利用時(shí)域反射儀測定飽和砂土中非水相液體①

陳福新，巨兆強(qiáng)，劉曉娜，錢天偉*

（1 太原科技大學(xué)環(huán)境與安全學(xué)院，太原　030024；2 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，石家莊　050021）

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利用時(shí)域反射儀測定飽和砂土中非水相液體①

陳福新1，巨兆強(qiáng)2，劉曉娜1，錢天偉1*

（1 太原科技大學(xué)環(huán)境與安全學(xué)院，太原030024；2 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，石家莊050021）

摘要：利用時(shí)域反射技術(shù)，以飽和砂土和菜籽油、機(jī)油為研究對(duì)象，室內(nèi)模擬研究了非水相液體（NAPLs，nonaqueous phase liquids）污染土壤的介電常數(shù)和電導(dǎo)率的變化規(guī)律，確定了飽和砂土中NAPLs含量的預(yù)測模型。研究表明：①飽和砂土中體積含油量在0 ～ 0.05 cm3/cm3時(shí)，土壤介電常數(shù)并無顯著變化；隨著NAPLs體積含量的進(jìn)一步增加，介電常數(shù)呈線性減小趨勢(shì)；土壤體積質(zhì)量和 NAPLs類型對(duì)相同飽和度的土壤介電常數(shù)未產(chǎn)生影響。②飽和土壤的電導(dǎo)率與NAPLs含量存在良好的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.96）；土壤體積質(zhì)量對(duì)相同飽和度的土壤電導(dǎo)率未產(chǎn)生影響。③混合介電模型（α.= 0.5）高估了飽和砂土中NAPLs含量，平均RMSE為0.038 cm3/cm3；參數(shù)α調(diào)整為0.52后，混合介電模型提高了預(yù)測精度，比原混合介電模型（α.= 0.5）預(yù)測精度可以提高23.2%。本研究結(jié)果表明可利用時(shí)域反射技術(shù)監(jiān)測污染土壤的介電常數(shù)與電導(dǎo)率并測定飽和土壤中NAPLs的含量。

關(guān)鍵詞：時(shí)域反射技術(shù)；飽和砂土；非水相液體；介電常數(shù)；混合介電模型

隨著近年來石油化工工業(yè)的快速發(fā)展，大量的有機(jī)污染物經(jīng)由各種途徑進(jìn)入地下環(huán)境系統(tǒng)，造成生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞。有機(jī)污染物質(zhì)進(jìn)入地下環(huán)境后，大多以非水相液體（NAPLs，nonaqueous phase liquids）形式污染土壤和地下水。土壤中NAPLs是與水、氣不相混溶的流體物質(zhì)，具有揮發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，在特定條件下，NAPLs可成為某些地方土壤和地下水持續(xù)性的污染源［1］。非水相液體進(jìn)入土壤、水環(huán)境會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，對(duì)土壤的危害主要表現(xiàn)在NAPLs污染物進(jìn)入土壤容易堵塞土壤孔隙，令土壤透水、透氣性降低［2］；改變土壤有機(jī)質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)，引起土壤有機(jī)質(zhì)的碳氮比（C/N）和碳磷比（C/P）變化等，破壞生物生境，導(dǎo)致土壤微生物群落和區(qū)系發(fā)生變化［3］。同時(shí)，土壤中NAPLs污染源的存在將在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)持續(xù)而緩慢地向地下水中釋放NAPLs污染物，將會(huì)對(duì)用水安全和農(nóng)作物安全產(chǎn)生極大影響，對(duì)飲用水水源也構(gòu)成極大威脅［4］。因此，近年來，非水相液體對(duì)土壤和地下水的污染研究及治理越來越受到重視，已成為當(dāng)前發(fā)達(dá)國家地下水環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)課題之一。然而，NAPLs泄露進(jìn)入地下介質(zhì)后的內(nèi)在變化十分復(fù)雜，監(jiān)測的難度和準(zhǔn)確性受到限制，為了研究非水相液體對(duì)土壤和地下水的污染，越來越多的研究方法已被應(yīng)用在這個(gè)領(lǐng)域中。

時(shí)域反射技術(shù)（TDR，time-domain-reflectometry）是一種利用電磁波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間來確定介質(zhì)性質(zhì)的探測技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。利用TDR通過測定傳感器上時(shí)域反射波的起始和終止時(shí)間以及反射波幅度，能夠快速推算出土壤的介電常數(shù)、含水量和電導(dǎo)率［5-7］。TDR具有快速、準(zhǔn)確、可連續(xù)原位測定、無輻射以及不破壞土壤樣品等優(yōu)點(diǎn)。國外研究者已有少量TDR測定土壤中NAPLs的研究，在NAPLs污染土壤監(jiān)測方面，Redman和Deryck［8］及Brewster等［9］首先通過模型試驗(yàn)研究了利用TDR監(jiān)測飽和砂土中NAPLs的運(yùn)移過程。Persson等［10-12］通過TDR對(duì)四相介質(zhì)（水-砂-氣-NAPLs）介電常數(shù)和電導(dǎo)率的測試結(jié)果，提出了介質(zhì)中水和 NAPLs含量的預(yù)測方法。Ajo-Franklin等［13］利用TDR對(duì)飽和砂土介質(zhì)中加入 NAPLs后的介電常數(shù)進(jìn)行了研究，并運(yùn)用相關(guān)模型對(duì)NAPLs的含量進(jìn)行了預(yù)測。國內(nèi)大部分有關(guān)TDR研究均側(cè)重于土壤水分和溶液的監(jiān)測。胡高偉等［14］與業(yè)渝光［15］利用TDR監(jiān)測了海底沉積物中水合物的飽和度及生成過程。何飛等［16］對(duì)于NAPLs的研究則集中于污染土壤的修復(fù)方面；詹良通等［17］以石英砂、柴油和水為對(duì)象，通過對(duì)柴油-水-氣-砂土均勻混合介質(zhì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率的測試后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)LNAPLs（輕非水相液體）污染物滲入非飽和砂土層中時(shí)，TDR方法的有效性取決于土層的飽和度。目前利用TDR監(jiān)測NAPLs的相關(guān)研究還較為薄弱，NAPLs對(duì)土壤電特性的影響以及污染土壤中NAPLs含量的定量預(yù)測相對(duì)較少。

因此，本研究采用菜籽油和機(jī)油作為NAPLs污染物的模擬材料，應(yīng)用TDR測定飽和砂土中NAPLs含量，分析土壤介電特性和電導(dǎo)率隨NAPLs含量變化的規(guī)律，探討土壤中NAPLs含量的混合介電模型預(yù)測方法，并試圖進(jìn)一步改善模型預(yù)測土壤中 NAPLs含量的精度。本研究不僅有助于深入認(rèn)識(shí)NAPLs含量與土壤介電特性的關(guān)系，而且對(duì)研究污染土壤中水分運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移等土壤物理過程及土壤污染監(jiān)測方面具有重要的指導(dǎo)意義，以及在NAPLs污染土壤和地下水的修復(fù)等環(huán)境治理中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1　材料與方法

1.1供試材料

供試土壤為砂土，樣品風(fēng)干后粉碎、過篩（2 mm）。比重計(jì)法測定土壤機(jī)械組成，土壤砂粒（2 ～ 0.02 mm）98%，粉粒（0.02 ～ 0.002 mm）2%。實(shí)驗(yàn)中所用非水相液體（NAPLs）為菜籽油和機(jī)油，密度分別為0.91 g/cm3和0.88 g/cm3。

1.2時(shí)域反射儀（TDR）以及探針標(biāo)定

試驗(yàn)所用TDR主機(jī)為TDR100（Compbell公司，美國），TDR探頭為三針式，設(shè)計(jì)長度7.5 cm，探針間距1 cm，直徑0.6 cm。探頭通過2 m長的50?同軸電纜線連接到主機(jī)。

為了更精確地測量介電常數(shù)，對(duì)探頭長度L進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)中TDR探頭的長度利用TDR100通過對(duì)TDR波形上第一反射點(diǎn)（L0）和第二反射點(diǎn)（L1）確定并計(jì)算得到。L0是在空氣中將三根探針從最底部利用刀片短路得到［18］，L1通過WinTDR軟件分析TDR探頭置于去離子水中的波形來確定。最后，探頭長度 L通過下面的公式計(jì)算得到：

式中：80.36是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)20℃時(shí)水的介電常數(shù)。標(biāo)定過程重復(fù)10次，L為10次測定的平均值。標(biāo)定后探頭長度為7.50 cm。

TDR可以測定介質(zhì)的電導(dǎo)率，必須首先得到TDR探頭的電導(dǎo)率幾何參數(shù)。TDR 探頭的幾何參數(shù)（Kp）和包括電纜測試儀、連接器和同軸電纜的電阻（Rcable）可以利用TDR探針插入已知電導(dǎo)率的溶液中標(biāo)定得到。具體操作過程是：將探針插入一系列已知濃度（0.0、0.001、0.003、0.005、0.008、0.01、0.02、0.03、0.05、0.1 mol/L）的KCl溶液中，記錄TDR波形曲線的同時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率儀（雷磁DDS-307型，中國上?？茖W(xué)儀器儀表有限公司）測定溶液的電導(dǎo)率。Kp和 Rcable可以通過測得的電導(dǎo)率和已知公式計(jì)算得到。詳細(xì)標(biāo)定過程可參考Heimovaara［19］和巨兆強(qiáng)［20］。標(biāo)定過程在恒溫室（20℃）中完成。

1.3實(shí)驗(yàn)過程

恒定室溫下，按照設(shè)定體積質(zhì)量（容重）（ρ=1.4、1.5、1.6 g/cm3）將一定數(shù)量烘干土樣均勻填裝到有機(jī)玻璃柱內(nèi)。有機(jī)玻璃柱內(nèi)徑8 cm，高10 cm，柱底鋪一張濾紙以防止柱內(nèi)土壤樣品損失。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中土柱均置于電子天平上，便于實(shí)際進(jìn)樣量的觀察與記錄。實(shí)驗(yàn)開始后，利用精確注射泵，從柱底預(yù)留小孔緩慢注入去離子水，直至水分完全飽和土壤，保持24 h。將TDR探針垂直插入土柱，測定水飽和狀態(tài)下的介電常數(shù)和電導(dǎo)率。然后，立即將NAPLs以極低的速度（2 ml/min）從土柱底部注入，每間隔 10 ml左右進(jìn)樣量記錄TDR波形數(shù)據(jù)，分析計(jì)算介質(zhì)的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，同時(shí)記錄天平數(shù)據(jù)計(jì)算樣品進(jìn)入的實(shí)際重量。NAPLs注入過程直至計(jì)算介質(zhì)的介電常數(shù)保持穩(wěn)定后結(jié)束。

1.4多相混合介電模型

NAPLs替代水進(jìn)入飽和砂土的過程中，介質(zhì)為NAPLs-水-砂土的三相混合介質(zhì)?；旌辖殡娔Ｐ停–DM）可以被用來計(jì)算多相介質(zhì)的介電常數(shù)值（K），即用介質(zhì)組成成分的體積含量及其介電常數(shù)之間的關(guān)系來描述：

式中：φ.為介質(zhì)孔隙度；θn為 NAPLs的體積含量；Kw、Ks和Kn分別為水、土壤和NAPLs的介電常數(shù)；α是一個(gè)與電場方向有關(guān)的因子，一般給定α=0.5［21］。

1.5誤差分析

為評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)測的差異，測定值的準(zhǔn)確性用均方根差（RMSE）來反映。RMSE的表達(dá)式為：

式中：θv表示混合介電模型計(jì)算的NAPLs含量，θa是實(shí)際測得的NAPLs含量，n表示數(shù)據(jù)的樣本個(gè)數(shù)。

2　結(jié)果與分析

2.1飽和狀態(tài)下 NAPLs含量與土壤介電常數(shù)和電導(dǎo)率的關(guān)系

2.1.1與介電常數(shù)的關(guān)系飽和狀態(tài)下NAPLs體積含量與介電常數(shù)的關(guān)系見圖1。由圖1a可以看出，飽和土壤中菜籽油注入的開始階段，體積含油量的增加對(duì)相對(duì)介電常數(shù)的影響并不明顯。體積含油量在0 ～0.05 cm3/cm3，土壤的介電常數(shù)在飽和點(diǎn)附近波動(dòng)，變化很小，平均為27.8。隨著NAPL體積含量的進(jìn)一步增加，介電常數(shù)呈現(xiàn)顯著減小的趨勢(shì)，并與體積含油量存在線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.80。土壤介電常數(shù)隨著NAPLs的持續(xù)增加呈直線減少趨勢(shì)，這是因?yàn)椴俗延偷慕殡姵?shù)是4.4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于土壤中水的介電常數(shù)（80.36，20℃），因此水對(duì)于土壤介電常數(shù)測定的影響更大。隨著體積含油量增加，飽和土壤中體積含水量就相對(duì)地減少，所以土壤介電常數(shù)相應(yīng)地減小。

飽和狀態(tài)下，NAPLs 的緩慢進(jìn)入并沒有影響土壤介電常數(shù)，而是保持一定數(shù)值。原因可能是蠕動(dòng)泵從柱底小孔注入 NAPLs 的速度極其緩慢，體積含油量小，NAPLs 取代飽和砂土中的孔隙水比較困難，此時(shí)測得的介電常數(shù)仍是水飽和砂土?xí)r介質(zhì)的介電常數(shù)；含油量達(dá)到 0.05 cm3/cm3以后 NAPLs 逐漸取代水飽和砂土，因此介質(zhì)的介電常數(shù)將會(huì)隨體積含油量的增加而減小，這與李洪麗［22］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。另一原因可能是在含水砂土中加入 NAPLs 引起了孔隙水介電性質(zhì)發(fā)生了變化［23］。由于 NAPLs 密度小、粘著力強(qiáng)等特點(diǎn)，加入后更易發(fā)生吸附作用，注入的 NAPLs 和水由于體積不同導(dǎo)致二者在砂土表面形成了油包水膜，使介質(zhì)產(chǎn)生了不同的極化效果，影響了砂土的介電特性。當(dāng)達(dá)到飽和點(diǎn)之后，NAPLs-水-砂土?xí)簳r(shí)形成了較為穩(wěn)定的三相體，導(dǎo)致體積含水量一定情況下增加 NAPLs 含量不再明顯改變?nèi)嘟橘|(zhì)的介電常數(shù)。

圖1　不同體積質(zhì)量砂土飽和條件下NAPLs含量與介電常數(shù)的關(guān)系Fig. 1　Dielectric constant of the saturated sandy soil measured as a function of NAPLs content

由圖 1b 可以看出，對(duì)于機(jī)油來說，土壤飽和條件下其體積含量與介質(zhì)介電常數(shù)的關(guān)系與菜籽油實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)一致的規(guī)律。當(dāng)體積含油量大于 0.05 cm3/cm3時(shí)，飽和土壤介電常數(shù)均隨機(jī)油體積含量增加而減小。土壤介電常數(shù)從水分飽和時(shí)的 28 ～ 30 逐漸降低到 NAPLs 飽和的 10 ～ 15，介電常數(shù)與機(jī)油體積含量呈高度線性相關(guān)，R2=0.86。

飽和土壤的介電常數(shù)并沒有受到不同 NAPLs的影響，菜籽油和機(jī)油在飽和土壤中含量相同時(shí)，介電常數(shù)并沒有顯著差異（P＜0.05），特別是在 0.05 ～0.25 cm3/cm3范圍內(nèi)。機(jī)油和菜籽油同屬于LNAPLs，介電常數(shù)差異較小，因此二者對(duì)飽和土壤介電常數(shù)的影響差異不大。此外，相同的油飽和度條件下，土壤體積質(zhì)量幾乎對(duì)介電常數(shù)不產(chǎn)生影響。飽和土壤中影響介電常數(shù)的最大因素是液相含量，土壤顆粒本身的介電常數(shù)較小（5.0），因此液相體積含量相同條件下，飽和土壤的介電常數(shù)保持相等。

2.1.2與電導(dǎo)率的關(guān)系飽和狀態(tài)下NAPLs體積含量與土壤電導(dǎo)率的關(guān)系見圖2。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，土壤電導(dǎo)率隨著NAPLs含量的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且二者呈良好的負(fù)決定線性關(guān)系，菜籽油、機(jī)油含量與電導(dǎo)率決定系數(shù)（R2）分別為0.97和0.95。隨著菜籽油和機(jī)油體積含量從0增加到0. 25 cm3/cm3，土壤電導(dǎo)率從180 μS/cm線性降低到80 μS/cm左右。相同的油飽和度條件下，不同體積質(zhì)量土壤的電導(dǎo)率基本相同，因此體積質(zhì)量對(duì)油水飽和土壤的電導(dǎo)率不產(chǎn)生影響。不同 LNAPLs試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相同的體積含油量時(shí)，機(jī)油混合介質(zhì)的電導(dǎo)率一般高于菜籽油混合介質(zhì)的電導(dǎo)率。

飽和土壤中電流傳導(dǎo)是土壤（包括礦物顆粒和液態(tài)水）中離子移動(dòng)的結(jié)果，主要依靠土壤孔隙水中溶解離子傳導(dǎo)的液相路徑，與孔隙中溶液內(nèi)的自由離子密切相關(guān)［24］。Dalton 等［6］首先利用 TDR測定土壤電導(dǎo)率，認(rèn)為電導(dǎo)率與土壤溶液濃度密切相關(guān)。土壤電導(dǎo)率依賴于土壤孔隙溶液的電導(dǎo)率和含水量。在本研究中，隨著體積含油量的增加，飽和土壤中含水量相應(yīng)地減少，溶解的導(dǎo)電粒子隨之減少，因此土壤電導(dǎo)率降低。

圖2　不同體積質(zhì)量砂土飽和條件下NAPLs含量與電導(dǎo)率的關(guān)系Fig. 2　Electrical conductivity of the saturated sandy soil measured as a function of NAPLs content

2.2混合介電模型預(yù)測飽和狀態(tài)下土壤中NAPLs的含量

混合介電模型預(yù)測的機(jī)油體積含量與實(shí)測結(jié)果的對(duì)比情況見圖 3。由圖 3 可以看出，混合介電模型（α=0.5）高估了飽和砂土中 LNAPLs （機(jī)油）含量，不同體積質(zhì)量（1.4、1.5、1.6 g/cm3）土壤中預(yù)測機(jī)油含量的RMSE 分別為 0.041、0.031和 0.043 cm3/cm3。調(diào)整參數(shù)α 的大小為 0.52 后，發(fā)現(xiàn)除了低含量（＜0.10 cm3/cm3）時(shí)預(yù)測值略低于實(shí)測值，混合介電模型能夠較好地預(yù)測機(jī)油含量，平均 RMSE 為 0.02 cm3/cm3。因此，利用混合介電模型預(yù)測土壤中 LNAPLs 含量時(shí)，公式中 α 的大小可以確定為 0.52。

圖3　混合介電模型預(yù)測飽和砂土中機(jī)油含量與實(shí)際值的比較Fig. 3　Relationship between the measured and estimated motor oil content in the saturated sandy soil

為了進(jìn)一步驗(yàn)證混合介電模型（α=0.52）預(yù)測 LNAPLs含量的精度，利用不同體積質(zhì)量飽和砂土中菜籽油含量的實(shí)測結(jié)果與模型預(yù)測值進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果見圖4。由圖 4 可以看出，混合介電模型調(diào)整參數(shù) α 為0.52 后，可以較好地預(yù)測土壤中菜籽油的含量，不同體積質(zhì)量（1.4、1.5、1.6 g/cm3）土壤中預(yù)測含量RMSE 分別為 0.026、0.022 和 0.033 cm3/cm3，比原混合介電模型（α=0.50）預(yù)測精度可以提高 23.2%。α 是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，考慮了土壤顆粒在電場中幾何方位。許多研究提出了不同的 α 數(shù)值，范圍是 0.45 ～ 0.65［21， 25］。本研究中，α=0.52 正好處于前人研究的 α 范圍之內(nèi)。

圖4　混合介電模型預(yù)測飽和砂土中菜籽油含量與實(shí)際值的比較Fig. 4　Relationship between the measured and estimated rapeseed oil contents in the saturated sandy soil

3　討論與結(jié)論

飽和土壤的介電常數(shù)隨著NAPLs體積含量的增加呈直線減少趨勢(shì)，這種減小的趨勢(shì)與 Quafisheh［26］的試驗(yàn)結(jié)果一致：無論汽油、柴油，還是四氯乙烯的加入，飽和土壤的介電常數(shù)均降低；Ajo-Franklin等［13］也發(fā)現(xiàn)，隨著TCE的加入，土壤介電常數(shù)降低程度可達(dá)32%。

電導(dǎo)率隨著 NAPLs含量的增加呈直線下降趨勢(shì)。電導(dǎo)率的大小主要受到土壤中含水量的影響，本研究中電導(dǎo)率與含水量之間的關(guān)系與Kalinski和Kelly［27］提出的體積含水量-電導(dǎo)率關(guān)系基本一致。Persson和Berndtsson［10］研究表明，土壤電導(dǎo)率隨著 NAPLs含量增加而減小，并且認(rèn)為是由于體積含水量的減少和土壤孔隙彎曲度的增加所導(dǎo)致的。Haridy等［12］發(fā)現(xiàn)，非飽和土壤屬于非水液相-空氣-土壤的三相介質(zhì)，隨著NAPLs含量增加土壤電導(dǎo)率并沒有變化。相同的體積含油量時(shí)，機(jī)油混合介質(zhì)的電導(dǎo)率略高于菜籽油混合介質(zhì)的電導(dǎo)率。這是由于機(jī)油的密度（0.88 g/cm3）較菜籽油的密度（0.91 g/cm3）小，且都小于水的密度，進(jìn)入相同含量時(shí)，機(jī)油混合介質(zhì)的濃度較菜籽油混合介質(zhì)濃度大。在相同溫度下，電導(dǎo)率與液體濃度呈正相關(guān)關(guān)系［28］。

混合介電模型（α=0.5）高估了飽和砂土中 NAPLs含量，參數(shù) α 調(diào)整為0.52后，混合介電模型預(yù)測精度提高，比原混合介電模型（α=0.50）預(yù)測精度提高23.2%，平均RMSE為0.025 cm3/cm3。Moroizumi和Sasaki［29］研究也發(fā)現(xiàn)，參數(shù) α 調(diào)整為 0.38后介電混合模型預(yù)測飽和土壤中蓖麻油的含量 RMSE可以降低到0.01 cm3/cm3以下。Ajo-Franklin等［13］的研究結(jié)果表明，分別調(diào)整參數(shù) α=0.38和 α=0.46后，介電混合模型預(yù)測的飽和土壤中LNAPLs含量和DNAPLs（重非水液相）與實(shí)測值一致性均較好。Persson和Berndtsson［10］發(fā)現(xiàn)，由于非飽和土壤是四相介質(zhì)，混合介電模型（α=0.5）預(yù)測的NAPLs含量誤差較大；而飽和狀態(tài)下混合介電模型則可以較為容易地得到NAPLs含量。然而，參數(shù) α 隨NAPLs含量是變化的，并不是定值；如果 α 保持恒定，NAPLs含量的RMSE大于0.05［10］。在本研究中，參數(shù) α 調(diào)整為 0.52后，兩種 LNAPLs含量（機(jī)油和菜籽油）預(yù)測的平均RMSE是0.29 cm3/cm3，表明 α 可以恒定，并且預(yù)測誤差較小。

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Determining Non-Aqueous Phase Liquids in Saturated Sandy Soil Using Time Domain Reflectometry

CHEN Fuxin1， JU Zhaoqiang2， LIU Xiaona1， QIAN Tianwei1*
（1 Institute of Environmental Science， Taiyuan University of Science and Technology， Taiyuan030024， China； 2 Center for Agricultural Resources Research， Institute of Genetics and Development Biology， Chinese Academy of Sciences， Shijiazhuang 050021， China）

Abstract：The polluted sandy soils by rapeseed oil and motor oil were prepared artificially and then the correlation of the contents of the non-aqueous phase liquids （NAPLs） with soil dielectric properties and electrical conductivity was investigated with time domain reflectometry （TDR）. The dielectric mixing model was used to predict NAPLs content and then calibrated by fitting a parameter of α. The results showed that soil dielectric constant did not change with oil content （v/v） below 0.05 cm3/cm3in the saturated sandy soil. However， soil dielectric constant decreased with the increasing NAPLs content linearly above the oil content of 0.05 cm3/cm3. Soil bulk density and the types of NAPLs did not affect soil dielectric constant for the same saturation of the soil. There was a linear negative correlation between the NAPLs content and soil electrical conductivity with R2=0.96. Soil bulk density did not affect electrical conductivity for the same saturation of the soil. The dielectric mixed model with α=0.5 overestimated the NAPLs content in the saturated sandy soil， with the average root mean square error of 0.038 cm3/cm3. After adjusting the parameter α to 0.52， the predicting accuracy of the dielectric mixed model was increased by 23.2%. Therefore， TDR can be applied to determine the contents of NAPLs in contaminated soils.

Key words：Time domain reflectometry （TDR）； Saturated sandy soil； Non-aqueous phase liquids； Dielectric constant；Dielectric mixing model

中圖分類號(hào)：S152；X53

DOI：10.13758/j.cnki.tr.2016.02.018

基金項(xiàng)目：①國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41271241）和山西省科技重大專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目（20131101028）資助。

* 通訊作者（juzhq@sjziam.ac.cn）

作者簡介：陳福新（1989—），男，河北秦皇島人，碩士研究生，主要從事環(huán)境科學(xué)研究。E-mail： cfx540621@163.com