污染物隨土壤孔隙水的垂直運(yùn)動(dòng)而不斷向下滲濾。影響淋濾的因素很多，包括溶質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)和施用方法、土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)討論介質(zhì)中有機(jī)質(zhì)含量對(duì)氯氰菊酯遷移行為的影響。將1、2號(hào)土柱和3、4號(hào)土柱作比較，其穿透曲線如圖2、3所示。

1、2號(hào)柱的砂性高于3、4號(hào)柱，土壤中大孔隙所占的比例也較高，土壤持水量較低，與此相應(yīng)，1、2號(hào)柱內(nèi)單位體積介質(zhì)的比表面積減少，降低了土壤對(duì)污染物的吸附性能，從而增強(qiáng)了污染物的運(yùn)移性能，故而相應(yīng)的穿透曲線的穿透時(shí)間較短，污染物的運(yùn)移性能增強(qiáng)（圖2）。

此外，從圖2、3還可以發(fā)現(xiàn)，充填土壤在去有機(jī)質(zhì)后表現(xiàn)為土壤粘性降低，孔隙增加，與按同樣比例充填的有機(jī)質(zhì)土柱相比，含有機(jī)質(zhì)土壤的土柱內(nèi)彌散系數(shù)較小，相對(duì)應(yīng)的穿透時(shí)間較長。究其原因，可能是土壤有機(jī)質(zhì)含量愈高，對(duì)氯氰菊酯的吸附性能愈強(qiáng)，從而減弱了氯氰菊酯的淋濾能力，這與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果相近[10，13-14]。

2.3 氯氰菊酯縱向遷移行為與無機(jī)氯離子縱向遷移行為的比較 淋濾實(shí)驗(yàn)氯氰菊酯在土壤中的遷移特征可以認(rèn)為是氯氰菊酯在飽和均質(zhì)的多孔介質(zhì)中的一維垂向遷移。氯氰菊酯在遷移過程中發(fā)生的物理、化學(xué)以及生物作用與氯氰菊酯自身的性質(zhì)有關(guān)，是一個(gè)復(fù)雜的過程。對(duì)比同一根土柱中氯氰菊酯和Cl-的遷移規(guī)律，如圖4～7所示。

一般來說，水溶性大的污染物，淋濾作用較強(qiáng)，有可能進(jìn)入深層土壤而造成地下水的污染。實(shí)驗(yàn)選用的氯氰菊酯是生產(chǎn)實(shí)際中廣泛采用的水乳劑，在水中分散均勻，相較純的氯氰菊酯而言，流動(dòng)性大大增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也充分證明了這一點(diǎn)。從1、2、3、4號(hào)土柱中不同污染物的穿透曲線可以看到，氯氰菊酯的穿透曲線與Cl-穿透曲線十分接近，說明二者的遷移性能也十分接近。但同時(shí)也可以看到，氯氰菊酯穿透均在Cl-的下方，說明有機(jī)物在土柱內(nèi)的彌散起點(diǎn)較無機(jī)物低，最終趨于平緩階段也較低，彌散稍慢于無機(jī)物，從計(jì)算上也能說明這一點(diǎn)。這可能是由于土柱充填介質(zhì)對(duì)有機(jī)物的吸附作用較大的緣故，同時(shí)有機(jī)物在土柱中的穿透也伴隨著自身的水解和各種復(fù)雜因素，最后到達(dá)終點(diǎn)的濃度較小。

3 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，利用土柱實(shí)驗(yàn)測定污染土水動(dòng)力彌散參數(shù)，要充分考慮側(cè)壁滲漏問題，控制介質(zhì)的滲透性能，保證能夠在較短的試驗(yàn)周期內(nèi)獲得污染土中污染物的穿透曲線。由于實(shí)驗(yàn)土柱尺寸的限制，需要根據(jù)試驗(yàn)所獲得的穿透曲線，采用數(shù)值反演方法求解其水動(dòng)力彌散參數(shù)。就本實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果來看，可以得出以下認(rèn)識(shí)：

（1）水動(dòng)力彌散參數(shù)中的彌散系數(shù)與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，彌散系數(shù)明顯受土壤摻入量影響，這主要是土柱充填介質(zhì)的水動(dòng)力性質(zhì)受介質(zhì)砂性控制顯著。

（2）相同情況下含有機(jī)質(zhì)土的土柱內(nèi)彌散系數(shù)稍小，但差別不明顯，可能是由于含有機(jī)質(zhì)的土壤比去除有機(jī)質(zhì)的土壤對(duì)無機(jī)溶液的吸附能力稍強(qiáng)所致。

（3）與無機(jī)物在土柱內(nèi)彌散不同，有機(jī)物柱內(nèi)彌散時(shí)會(huì)因自身容易為土柱充填介質(zhì)所吸附降解，故而其穿透曲線相對(duì)無機(jī)氯離子而言有一定的滯后，且彌散系數(shù)相比無機(jī)物稍小。

（4）實(shí)際生產(chǎn)過程中在田間施用的農(nóng)藥一般以乳油的形式存在，其在水中的分散性良好，淋濾作用較強(qiáng)，有可能進(jìn)入深層土壤而造成地下水的污染。

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