基于分形理论的土体微结构渗流及溶质运移研究

发布时间：2020-10-09 05:12

　　土壤作为一种多孔介质,是连接大气层与地下水的桥梁,人类赖以生存的基础。人类的工业活动造成了严重的土壤污染,因此土壤的治理、修复成为当下热门的研究问题。之前,人们主要从土壤宏观物理特性角度研究污染物在土壤中的迁移规律,土壤微观结构对于污染物迁移的影响研究较少。随着分形理论的提出,计算机图像识别技术的进步,对于土体微观结构的定量化描述成为可能,建立土壤微结构与污染物迁移的统计模型成为当下热点。本文依托四川省教育厅重点课题“基于土体孔隙分形的水动力弥散特征研究”,基于国内外分形理论在土体学中的应用和土体溶质运移理论研究现状,制定了饱和土柱溶质运移实验方案;利用60目、80目、100目三种不同级配的石英砂人工配置了A、B、C、D、E、F六种不同的土体微结构。运用室内土柱实验,以饱和土柱中NaCl迁移为研究主线,结合渗透系数测定实验,研究了土体渗流特性对于溶质运移的影响。根据土体电镜扫描实验,激光粒度实验获得的土体孔隙大小分形维数、颗粒体积分形维数研究了土体微结构与土体渗流特性的关系。基于土体微结构与土体渗流特性的统计模型,结合水动力弥散系数的数据,得出了土体孔隙分形维数、颗粒体积分形维数与水动力弥散系数的统计模型,探讨了土体微结构特征对于溶质运移的影响,结论如下:1、分析土柱实验得到的渗透系数K,渗流速度V,水动力弥散系数D数据,建立了K与V,V与D的统计模型;综合以上两个模型推导分析得到:渗透系数K与渗流速度V、水动力弥散系数D呈线性正相关;土体渗流特性越好,土体中的溶质运移越快;根据激光粒径分析仪得到颗粒体积分形维数D_v的数据,建立颗粒体积分形维数与渗透系数的统计模型,此模型揭示了颗粒粒径的粗细程度与土体渗流特性规律为:颗粒粒径越细,导致土体孔隙之间的孔隙越小,致使水体在土体中的渗流减慢。2、根据颗粒体积分形维数D_v与渗透系数K,渗透系数K与渗流速度V,渗流速度V与水动力弥散系数D的统计模型推导得出D_v与D的模型。模型表明D_v与D呈线性正相关。结合之前的D_v与K的统计模型,分析得到:土体颗粒粒径越细,土体渗流特性越差,溶质在土体中运移的水动力弥散系数越低。3、利用PCAS软件分析得到孔隙分形维数D_f数据,建立了K与D_f的统计模型,模型反映了土体渗流特性受一定范围内孔隙大小分布的影响,大于这一范围的孔隙大小与土体渗流特性关联度不高。4、结合D_f与K,V与K、D的统计模型,推导得出D_f与D的模型。结合孔隙分形维数与水动力弥散系数实验数据,此模型揭示了:孔隙直径减小,土体中孔隙通道变窄,使得渗透系数逐渐减小,溶质运移速度减慢,水动力弥散系数减小。5、通过分析实验中六种不同结构土体的土体颗粒体积分形维数D_v与孔隙分形维数D_f的关系,研究得到:颗粒粒径减小,导致土体中的孔隙管道减小。表明同一土体渗流特性的和溶质运移的根本决定因素为颗粒粒径大小的分布特征。
【学位单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S152
【部分图文】：

技术路线图

溶质运移,实验装置,土柱

图 2-1 溶质运移实验装置土柱溶质运移实验步骤运移实验步骤如下：备土样时，首先在土柱底部铺 2cm 厚的滤石；采用每层厚度为 5cm；据土体容重计算每层土体所需装填的数量，然后将实度达到每层装填厚度。如此反复次制备出实验要求的土柱顶端覆盖上 3cm厚的滤石。后对土柱从上到下用自来水进行饱和直至土样里的空饱和完毕用超纯水对土柱内的土样进行淋洗直至土样最后将事先制备好的浓度为 0.2g/L 的 NaCl 溶液通过进行溶质运移实验，并定时在土柱底端的出水口取中的电导率进行测量，并记录在电脑中，直到 NaCl

激光粒度仪,马尔文,颗粒分析,实验步骤

图 2-2 激光粒度仪采用马尔文激光粒度仪进行土样颗粒分析，实验步骤如下：1、将激光粒度仪连接至计算机上，打开软件，在“首页”菜单中选择“手动测量”，进入测试窗口。在弹出的手动测量设置窗口中，按顺序添加样品的信息（样品名称、光学参数、测量次数等）；2、当设置完成后，按“确定”键，进入测试窗口，再搅拌器内加入清水（事先清洗 5 次以上，确定无其他固体颗粒）点击“开始”，仪器先初始化，再自动对光；3、按“开始”键进入背景测量；4、背景测试完成后，仪器会提示加入样品。此时，将样品加入搅拌器中，直到遮光度达到范围之后，按“开始”键进行测试。在测试过程中仪器会自动显示每步操作的过程；5、测试完成之后，页面会显示 2 次测试的趋势图和数据统计值，如果误差较大，可以按“开始”键重复测量；6、测试完成后再次清洁系统，避免污染；

【参考文献】