孫亞坤，能昌信，張?jiān)鰪?qiáng)，劉玉強(qiáng)，董 路

1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100

2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院固體廢物污染控制技術(shù)研究所，北京 100012

3.西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院，陜西 楊凌 712100

鉻污染土壤介電性質(zhì)影響因素研究

孫亞坤1，2，能昌信2*，張?jiān)鰪?qiáng)3，劉玉強(qiáng)2，董 路2

1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100

2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院固體廢物污染控制技術(shù)研究所，北京 100012

3.西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院，陜西 楊凌 712100

為了探討復(fù)介電常數(shù)法在鉻污染場(chǎng)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)的可行性，通過(guò)試驗(yàn)比較了不同鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤含水率和孔隙比下的土壤介電性質(zhì)的頻散特性.結(jié)果表明，污染土壤復(fù)介電常數(shù)呈較為明顯的隨著頻率升高而降低的頻散特征，頻率低于50 MHz時(shí)，土壤復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部變化較為明顯;隨著鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、含水率和孔隙比的增大，土壤復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部均有增大的趨勢(shì).通過(guò)分析土壤復(fù)介電常數(shù)和含水率、鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)及孔隙比的變化關(guān)系，推導(dǎo)了土壤含水率與介電常數(shù)實(shí)部、鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與介電常數(shù)虛部的關(guān)系模型，并能夠?qū)︺t污染土壤的鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)及含水率進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，為介電常數(shù)法用于土壤中鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的快速檢測(cè)提供了有益的探索.

鉻污染土壤;復(fù)介電常數(shù);頻散特性;電法監(jiān)測(cè)

Abstract:In order to investigate the feasibility of monitoring chrome-contaminated fields using the complex dielectric constant method，we compared the dielectric dispersion characteristics of the soil under conditions of different chrom ium pollution concentration，soil moisture content and void ratio.The results show that the complex dielectric constant of contaminated soil decreases obviously with increasing frequency.When the frequency is lower than 50 MHz，a significant change of the real and imaginary parts of the soil complex dielectric constant can be observed.Moreover，with increasing chrome pollutant concentration，moisture content and void ratio，both the real and imaginary parts of the soil complex dielectric constant increase.Through analysis of the relationship among soil complex dielectric constant and moisture content，chrome pollution concentration，and soil void ratio，we deduced a model for soil moisture content and the real quantity of soil dielectric constant，and a model for chrome pollutant concentration and the imaginary quantity of soil dielectric constant.Therefore，through the comparison of the real and imaginary quantities of the complex dielectric constant，we could evaluate and monitor chrome pollution.

Keywords:chrome-contaminated soil;complex dielectric constant;dielectric dispersion characteristic;electricalmonitoring method

目前，絕大部分鉻污染土壤都是鉻渣的污染所致，而鉻渣是在鉻鹽生產(chǎn)過(guò)程中排出的含有Cr6+的固體廢物，屬于含有重金屬污染的危險(xiǎn)廢物.自1958年開(kāi)始，我國(guó)已積存填埋600×104t以上的高毒性鉻渣，并且以每年60×104t的速度遞增，國(guó)內(nèi)未經(jīng)處理的鉻渣量仍高達(dá)400×104t以上，遍布全國(guó)20多個(gè)省市［1］.國(guó)內(nèi)的一些鉻鹽生產(chǎn)企業(yè)關(guān)停后，殘留的廢棄鉻渣直接露天堆放在地面上，而堆放鉻渣的地面又未經(jīng)過(guò)任何防風(fēng)、防雨和防滲漏的措施，大部分鉻渣污染場(chǎng)地因此而形成.甚至個(gè)別鉻渣堆放點(diǎn)位于地表水附近，經(jīng)過(guò)雨水的沖刷，其中的有毒Cr6+隨之瀝出.由于Cr6+有很強(qiáng)的遷移能力，對(duì)地下水、地表水和土壤造成了嚴(yán)重的污染［1-3］.這些鉻污染場(chǎng)地需要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)和治理.

對(duì)鉻污染場(chǎng)地進(jìn)行修復(fù)和治理的前期工作就是要對(duì)其污染狀況進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè).目前，監(jiān)測(cè)受污染土壤和地下水的最基本的途徑是對(duì)采集的樣品進(jìn)行物理和化學(xué)分析，但傳統(tǒng)的鉆孔取樣加實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析方法十分耗時(shí)且成本高［4-6］，有如下較為明顯的缺點(diǎn):①調(diào)查采樣的數(shù)量有限，很難對(duì)污染狀況做到全面了解;②地質(zhì)鉆孔取樣會(huì)破壞污染物在地下的原有分布和富集，并容易使污染物沿著鉆孔繼續(xù)向底層深處遷移;③周期長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性差，不適合作長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè).

鑒于此，需要發(fā)展一種更為快速有效的鉻污染場(chǎng)地監(jiān)測(cè)手段.地球物理探測(cè)的相關(guān)研究表明，物質(zhì)的介電性能作為一個(gè)非常重要的參數(shù)［7］，因其快速、原位、無(wú)損的測(cè)量特點(diǎn)，可以通過(guò)測(cè)定土壤體系復(fù)介電常數(shù)的方法來(lái)表征地下污染物的情況［8］.介電常數(shù)，又稱電容率，無(wú)量綱，是表示物質(zhì)絕緣能力特性的一個(gè)系數(shù)，用來(lái)衡量介質(zhì)在外加電場(chǎng)中電荷分布被極化的程度.土壤復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部在很大程度上受到土壤含水量的影響;土壤溶液中含鹽量的變化影響土壤的導(dǎo)電性，即復(fù)介電常數(shù)的虛部.在先前的土壤介電性質(zhì)研究中，TOPP等［9-11］對(duì)含水率和土壤介電特性關(guān)系作了較為系統(tǒng)的研究;DAYARAN等［12-13］研究了土壤污染物對(duì)土壤介電性能的影響;FRANCESCO等［14］基于獲取的雷達(dá)圖像計(jì)算了土壤的介電常數(shù);等［15］使用逆建模的方法根據(jù)探地雷達(dá)信號(hào)對(duì)沙質(zhì)土壤的介電特性與含水量的關(guān)系進(jìn)行了研究.但有關(guān)污染土壤介電特性方面的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道.

研究目的:①在10～200 MHz范圍內(nèi)，分別考察不同土壤含水率、鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)和孔隙比下鉻污染土壤的復(fù)介電常數(shù)，以了解鉻污染土壤復(fù)介電常數(shù)隨微波電磁波頻率變化的關(guān)系;②研究土壤復(fù)介電常數(shù)虛部隨鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的規(guī)律.

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集及預(yù)處理

土壤樣品的采集采用分區(qū)隨機(jī)布點(diǎn)的方法.由于需要對(duì)鉻污染場(chǎng)地的土壤進(jìn)行模擬，并且鉻污染場(chǎng)地的主要污染物為 Na2CrO4和 Na2Cr2O4，故利用向土壤中加入優(yōu)級(jí)純Na2CrO4試劑的方法來(lái)模擬鉻污染物，在中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院固體廢物污染探測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)地中選取未經(jīng)過(guò)鉻污染的砂質(zhì)壤土進(jìn)行試驗(yàn)研究，從而可以減小其他離子因素的影響.土壤樣品采集后集中進(jìn)行預(yù)處理，風(fēng)干、過(guò)篩，集中混合后，利用四分法對(duì)樣品進(jìn)行縮減，每份100 g左右.對(duì)土壤樣品進(jìn)行常規(guī)理化性質(zhì)測(cè)定，并采用《固體廢物 浸出毒性浸出方法 翻轉(zhuǎn)法》(GB 5086.1—1997)，分別利用離子色譜儀(Dionex ICS－1000)和ICP－MS(Agilent 7500CS)測(cè)量陰陽(yáng)離子含量背景值，結(jié)果如表1，2所示.

表1 土壤樣品的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of soil sample

表2 土壤浸出液元素背景值Table 2 Components of CK soil sample

1.2 室內(nèi)分析

選取鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、含水率、孔隙比和不同供電頻率4個(gè)因素，利用去離子水配制含有不同鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(50，100，150，200，500和1 000 mg/kg)、不同含水率(8%，15%和25%)和不同孔隙比(0.45，0.49和0.53)的鉻污染土壤;配制后將土壤樣品靜置48 h，待溶液與土壤充分混合后，備測(cè).

在10～200 MHz頻率范圍內(nèi)，采用同軸線終端開(kāi)路反射法，利用 Agilent E5061A微波網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)量不同頻率下砂質(zhì)壤土的復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部，分析各因素對(duì)鉻污染土壤復(fù)介電常數(shù)頻散特性的影響.考慮到物質(zhì)的介電性能受溫度影響較為明顯［16］，因此，所有的土壤樣品都是在室溫(即19～21℃)下快速測(cè)量的，這樣可以盡可能地減少溫度變化給測(cè)量帶來(lái)的影響.

2 鉻污染土壤介電特性試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 含水率對(duì)土壤復(fù)介電常數(shù)的影響

圖1，2分別為在無(wú)污染物和鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 000 mg/kg的土壤在含水率為8%，15%和 25%下的土壤介電性能.污染土壤的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和虛部明顯大于未污染土壤.當(dāng)含水率為25%時(shí)，隨著頻率的增加，未污染土壤和污染土壤的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和虛部都有下降的趨勢(shì):在低于50 MHz時(shí)，實(shí)部和虛部急劇下降;高于50 MHz時(shí)，下降趨勢(shì)較為平緩.對(duì)于未污染土壤，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部受含水率變化影響較大，隨著含水率的增加，其值明顯增大;而復(fù)介電常數(shù)虛部受含水率的影響不如實(shí)部明顯，尤其是在含水率為8%和15%時(shí)對(duì)虛部幾乎沒(méi)有影響.對(duì)于污染土壤，復(fù)介電常數(shù)虛部受含水率變化影響明顯增大，實(shí)部受低含水率(8%和15%)的影響不大.

2.2 鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)土壤復(fù)介電常數(shù)的影響

圖1 未污染土壤不同含水率下的復(fù)介電常數(shù)Fig.1 Dielectric dispersion characteristics of soil with different water content

圖2 鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 000 m g/kg時(shí)不同含水率土壤的復(fù)介電常數(shù)Fig.2 Dielectric dispersion characteristics of 1 000 mg/kg chrome contaminated soil with different water content

如圖3所示，在不同測(cè)試頻率下，選取含水率為8%，孔隙比為0.45的土壤樣品，比較鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，50，100，150，200，500和1 000 mg/kg時(shí)污染土壤的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和虛部的變化情況.總體上講，隨著頻率的增加，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和虛部均呈逐漸減小的趨勢(shì).在較低頻率范圍(低于100 MHz)內(nèi)，隨著鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部呈小幅升高的趨勢(shì);當(dāng)頻率高于100 MHz時(shí)，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部隨鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小的趨勢(shì)比低頻率時(shí)小;在頻率趨近200 MHz時(shí)，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部幾乎趨于穩(wěn)定，變化不明顯.水與空氣共存于土壤孔隙中，而土壤孔隙中氣－固界面上產(chǎn)生的空間電荷極化效應(yīng)則使復(fù)介電常數(shù)實(shí)部增大.復(fù)介電常數(shù)虛部隨著鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，在低于 50 MHz的頻率范圍內(nèi)，復(fù)介電常數(shù)虛部隨著鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加明顯增大.這是由于鉻污染物離子在外加電場(chǎng)的作用下將會(huì)發(fā)生遷移，能量損耗會(huì)增加，使復(fù)介電常數(shù)的虛部也有所增加.當(dāng)頻率高于50 MHz時(shí)，復(fù)介電常數(shù)虛部隨鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高的變化趨緩，各鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的土壤樣品的復(fù)介電常數(shù)虛部曲線幾乎平行于x軸，即50 MHz以上頻段對(duì)土壤復(fù)介電常數(shù)的影響很小.

圖3 含水率為8%時(shí)不同鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)下土壤的復(fù)介電常數(shù)Fig.3 Dielectric dispersion characteristics of 8%water content with different chrome pollution

圖4 未污染土壤不同孔隙比下的復(fù)介電常數(shù)Fig.4 Dielectric dispersion characteristics of soil with different pore

2.3 孔隙比對(duì)土壤復(fù)介電常數(shù)的影響

如圖4，5所示，選取含水率為8%，未污染和鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 000 mg/kg的土壤在不同孔隙比(0.45，0.49和0.53)下復(fù)介電常數(shù)的變化情況.與含水率對(duì)土壤復(fù)介電常數(shù)的影響相似，污染土壤的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和虛部明顯大于未污染土壤.隨著孔隙比的減小，復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部均有減小的趨勢(shì).其中，污染土壤和未污染土壤實(shí)部的減幅較大，而虛部則僅僅是隨著孔隙比的減小而略有減小，即土壤孔隙比對(duì)復(fù)介電常數(shù)虛部的影響不大.在100 MHz以下復(fù)介電常數(shù)實(shí)部變化較大，在50 MHz以下復(fù)介電常數(shù)虛部隨頻率的變化較為明顯;在接近200 MHz的較高頻段時(shí)，不同孔隙比的土壤樣品受頻率變化的影響不大.

圖5 鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 000 m g/kg時(shí)不同孔隙比下土壤的復(fù)介電常數(shù)Fig.5 Dielectric dispersion characteristics of 1 000 mg/kg chrome contaminated soil with different pore

2.4 土壤介電常數(shù)模型

分別考慮含水率、孔隙比等對(duì)土壤復(fù)介電常數(shù)的影響，并且在實(shí)際應(yīng)用中，土壤含水率、孔隙比、容重直接存在一定的換算關(guān)系，結(jié)合以上分析，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部受土壤含水率影響較大，虛部主要受污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響.因此，采用在 Topps公式基礎(chǔ)上加入土壤容重修正因子的推廣式來(lái)表示土壤的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部［17］:

式中，ε為土壤復(fù)介電常數(shù)實(shí)部;θv為土壤含水率，L/L;ρb為土壤容重，g/cm3;m，n，p，k分別為與土壤性質(zhì)相關(guān)的參數(shù).根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到一個(gè)地區(qū)性的土壤介電常數(shù)實(shí)部模型，相關(guān)系數(shù)為0.962.

為反映土壤污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與復(fù)介電常數(shù)虛部的關(guān)系，利用經(jīng)驗(yàn)公式［18-19］表示:

式中，ε′為復(fù)介電常數(shù)虛部;θv為土壤含水率，L/L;w為污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg;K1，K2，α，β均為與土壤性質(zhì)相關(guān)的參數(shù).統(tǒng)計(jì)分析得到污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤復(fù)介電常數(shù)虛部的關(guān)系模型，相關(guān)系數(shù)為0.957:

因此，通過(guò)對(duì)污染土壤復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和虛部的綜合考慮，可以對(duì)污染土壤的含水率及鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析.

3 結(jié)論

a.鉻污染土壤復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部在不同含水率、孔隙比及鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)下均呈現(xiàn)較為明顯的頻散特性，即呈現(xiàn)隨著頻率的升高而明顯降低的趨勢(shì).

b.在低于50 MHz的頻段內(nèi)復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部隨頻率的變化趨勢(shì)較為明顯，在高于50 MHz頻段內(nèi)復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和虛部的測(cè)試數(shù)據(jù)均無(wú)明顯變化，因此，選取10～50 MHz頻段對(duì)土壤介電常數(shù)進(jìn)行測(cè)試較為理想.

c.污染土壤的復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部均明顯大于未污染土壤.由于復(fù)介電常數(shù)實(shí)部較大程度上受含水率的影響，而鉻污染土壤的復(fù)介電常數(shù)虛部存在顯著的差別，因此需結(jié)合復(fù)介電常數(shù)虛部來(lái)反映土壤中的鉻污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，為復(fù)介電常數(shù)法用于檢測(cè)鉻污染物提供了理論基礎(chǔ).

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Chrom e-Contam inated Soil Dielectric Characteristics＆Influencing Factors

SUN Ya-kun1，2，NAIChang-xin2，ZHANG Zeng-qiang3，LIU Yu-qiang2，DONG Lu2

1.College of Resources and Environment，Northwest Agriculture＆Forest University，Yangling 712100，China

2.Research Institute of Solid Waste Management，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

3.College of Science，Northwest Agriculture＆Forest University，Yangling 712100，China

X53

A

1001－6929(2011)01－0096－06

2010－06－11

2010－07－12

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(2009KYYW 04);國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2009AA063101)

孫 亞 坤 (1987 －)， 男， 河 北 唐 山 人，metalgod2008@yahoo.cn.

*責(zé)任作者，能昌信(1964－)，男，山東煙臺(tái)人，副研究員，博士，主要研究環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，naicx@craes.org.cn