1 引言

城市和農(nóng)業(yè)面源和點(diǎn)源污染物在水土環(huán)境中的遷移規(guī)律是環(huán)境污染治理與修復(fù)的基礎(chǔ)，也是探尋地下水滲漏污染的關(guān)鍵。污染物在包氣帶土壤中的遷移與土壤粒徑、粒形、土壤導(dǎo)水性、導(dǎo)氣性等多種因素相關(guān)，在野外原位環(huán)境下，實(shí)時(shí)觀測(cè)污染物在包氣帶中的運(yùn)移成為環(huán)境污染、礦區(qū)復(fù)墾、地質(zhì)水文環(huán)境、農(nóng)田水肥管理、森林生態(tài)、濕地生態(tài)、水域生態(tài)學(xué)等研究中越來(lái)越*的工作。

2 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)

傳統(tǒng)的污染物監(jiān)測(cè)和調(diào)查多采用野外采樣、實(shí)驗(yàn)室分析的方法，這樣方法耗時(shí)長(zhǎng)，且是破壞性測(cè)量，無(wú)法在原來(lái)采樣點(diǎn)重復(fù)監(jiān)測(cè)。特別是對(duì)于水溶性污染物無(wú)法了解污染物運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。在野外環(huán)境，無(wú)損監(jiān)測(cè)污染物的遷移過(guò)程稱為科研人員的理想工具。

AZ-ES200原位滲漏污染遷移過(guò)程觀測(cè)系統(tǒng)在室外、模擬田間條件下，依靠重力作用或負(fù)壓汲取土柱剖面不同層次的滲漏水，測(cè)定目標(biāo)養(yǎng)分離子或污染離子的動(dòng)態(tài)變化，探明離子的下淋量及其規(guī)律，同時(shí)監(jiān)測(cè)土柱不同深度的土壤水分，水勢(shì)、電導(dǎo)率和降雨等環(huán)境因子，監(jiān)測(cè)相關(guān)土壤化學(xué)性質(zhì)及驅(qū)動(dòng)因子的動(dòng)態(tài)變化，為養(yǎng)分或污染物擴(kuò)散提供有用的科學(xué)參數(shù)。該系統(tǒng)不僅提供觀測(cè)的水土環(huán)境與野外或大田一致，確保污染物的遷移動(dòng)力與野外一致，而且能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污染物遷移過(guò)程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，使得到的養(yǎng)分或污染物運(yùn)移模型更具準(zhǔn)確性、靈活性和通用性。

2.2 觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)

在評(píng)價(jià)場(chǎng)地有代表性的包氣帶地層中用不銹鋼罐體取1平米截面、高1-2米的原狀土柱。將載有土柱的罐體吊裝、安置在觀測(cè)點(diǎn)，土柱與地表齊平。根據(jù)研究需要可在罐體內(nèi)種植作物，多用于農(nóng)田氮磷元素遷移研究；也可作裸地狀況。

若滲漏污染物的運(yùn)移主要來(lái)自水載體，可建造大型地下室，將多個(gè)罐體置于一個(gè)地下室內(nèi)；若側(cè)重研究污染物在土壤中的化學(xué)、生物反應(yīng)，每個(gè)罐體采用筒埋式放入地下，維護(hù)井置于中心位置，如圖。

在罐體底部安裝稱重系統(tǒng)。在罐體內(nèi)安裝土壤水分、溫度、水勢(shì)傳感器和土壤滲漏水取樣器。

在土柱底部安裝水勢(shì)控制單元，包括水勢(shì)控制部件、水泵及控制器。這個(gè)水勢(shì)控制單元確保土柱底部的水勢(shì)時(shí)刻與野外或大田保持一致，從而確保柱體內(nèi)滲漏水流特性與大田一致，同時(shí)該單元還能收集土柱底部的重力滲漏水。

在距離罐體10m內(nèi)的地面上安裝氣象傳感器，用于監(jiān)測(cè)、記錄滲漏污染遷移的環(huán)境因子變化。

2.3 采樣頻率

罐體的重量每１min測(cè)量、記錄一次；土壤水分、水勢(shì)、溫度、氣象參數(shù)每10min測(cè)量一次。滲漏水控制器根據(jù)實(shí)測(cè)的土壤水勢(shì)，施加恒定的負(fù)壓汲取滲漏水。滲漏水離子濃度的測(cè)量在離子分析儀上自動(dòng)完成。

柱體底部的水勢(shì)控制單元根據(jù)柱體內(nèi)和大田的水勢(shì)差，確定從罐體汲取或補(bǔ)充水，汲取或補(bǔ)充的水量每１min測(cè)量、記錄一次。

2.4 觀測(cè)指標(biāo)

滲漏水量、滲漏水離子濃度、滲漏物質(zhì)量、土壤水分、水勢(shì)、電導(dǎo)率、降雨、空氣溫濕度、總輻射。

2.5 觀測(cè)系統(tǒng)組成

AZ-ES200原位滲漏污染遷移過(guò)程觀測(cè)系統(tǒng)由原狀土柱、稱重單元、水勢(shì)控制單元、土壤多參數(shù)傳感器、降雨、離子分析儀等部件組成，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滲漏水污染物遷移的時(shí)空變化。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 氮沉降

從AZ-ES200原位滲漏污染遷移過(guò)程觀測(cè)系統(tǒng)采集的罐體重量數(shù)據(jù)，根據(jù)如下水量平衡和物質(zhì)平衡公式，可得到蒸散量和大氣沉降量。

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

物質(zhì)平衡公式：Dep + F - V - L = ΔM （2）

公式（1）中Ir 是灌溉量，P 是降水 (總量l)， I 是截流， Sw 是滲漏水， 單位時(shí)間重量的變化代表蒸散量ET。

公式（2）中，Dep 是大氣沉降量，F(xiàn) 是施肥量，L 是滲濾液，V 植被損耗，單位時(shí)間重量的變化代表大氣沉降量。

3.2 淋濾實(shí)驗(yàn)

通過(guò)控制柱體底部水勢(shì)，可加速或有效控制淋濾實(shí)驗(yàn)中添加物的垂直遷移速度。模擬不同土壤干濕條件或不同降雨強(qiáng)度下，污染物的入滲、擴(kuò)散基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.3 建模

AZ-ES200原位滲漏污染遷移過(guò)程觀測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可修訂、發(fā)展對(duì)流—彌散模型、傳輸—化學(xué)平衡模型和傳遞函數(shù)模型。同時(shí)，對(duì)于研究包氣帶土壤氣相對(duì)易揮發(fā)性元素的遷移，如銨態(tài)氮提供了空間。通過(guò)提供土壤剖面含水量的變化，也對(duì)研究包氣帶不流動(dòng)水對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移的影響提供了可能。

4 應(yīng)用案例

4.1土壤水氮磷引起的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染研究

探測(cè)施入土壤中的廄肥，城市垃圾，污泥，氮磷鉀化肥，石灰物質(zhì)以及其它農(nóng)化物質(zhì)中的成分離子的去向(土壤殘留，淋失，徑流沖失)及可能污染。

如日本在甘藍(lán)上研究，測(cè)知施入氮有20-40％滲漏損失，并確認(rèn)降水量是肥料氮淋失主要的影響因子。

美國(guó)的研究發(fā)現(xiàn)，氮肥的淋失與土壤類型(吸收性能)，作物覆蓋程度，氮肥施用方法有密切關(guān)系，并確認(rèn)施加綠肥，廄肥，三葉草等有機(jī)物可以減少化肥氮的淋溶損失。

德國(guó)的研究還證實(shí)，使用硝化抑制劑可明顯減少施入氮的NO3-N淋失，并確認(rèn)不同氮素形態(tài)的淋失率是NO3-N>NO2-N>NH4-N。

4.2 污水、污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)

模擬污水或污染物的滲入過(guò)程，研究污染物在包氣帶中的吸附、轉(zhuǎn)化、自凈機(jī)制，確定包氣帶的防護(hù)能力