AZ-ES200原位渗漏污染迁移过程观测系统

1 引言

城市和农业面源和点源污染物在水土环境中的迁移规律是环境污染治理与修复的基础，也是探寻地下水渗漏污染的关键。污染物在包气带土壤中的迁移与土壤粒径、粒形、土壤导水性、导气性等多种因素相关，在野外原位环境下，实时观测污染物在包气带中的运移成为环境污染、矿区复垦、地质水文环境、农田水肥管理、森林生态、湿地生态、水域生态学等研究中越来越*的工作。

2 观测系统设计

2.1 目标

传统的污染物监测和调查多采用野外采样、实验室分析的方法，这样方法耗时长，且是破坏性测量，无法在原来采样点重复监测。特别是对于水溶性污染物无法了解污染物运移的动力学参数。在野外环境，无损监测污染物的迁移过程称为科研人员的理想工具。

AZ-ES200原位渗漏污染迁移过程观测系统在室外、模拟田间条件下，依靠重力作用或负压汲取土柱剖面不同层次的渗漏水，测定目标养分离子或污染离子的动态变化，探明离子的下淋量及其规律，同时监测土柱不同深度的土壤水分，水势、电导率和降雨等环境因子，监测相关土壤化学性质及驱动因子的动态变化，为养分或污染物扩散提供有用的科学参数。该系统不仅提供观测的水土环境与野外或大田一致，确保污染物的迁移动力与野外一致，而且能实时监测污染物迁移过程的动力学参数，使得到的养分或污染物运移模型更具准确性、灵活性和通用性。

2.2 观测点布设

在评价场地有代表性的包气带地层中用不锈钢罐体取1平米截面、高1-2米的原状土柱。将载有土柱的罐体吊装、安置在观测点，土柱与地表齐平。根据研究需要可在罐体内种植作物，多用于农田氮磷元素迁移研究；也可作裸地状况。

若渗漏污染物的运移主要来自水载体，可建造大型地下室，将多个罐体置于一个地下室内；若侧重研究污染物在土壤中的化学、生物反应，每个罐体采用筒埋式放入地下，维护井置于中心位置，如图。

在罐体底部安装称重系统。在罐体内安装土壤水分、温度、水势传感器和土壤渗漏水取样器。

在土柱底部安装水势控制单元，包括水势控制部件、水泵及控制器。这个水势控制单元确保土柱底部的水势时刻与野外或大田保持一致，从而确保柱体内渗漏水流特性与大田一致，同时该单元还能收集土柱底部的重力渗漏水。

在距离罐体10m内的地面上安装气象传感器，用于监测、记录渗漏污染迁移的环境因子变化。

2.3 采样频率

罐体的重量每１min测量、记录一次；土壤水分、水势、温度、气象参数每10min测量一次。渗漏水控制器根据实测的土壤水势，施加恒定的负压汲取渗漏水。渗漏水离子浓度的测量在离子分析仪上自动完成。

柱体底部的水势控制单元根据柱体内和大田的水势差，确定从罐体汲取或补充水，汲取或补充的水量每１min测量、记录一次。

2.4 观测指标

渗漏水量、渗漏水离子浓度、渗漏物质量、土壤水分、水势、电导率、降雨、空气温湿度、总辐射。

2.5 观测系统组成

AZ-ES200原位渗漏污染迁移过程观测系统由原状土柱、称重单元、水势控制单元、土壤多参数传感器、降雨、离子分析仪等部件组成，实时监测渗漏水污染物迁移的时空变化。

3 数据处理

3.1 氮沉降

从AZ-ES200原位渗漏污染迁移过程观测系统采集的罐体重量数据，根据如下水量平衡和物质平衡公式，可得到蒸散量和大气沉降量。

水量平衡公式: (P + Ir) - (I+ET + Sw) = ΔS （1）

物质平衡公式：Dep + F - V - L = ΔM （2）

公式（1）中Ir 是灌溉量，P 是降水 (总量l)， I 是截流， Sw 是渗漏水， 单位时间重量的变化代表蒸散量ET。

公式（2）中，Dep 是大气沉降量，F 是施肥量，L 是渗滤液，V 植被损耗，单位时间重量的变化代表大气沉降量。

3.2 淋滤实验

通过控制柱体底部水势，可加速或有效控制淋滤实验中添加物的垂直迁移速度。模拟不同土壤干湿条件或不同降雨强度下，污染物的入渗、扩散基础数据。

3.3 建模

AZ-ES200原位渗漏污染迁移过程观测系统的数据可修订、发展对流—弥散模型、传输—化学平衡模型和传递函数模型。同时，对于研究包气带土壤气相对易挥发性元素的迁移，如铵态氮提供了空间。通过提供土壤剖面含水量的变化，也对研究包气带不流动水对溶质运移的影响提供了可能。

4 应用案例

4.1土壤水氮磷引起的农业非点源污染研究

探测施入土壤中的厩肥，城市垃圾，污泥，氮磷钾化肥，石灰物质以及其它农化物质中的成分离子的去向(土壤残留，淋失，径流冲失)及可能污染。

如日本在甘蓝上研究，测知施入氮有20-40％渗漏损失，并确认降水量是肥料氮淋失主要的影响因子。

美国的研究发现，氮肥的淋失与土壤类型(吸收性能)，作物覆盖程度，氮肥施用方法有密切关系，并确认施加绿肥，厩肥，三叶草等有机物可以减少化肥氮的淋溶损失。

德国的研究还证实，使用硝化抑制剂可明显减少施入氮的NO3-N淋失，并确认不同氮素形态的淋失率是NO3-N>NO2-N>NH4-N。

4.2 污水、污染物排放控制标准

模拟污水或污染物的渗入过程，研究污染物在包气带中的吸附、转化、自净机制，确定包气带的防护能力