[发明专利]一种基于电阻率测试的非饱和土扩散系数测试装置

说明书

一种基于电阻率测试的非饱和土扩散系数测试装置和方法。试验前，预先标定不同含水率、不同溶质浓度下土样的电导率。然后制作预定干密度的土样，用水饱和后放入土样桶中，关闭溶液进口阀门后，向气压力室内施加小气压，使前述饱和步骤中多余的水排出，施加第一级气压，记录流出的水量，计算土样含水率；在该含水率下进行扩散试验，打开溶液进口阀门，对不同时刻土样中浓度分布进行拟合，可得该含水率下的扩散系数。待土样中溶液浓度分布趋于均匀后，关闭溶液进口阀门，加第二级气压，记录出水量计算含水率，打开溶液进口阀门开始用纯水循环，拟合得到这一含水率下的扩散系数。重复上述步骤，可以在不更换土样的情况下，得到多个含水率下的溶质扩散系数。

技术领域

本发明涉及一种非饱和土扩散系数测试装置，特别是只用一个土样实现不同含水率下溶质扩散系数测试的试验装置，应用于土壤污染物迁移机理测试或污染防控技术领域。

背景技术

非饱和土在自然界，特别是在地表广泛存在，工、农业生产活动排放的污染物污染地下水的过程，实质上是污染物穿过地表非饱和土层的过程。非饱和土中的污染物迁移涉及渗流和扩散，并且在流速较低的情况下，扩散是污染物迁移的主导方式。探究非饱和土中污染物扩散规律和机理、研究简便可靠的非饱和扩散系数测试方法，对于揭示土壤和地下水污染规律、进行污染防控具有重要意义。

通常非饱和土样与溶液直接接触后其含水率会产生变化，因此饱和土扩散系数测试的溶液池法、土柱对流-扩散试验方法等并不适用于非饱和土，如何在溶质扩散过程中保证试样含水率不变是测量非饱和扩散系数的难点。非饱和扩散系数的测试可以采用Half-cell方法：将两段含水率相同、溶质浓度不同的土柱拼接在一起后，溶质在浓度梯度下扩散，一段时间后通过切片、萃取孔隙水然后测浓度，得到溶质浓度分布剖面，通过溶质扩散的解析解拟合浓度剖面从而求得扩散系数。首先，制样时控制土样在某一含水率，一个试样只能进行该含水率下的试验；其次，扩散过程中土样密封，两端边界处不进行浓度控制，土样内浓度只能单调增加或减小；最后，切片分析后试样破坏，故只能得到试验终止时的浓度剖面。上述原因都导致需要重新制样才能测得不同含水率下的扩散系数。因为很难保证重复制样的一致性，会因先后测试的试样之间的差异导致实验误差。另外，切片、萃取、测浓度等操作较为繁琐，容易产生操作误差。

本发明所研发的非饱和土扩散系数测试装置，可以精确控制土样达到某一含水率并保证某次溶质扩散过程中土样含水率保持不变，通过电阻率探针在不破坏土样前提下实时测得土样中溶质浓度分布，可调整土样边界处的溶质浓度从而改变土样中扩散方向，从而实现用一个土样试验得到不同含水率下的溶质扩散系数。

发明内容

本发明基于污染物在地表土非饱和土中迁移是普遍现象、低流速时分子扩散是污染物迁移的主导方式等技术背景，针对现有测试手段难以控制含水率、操作繁琐、需重复制样等不足，提供一种能精确控制土样含水率、实现溶质浓度实时测量、不需重复制样的非饱和土扩散系数测试装置，用一个土样即可测得不同含水率下溶质扩散系数，从而简化试验操作、避免试样不一致造成的误差。

为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于电阻率测试的非饱和土扩散系数测试装置，由主要由气压力室、溶液循环系统、溶质浓度实时监测系统组成。其特征在于压力室中土样下表面与一块陶土板密切接触，土样底部设有溶液循环系统，溶质浓度实时监测系统可实时测得土样中溶质浓度剖面。

上述陶土板与气压力室外壁处通过O型圈密封，为2Bar高进气值陶土板，饱和后陶土板中与土样饱水小孔隙相接触的微孔隙透水，而不与土样孔隙水接触的微孔隙处由于形成弯液面而起到阻水、阻气作用，本装置中陶土板微孔隙处的弯液面可承受2个标准大气压而不被击穿。气压力室外壁与顶板、底板通过O型圈密封，通过气压进口向气压力室内部施加气压控制土样的含水率。