离心模拟实验（图1）结果需要通过适当的相似比加以转换以表征原型,而将小比例尺模型转换成原型的相似比有三大类,分别是几何相似比、运动相似比和动力相似比^{[ 12, 13]}。当模型与原型选用相同的多孔介质和渗透溶液时,离心模型与原型的几何尺寸存在如下关系： L_m/L_p=1/N (1)

式中： L_m为模型尺寸； L_p为原型尺寸； N为离心加速度水平,表示模型在 Ng（重力加速度）加速度下进行实验。几何相似比是离心实验模拟最基本的相似比^{[ 14]},它保证了离心模型与原型在相应点处的应力水平一致。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 离心模拟实验示意图Fig.1 Schematic diagram of centrifuge modeling experiments

运动相似在几何相似的基础上,需满足孔隙流速和加速度的相似^{[ 12, 13]},关系如下： v_m / v_p = N (2)

a_m/ a_p = N (3)

式中： v_m、 v_p分别为模型和原型的孔隙流速； a_m、 a_p分别是模型和原型的加速度,其中 a_p = g。

动力相似则是确保离心模型和原型中的力及物化过程中相关速率常数存在一个固定的相似比： ( F_i) _m/( F_i) _p= α (4)

式中： F_i代表各种形式（自重、粘性、压力等）产生的力或物化过程的速率常数, α是常数,下标 m和 p分别为模型和原型。

根据以上3类相似可推导出一系列物化参数的相似比,如表1所示,它对饱和流和非饱和流都适用。从表1可知,离心实验模拟时长是原型的1/ N²,即在100 g下模拟原型100年的迁移仅需不到4天。能够加速污染物质迁移过程的这一特点,是离心机能够应用于污染物质迁移研究的主要原因,它保证了离心模拟的高效性。需指出的是,根据公式(1),颗粒尺寸在离心模型中也应按比例缩小,但若用粘土代替砂石就明显不合适,因为它们的性质不一样,故常认为微观尺寸的相似比为1^{[ 3]}。

Arulanandan等^{[ 1]}通过量纲分析考察了离心实验模拟污染物迁移的可行性,并提出了八个无量纲数（表2前8项）。当离心模型与原型使用相同多孔

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 离心模拟相似比 Table 1 Scaling laws of centrifuge modeling 符号 物理意义 量纲 相似比 a 离心加速度 LT-2 N σ 应力 ML-1T-2 1 C 污染物质溶度 ML-3 1 v 流体速度 LT-1 N k 渗透率 L2 1 K 水力传导系数 LT-1 N μ 流体粘度 ML-1T-1 1 T 表面张力 MT-2 1 D 水力弥散系数 L2T-1 若 Pe<1,1 若 Pe>1, N Dm 分子扩散系数 L2T-1 1 L 宏观尺寸 L 1/ N d 微观尺寸（颗粒或孔隙大小） L 1 ρ 液体密度 ML-3 1 Kd 吸附系数 ML-3 1 kr 化学反应速率 T-1 1 t 时间 T 1/ N2 注：离心模型使用和原型一致的多孔介质及渗透溶液

表1 离心模拟相似比 Table 1 Scaling laws of centrifuge modeling

介质和渗透溶液时,模型的 π1、 π3、 π4、 π5及 π6和原型相等,故只需对 π2（即雷诺数 Re）、 π7和 π8（即佩克莱数 Pe）仔细判断。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 离心模拟无量纲数 Table 2 Dimensionless numbers during centrifuge modeling 无量纲数 表达式 溶度相似数 π1 C/ρ 雷诺数 π2 ρvd/μ 平流相似数 π3 vt/L 扩散相似数 π4 Dmt/L2 毛细影响数 π5 ρgLd/T 吸附相似数 π6 Kd/ρ 动力效应数 π7 gt2 /d 佩克莱数 π8 vd/Dm 化学影响数 π9 krt

表2 离心模拟无量纲数 Table 2 Dimensionless numbers during centrifuge modeling

若雷诺数 Re<1,介质中的渗流为层流,达西定律适用,即使模型与原型的 Re不等,流动现象也能够被正确模拟^{[ 15, 16]}。许多研究结果表明^{[ 13, 17, 18, 19, 20, 21]},在离心情况下 Re<1通常是满足的。动力效应数 π7只有惯性力在所研究对象中起重要作用时需加以考虑,如地震、爆炸情景的模拟,而若离心模型的孔隙水流状态为层流时,它的相似则可忽略^{[ 1]}。佩克莱数 Pe反映的是机械扩散与分子扩散的关系,若 Pe<1,则分子扩散为主要过程,离心模型能够正确模拟污染物的扩散迁移^{[ 22]},模型和原型的 Pe完全相等没有必要^{[ 1]}。

Cooke等^{[ 16]}在Arulanandan等^{[ 1]}的基础上,针对化学反应过程提出了第九项无量纲数—化学影响数 π9（表2）,也常称为丹姆尔数 D_R。Appelo等^{[ 23]}认为当 D_R>100时,化学反应过程能够被近似离心模拟。虽然如此,考虑到涉及化学反应的污染物迁移相当复杂且反应过程不能被离心加速,直接研究反应性物质的迁移比较困难,故常使用保守性物质进行离心模拟^{[ 16]}。

多孔介质中的水分受水力梯度的驱动,水流通量的大小可用达西定律计算获得。在离心机中,达西定律的表达式为^{[ 21, 24]}： (5)

式中： q为水流通量, K^*为水力传导系数（L³T/M）, ψ为基质势, r为距轴心的距离, ω为角速度。当介质饱和时,基质势梯度不存在,且 K^*与 ψ不相关,调整量纲由公式(5)可得： q= K_satω²r/g (6)

式中： K_sat（L/T）为饱和水力传导系数,其余同前。

饱和带水分运动主要体现在 K_sat上,它反映了水流通过多孔介质的难易,因此离心机在饱和带水分迁移的研究侧重于对 K_sat的测定。常规方法在低 K_sat时的测定通常非常耗时,而离心机能够加速水分运动,缩短测定时间,因此在这方面的应用广泛。Nimmo等^{[ 25]}利用小离心机测定了细质砂的 K_sat,他们在离心机上尝试了稳定流和暂态流2种方法,并与常规方法获得的结果进行对比,发现误差在20%以内。Singh等^{[ 20]}在离心机上利用暂态流法测定了当地粉土的 K_sat,发现与常规方法获得的结果很吻合。Goforth等^{[ 26]}利用离心机测试了砂土、砂土与粘土混合土样的饱和渗透率 k（L²）,发现与基准实验的结果相当吻合。Mitchell^{[ 27]}开发了一种无横向应变的弹性壁离心实验单元,并将其成功地应用于粘性衬垫 K_sat的测定。目前,将离心机应用于小样品饱和与非饱和水力传导系数的测定已成为美国材料试验学会的标准方法^{[ 28]}。

获知水力传导系数与水分含量 θ的关系 K( θ)及土壤持水曲线（Soil Water Retention Curve, SWRC）对于理解非饱和带水分的存储及迁移非常重要,然而常规方法确定 K( θ)和SWRC存在许多挑战,其中最主要的就是非常耗时,因此大多数研究都是依靠经验公式或理论模型,而不是通过实验获取。McCartney等^{[ 29]}通过离心实验获得的SWRC与理论推导的有差异,表明纯粹依靠经验关系或理论模型并不可靠,强调了实验获取非饱和土水力特性的重要性。

非饱和带水分迁移的控制方程为Richards方程,Nimmo^{[ 30]}验证了离心条件下非饱和流理论的适用性。在此基础上,Dell'avanzi等^{[ 31]}通过理论分析得出,稳态流离心土样上部分的基质势梯度趋近于零,基质势大小不受底部边界影响,且水分也很均匀,这与 Nimmo等^{[ 21]}、Zornberg等^{[ 32]}的结论一致,且 N越大,这一趋势越明显^{[ 29]}。基于此,公式(5)可简化成： q=K^*( ψ) ρω²r (7)

将公式(7)重排,将 K*（L³T/M）的量纲调整为 K（L/T）并表述为 θ的函数可得： K( θ)=qg/( ω²r) (8)

从公式(8)可知,只要知道稳态流的 q和 ω,就能求得 K,再在离心结束后测量土样的水分含量 θ,就能确定函数 K( θ)上的一点。改变实验条件,就可以快速获得 K( θ)。然而在基质势较高的情况下忽略基质势梯度,可能会引起较大误差,Nimmo等^{[ 21]}给出了评估和校正的方法。

离心土样上部的均一区只在有稳定水流通量的情况下存在,否则土样中的水分分布将不再均匀^{[ 33]}。在无水流通量的条件下,若离心加速到土样不再排水,则认为此时基质势梯度与离心力等值反向。Singh等^{[ 17]}利用这一原理,测定了多种不饱和土的水力传导系数及其特征曲线,发现与理论值很接近。离心机在非饱和带水分运动的研究较多,如Nakajima等^{[ 34]}利用出流量反算非饱和水力传导系数,Culligan等^{[ 35]}对包气带水分非稳定入渗进行了研究,Khaleel等^{[ 36]}研究高度不饱和下的 K( θ)关系等。van den Berg等^{[ 37]}对离心机在非饱和水力传导系数测量方面的应用进行了系统的回顾总结。

需强调的是,能否利用离心机模拟非饱和土中的水分迁移在学术界一直存有争议。Goforth等^{[ 38]}和Poulose等^{[ 39]}研究认为,在饱和度较低的土中,离心机不能够正确地模拟基质势作用下的流体流动。与此相反,Mitchell^{[ 4, 40]}认为离心模拟能够正确地描绘原型污染物迁移现象,包括非饱和细砂土中基质吸力引起的迁移。在介质饱和度较低的情况下,基质吸力主导着原型中水流的运动,而在 N很大的离心加速场内,主导水流运动的则可能是惯性力,驱动水流运动因素的改变很可能会影响离心模拟的效果及其可行性。然而,目前这种争议并没有得到很好的解决。

离心机能否应用于研究保守性溶质的迁移,已有很多相关的研究^{[ 1, 13, 16, 18, 40, 41, 42]},研究者通过模型模拟方法验证了离心实验模拟可作为研究保守性溶质迁移的有效的手段。

Nakajima等^{[ 22]}利用离心机研究了NaCl在饱和土中的迁移,发现当 Pe<1时,水力弥散系数不随流速变化,此时分子扩散占主导；当 Pe>1时,水力弥散系数与流速正相关,此时机械弥散占主导。这与Arulanandan等^{[ 1]}的研究结果相同。Kumar^{[ 13, 18]}利用离心机研究了Cl^-在饱和粉砂土中的一维迁移,发现 Pe和 Re都比1小几个数量级,说明粉砂土中Cl^-迁移机制是分子扩散。利用同一离心设备和监测方法,Kumar等^{[ 19]}在100 g下研究了Cl^-在7.5m原型深的饱和土层中迁移150天和600天后的浓度分布,发现与数值模拟结果吻合的很好。

McKinley等^{[ 43]}利用离心机对NaCl与有机染料的混合物在粘土层中的迁移进行研究,发现有机物的迟滞系数很大,Na⁺与有机物质的迁移各自独立互不影响,且对流弥散方程（Advection Dispersion Equation, ADE）能够很好的描述其过程。Li等^{[ 41]}利用离心机研究了NaCl在非均质饱和土壤中的非平衡迁移,发现双区模型（Two Region Model, TRM）能够对较好地对穿透曲线进行描述。Griffioen等^{[ 44]}利用离心机对NaCl在非饱和土中的非平衡迁移进行了研究,结果发现流速差异是不动水的主要来源。Griffioen等^{[ 45]}对NaCl在非稳态下渗过程的迁移进行了研究,发现能够利用TRM和ADE对穿透曲线进行拟合,且TRM的拟合效果比ADE稍好。Celorie等^{[ 46]}利用离心机快速测定Cl^-在粘土中的分配系数 K_d。

除上述在保守性溶质迁移相关参数、机理和模型方面的应用外,离心机也被直接用于对某一具体问题的模拟研究。以国内垃圾填埋场为例,由于南方气候湿润,填埋场内渗滤液水位普遍超过规范规定的0.3m,往往高达10多米,而且现场施工过程中易存在黏土衬垫土料不符合要求、压实不够、施工不良等问题,其水力传导系数达不到要求的1.0×10^-9 m/s,这导致衬垫极易被渗滤液击穿。而污染物迁移速度极慢,常规方法难以进行如此长历时的实验。詹良通等^{[ 47]}用离心机进行高水头下Cl^-击穿高岭土衬垫的模拟,发现衬垫水力传导系数为3.2×10^-9 m/s时,击穿仅需1.97年,而即使符合规范规定的1.0×10^-9 m/s,击穿也仅需5.62年,都远小于设计的击穿年限,用实验直接证明了在高渗透水头条件下,填埋场底部渗滤液极易被击穿而污染地下水。

以非水相流体（Non-Aqueous Phase Liquids, NAPLs）为代表的有机物泄漏会导致地表土的污染,由于其污染范围广、降解难度大、危害严重,已成为世界范围的严重问题^{[ 48]}。NAPLs在水中的溶解度很低,其中密度比水小的称为轻非水相流体（Light Non-Aqueous Phase Liquids, LNAPLs）,密度比水大的称为重非水相流体（Dense Non-Aqueous Phase Liquids, DNAPLs）。过去20多年里,离心机应用于NAPLs迁移模拟,在帮助理解NAPLs迁移规律的同时,获得了大量的实验数据对现有的模型进行检验和校正。

LNAPLs离心模拟方面,清华大学胡黎明课题组^{[ 49, 50, 51]}利用离心机研究了BTEX在非饱和土中的迁移,发现BTEX迁移至地下水位附近时,会在水位之上形成高浓度区,同时沿着水面侧向迁移。在此基础上,进一步增加地下水流动因素,BTEX在水面处会随着水流发生横向迁移,并使污染范围扩大。此外,他们发现地基条件、有机物的物化性质和土体的不均匀性都对迁移有影响。Knight等^{[ 52]}利用离心机模拟了硅油以快慢2种不同速度释放后在非饱和砂土中的三维迁移,发现在低释放速度下,油相成不连续分布,易被截留,加上毛细效应的阻滞作用,下渗的深度比释放速度快的情况下要小,此外他们还利用SWANFlow软件进行模拟并与实验结果对比,发现该软件不能有效模拟NAPLs的长期迁移行为,并指出若该软件能够将压力—饱和度曲线的滞后问题考虑进去则可更好地进行NAPLs长期迁移预测。Esposito等^{[ 53]}利用离心机研究了不同孔隙率下车用机油在不饱和多孔颗粒介质中迁移110天的情形,发现与孔隙率较大的土壤相比较,它在孔隙率较低的土壤中滞留量更大且污染范围更广。Soga等^{[ 54]}利用离心机研究了LNAPLs在不同尺度结构层状土界面处的迁移和截留行为,以对现有的LNAPLs在深包气带地层中截留的概念模型加以改善,结果在层状土界面处观察到复杂的优先流和截留行为,结合离心测试数据和数值模拟结果,可以知道NAPLs的特性、土壤结构、初始水分饱和度和NAPLs的渗透速度都会对非饱和非均质土壤对NAPLs的截留有影响。Culligan等^{[ 55]}还利用离心机对LNAPLs在干砂中的指进现象进行了研究。

DNAPLs离心模拟方面,Pantazidou等^{[ 56]}利用离心机研究了2类DNAPLs在饱和多孔颗粒介质中的迁移行为,结果显示密度小而粘度大的DNAPLs能够稳定地驱替水相,其开始下渗的速度最快,之后逐渐减小直至停止,整个过程锋面呈扇形,而密度大粘度小的DNAPLs驱替水相不稳定,且开始时呈细长形状向下迁移,在遇到不透水障碍时,无规则横向弥散,其造成的污染区域要比前者要大。徐炎兵等^{[ 57]}在对苯甲酸丁酯在非饱和土中的迁移时,观察到和Pantazidou等^{[ 56]}一致的现象。Ataieashtiani等^{[ 58]}利用离心机首次实验测定了DNAPLs-水两相系统的压力—饱和度曲线,该曲线能够直接用于原型研究。Levy等^{[ 59]}利用离心机研究了简化裂隙系统下DNAPLs的迁移,研究结果在预测复杂裂隙系统中DNAPLs的迁移和修复仍有实用性。

由于工业的发展,金属的产量明显增加,由此产生的重金属污染问题也随之出现,我国近1/5的耕地面积受到Cd、As、Pb等重金属污染^{[ 60]}。由于重金属在土壤中的移动性很小,不易随水淋滤,不为微生物降解,通过食物链进入人体后,潜在危害极大,因此研究重金属在土壤中的迁移有重要意义。

近年来,离心机开始应用于重金属在土壤中迁移方面的研究。Gurung等^{[ 61]}利用小型鼓形离心机研究了Zn离子在击实砂土中的穿透特性；Lo等^{[ 10, 62]}和张建红等^{[ 7]}研究了Cd离子在饱和土和非饱和土中的迁移；Basford等^{[ 63]}进行了铅离子在土壤中扩散迁移的初步研究；Zhang等^{[ 5]}、张建红等^{[ 8, 9]}对Cu离子在不饱和土中的迁移开展了离心模拟实验；Hutchison等^{[ 64]}对Cd离子在不饱和土中的迁移和迟滞进行了离心实验。

重金属能够在颗粒表面发生吸附,属于非保守性溶质,其迁移过程中存在着化学性不平衡。由前文可知,吸附不能被离心加速,因而离心实验模拟会偏离原型结果。由于离心加速了流体流动,模型中溶液与介质的接触时间短于原型,如此吸附在颗粒表面的金属离子比原型的要少,更多的金属离子会随机械弥散和分子扩散被携带到更大范围的土体中,因此离心模型往往会过高估计金属离子的迁移能力,相应地污染区域的浓度会被低估。虽然如此,若离心模拟能够有足够的时间使吸附近似达到平衡,可以认为模型与原型基本相似。

核废物一般是在极其稳定的环境中堆放处置,然而由于其半衰期很长,致使核废物存在泄漏的可能性增大^{[ 65]},给其周围的生态环境带来巨大的潜在威胁,因此对核素的迁移性进行研究非常重要。由于核素在地质环境中的迁移非常缓慢,离心实验模拟近年来被用作相关研究的备选方案甚至是唯一可行方案。

与保守性物质相比,核素的迁移存在放射性衰变。若核素的半衰期远大于离心实验模拟原型的时间,则可将核素看作保守性物质,此时衰变过程可以忽略,离心实验能够正确预测其迁移；而若半衰期相比于原型时间不足够长,则衰变过程不能忽略,离心实验模拟会存在误差。鉴于放射性核素的离心实验模拟存在危险,目前离心实验主要集中在低放物质短期迁移的模拟,有时甚至用非放射性同位素来替代。

Gamerdinger等^{[ 66, 67]}利用离心机研究了U(VI)在多种不饱和介质中的吸附和迁移,发现在饱和度很低时,U(VI)的吸附存在体积排阻现象。Moo-Young等^{[ 68, 69]}利用离心机分别对⁶³Ni和¹⁴C标记的四氯二苯并二恶英(tetrachloro dibenzo- p-dioxin, TCDD)在疏浚底泥封顶材料中因固结引起的对流迁移进行了研究,结果发现离心模拟结果相对于⁶³Ni来说偏保守,而对于¹⁴C标记的TCDD则相反。Gurumoorthy等^{[ 70, 71]}利用离心机快速测定了I和Cs、Sr的非放射性同位素在裂隙岩样和原状岩样中的分子扩散系数,发现I的分子扩散要比Cs和Sr要慢。Gurumoorthy等^{[ 72]}以非放射性I替代¹²⁹I研究了其在回填膨润土—砂土混合土中的迁移。Kaplan等^{[ 73]}利用离心机测定Hanford地区¹²⁹I、Np、Tc和U的分配系数 K_d。Timms等^{[ 74]}利用离心机并结合激光烧蚀电感耦合等离子体质谱法测定了Tl、¹⁴⁵Nb和¹⁷¹Yb在粘土中的迟滞系数。Zimmie等^{[ 65]}则利用离心机研究了¹³¹I在饱和土中的二维迁移。

近年来离心实验模拟技术已延伸到污染修复领域,目前已经开展的研究有挥发性有机物污染的气提修复^{[ 75, 76]}、重密度溶质^{[ 77, 78]}和NAPLs^{[ 79, 80]}污染的淋洗修复以及重金属污染的电动力学修复^{[ 81]}。

Hu等^{[ 75]}利用离心机研究了土壤通气法对BTEX污染土壤的修复效果,发现原型下污染1年后再通气2个月和4个月,分别有近47%和68%的BTEX被移除,地下水位附近高浓度区的位置有很大提高且污染区域范围也极大地减小。进一步对BTEX不同成分分析发现,有机物蒸汽压对通气法的修复效果影响很大,污染物蒸汽压越高,修复效果越好^{[ 75, 76]}。通气法已被实践证明是有机物污染土壤修复的有效方法^{[ 82]},但是空气在多孔介质中流动特性没有很好地被理解^{[ 83, 84]},Marulanda等^{[ 84]}和Hu等^{[ 83, 85]}利用离心机对此开展了研究,并获得一些有益于气提修复工程实践的发现,Meegoda等^{[ 86]}给出了相关研究的综述。

Hellawell和Savvidou^{[ 77]}利用离心机研究了淋洗修复NaCl污染土壤的效果,试验中淋洗5年后只有一半的污染区域区域得到清理,因而认为淋洗修复方法不适合土壤渗透性较低的情况,这一结论在他们另外一项研究^{[ 78]}中也得到验证。淋洗用于修复NAPLs污染土壤时,土壤对污染物的截留机制会影响到淋洗修复效果,会有部分NAPLs被截留在土壤之中^{[ 87]}。Ratnam等^{[ 79, 80]}针对土壤对NAPLs的截留进行了离心实验研究,发现垂向淋洗NAPLs的截留量与邦德数和毛细管数的综合无量纲数 N_CB有关, N_CB越大,截留量越小。

离心实验也被用于土壤应力水平对电动力学修复效果的影响研究,尤其是对于可压缩性土壤（粘土）,要开展室内实验较为准确地考察电动力学修复效果需借助离心机。Penn等^{[ 81]}利用离心机实验模拟了电动力学修复硫酸铜污染土壤的过程,发现电极附近小范围内会形成电阻较大的区域,导致电极之间大部分污染区域的离子迁移驱动力不足,从而消弱修复效果。电阻较大的小区域的形成主要有2个原因^{[ 81, 87]}：一是Cu离子向阴极迁移时碰到在此形成的OH^-而生成非导电沉淀；二是电极附近的电渗析作用导致周围土中充满去离子水。

离心实验模拟只适合于压实样,在土壤预制过程中需进行击实,而介质的岩土行为受孔隙水压和应力路径的影响很大,因此应当控制介质的击实过程以确保实验的可重复性。使用传统的击打和揉搓方法要确定应力路径很困难^{[ 88]},而垂向单轴击实方法能够较好地控制应力路径。

此外,土壤中微生物的新陈代谢对污染物在土壤中的迁移影响很大,因此实验前常使用杀菌液和γ射线对土壤杀菌。常用的杀菌液有硒酸钙溶液和次氯酸钠溶液,硒酸钙的长期抑菌效果比次氯酸钠好^{[ 89]},但易沉淀,若离心模拟的时间不长,次氯酸钠通常是能满足要求的。使用杀菌液可能改变土壤的化学特征,而γ射线则能避免这种情况的发生,引起的唯一可能变化是颗粒内层水可逆性损失^{[ 90]},但是该方法会对操作人员产生一定的辐射危害。

离心加速度的选择主要取决于多孔介质的性质,需考虑2个方面：对水流而言水力梯度是否合适；是否会引起固结^{[ 89]}。正如前文所述,离心模拟能够正确反映原型的前提是达西定律在模型中适用,因此必须保证

(9)

将公式(2)代入公式(9),并移项可得

(10)

从公式(10)可知,离心实验模拟最大的加速度水平不能超过原型下水流雷诺数 Re的倒数,这一点必须满足。由于污染物迁移的主要过程是对流,这一过程往往能够被正确离心模拟而与佩克莱数的关系不大^{[ 65]},所以对佩克莱数的限定不是很严格,即使 Re_m较大,也认为离心实验结果能够用于数值模型的检验和校正。至于是否会引起固结则要根据具体的研究背景来确定。如果研究的问题和固结有关,则 N值应该适当大；而若关系不大,固结会增加对实验结果解释的困难,此时 N值应当较小。

如前文所述,离心实验模拟相比于其他实验方法而言具有相当的优势,但要使得这些优势更加地突出,需要一些监测污染物迁移的方法^{[ 2]},以实现对迁移过程的实时观察。受尺寸限制,小型离心机采用监测方法不常见,其更多地应用于大中型离心机上。离心监测方法发展历史不长,方法不够完善,这里只简单地给予介绍。总体来说它可分为3类：机械传感、图像分析和取样分析。

机械传感靠传感器实时原位获取污染物质迁移过程中相关参数信息,通常包括基质吸力、水分含量和污染物浓度,其中基质吸力多在非饱和介质污染物迁移实验中检测。传感器经过适当处理和校正能够提供准确的实验数据,然而它们一般是侵入式的安置,极可能在离心模型中引入优先流通道,干扰实验。目前也有方法能够克服这一问题,如电阻率层析成像技术^{[ 91]},此外Zimmie等^{[ 65]}的研究也提供了一种全新的非侵入实时监测污染物迁移的思路。根据Zimmie等^{[ 65]}研究结果,若用放射性同位素标记目标物质,使其在透明反应器中迁移,通过端窗型盖革—弥勒计数管监测各部位放射强度就能获知污染物的迁移过程。

图像分析则是利用照相机作为传感器,通过信号处理系统分析污染物的迁移,常用来研究NAPLs迁移^{[ 51, 52, 53, 54, 56, 57, 59]}和非稳定流入渗^{[ 35, 45]}。图像分析可以根据色度粗略计算污染物浓度,根据水分或污染物前锋位置的变化获得锋的移动速度。这种方法不干扰土壤结构和流场,因而受到广泛的应用。

取样分析则是通过机械装置取得液体样本进而异位分析的一种方法,它可以是中间取样事后分析^{[ 7, 10, 69]},可以是事后取样分析^{[ 5, 8, 9]},也可以是中间停机取样^{[ 66, 67, 90]}。离心过程中间取样的实现需要巧妙的取样装置,这些装置的设计往往较难。而离心结束后取样分析的方法,一次实验只能获取某个时刻的污染物分布情况,要想获知整个迁移过程必须重复实验,操作繁琐。至于中间停机取样,必须确保停机不会对污染物的迁移产生太大的影响,否则方法不适用。取样分析操作很繁琐,但是在没有合适的原位监测方法的情况下,取样分析是唯一获取数据的方法,而且因为是异位分析,能够获得的物化信息相比前2种方法要丰富得多。