松嫩平原分散性粘土分布與形成機(jī)理研究

龍顯助 戴春勝 孫飚 張洪志

（黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 黑龍江哈爾濱 150080）

1 簡(jiǎn)述

20世紀(jì)初期美國(guó)水土保持局土壤學(xué)者，提出土壤中高鈉離子是產(chǎn)生分散土的主要原因，也是許多建筑物造成沖蝕、管涌事故的根源。30年代中期土壤學(xué)文獻(xiàn)提出并承認(rèn)分散性粘土的概念。直到60年代澳大利亞和美國(guó)等國(guó)一些土壩由于分散性粘土管涌造成破壞和垮壩，才廣泛的認(rèn)識(shí)到分散性粘土研究的重要性。

我國(guó)首次發(fā)現(xiàn)分散性粘土對(duì)工程破壞是黑龍江省興建引嫩工程期間，為解決大慶石油工業(yè)生產(chǎn)、生活與農(nóng)田灌溉用水的需要，70年代開(kāi)始興建北部引嫩、中部引嫩和南部引嫩工程，簡(jiǎn)稱(chēng)“三引”工程。1979年發(fā)現(xiàn)南部引嫩工程的南引水庫(kù)17號(hào)壩出現(xiàn)雨水淋蝕的洞穴10多處，到1980年淋蝕洞穴已發(fā)展到300多處，直接影響工程的安全。為此，黑龍江省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院（黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院的前身），組織了分散性粘土研究組，從1981年開(kāi)始，收集了國(guó)內(nèi)外資料，結(jié)合南部引嫩工程的實(shí)際，對(duì)分散性粘土進(jìn)行了研究。

本文結(jié)合北部引嫩擴(kuò)建、中部引嫩和南部引嫩工程近期研究，對(duì)松嫩平原分散性粘土的分布及形成機(jī)理做進(jìn)一步的分析。

2 研究區(qū)分散性粘土的分布

研究區(qū)位于黑龍江省西部松嫩平原嫩江干流左側(cè)烏裕爾河、雙陽(yáng)河、安肇新河與肇蘭新河流域境內(nèi)，行政區(qū)包括富裕、大慶（市區(qū)）、林甸、杜蒙、肇州、肇源、肇東、安達(dá)等8個(gè)區(qū)縣的全部，訥河、明水、依安、青崗4個(gè)縣的部分地區(qū)，幅員面積約4.5萬(wàn)km2，是國(guó)家石油工業(yè)、農(nóng)牧漁生產(chǎn)基地。區(qū)內(nèi)存在干旱、鹽堿、洪澇、風(fēng)蝕等自然災(zāi)害，由于三引工程的建設(shè)與不斷完善，引、蓄、用與蓄、滯、泄水利工程已形成網(wǎng)絡(luò)體系，改變了60年代中期前自然封閉的狀態(tài)，為擴(kuò)大引嫩工程發(fā)展灌溉防治土壤鹽漬化創(chuàng)造了條件。

分散性粘土與鹽堿化土壤密切相關(guān)，與蘇打堿土、蘇打鹽土、鹽化、堿化草甸土呈復(fù)區(qū)分布，由北向南，由東向西呈逐漸增加趨勢(shì)。南部引嫩工程區(qū)鹽漬化土壤分布面積大，分散性土分布較集中，北部引嫩工程區(qū)較輕，中部引嫩工程介于二者之間。

2.1 中部引嫩至龍虎泡水庫(kù)引水干渠（八支干）分散土分布

上世紀(jì)90年代對(duì)中部引嫩工程進(jìn)行擴(kuò)建，在東升水庫(kù)進(jìn)水處建設(shè)分水閘，從閘開(kāi)始至龍虎泡水庫(kù)新建引水干渠（八支干），引水干渠全長(zhǎng)97.1km，從1993年11月至12月進(jìn)行分散土調(diào)查研究，在野外進(jìn)行分散土簡(jiǎn)易試驗(yàn)并取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，取樣的密度控制在間距500m左右，并適當(dāng)選取剖面點(diǎn)，共取分散土樣90個(gè)，土壤樣16個(gè)，同時(shí)取水樣6個(gè)。對(duì)分散土分布重點(diǎn)渠段 4km+600m——70km+700m 12個(gè)渠段調(diào)查89處，分散土55處，占總調(diào)查處的63.3%，平均分散度 63.3%；非分散土處占總調(diào)查處的38.20%。分散度平均為19.05%。

2.2 北部引嫩總干渠分散性土分布

尼爾基水庫(kù)建成后，黑龍江省于2009年啟動(dòng)引嫩擴(kuò)建骨干一期，北部引嫩總干渠開(kāi)始擴(kuò)建。黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，對(duì)北引總干渠分散性土的分布進(jìn)行了研究。

烏裕爾河以北段，長(zhǎng) 89.74km。對(duì) 12處堤段進(jìn)行調(diào)查研究，分散性土共計(jì)長(zhǎng)9900m，占總長(zhǎng)的 11.03%，其中堤體 6處長(zhǎng) 3500m；堤基 2處長(zhǎng)1000m；堤基、堤體2處長(zhǎng)4900m；其它處長(zhǎng)500m。

烏裕爾河以南段，長(zhǎng) 113.47km。此段為平原區(qū)，地形地貌較單一，但鹽漬化土壤與分散性土分布面積較大，分散性土總長(zhǎng)71726m，占總長(zhǎng)的 63.2%；其中堤體 8處，長(zhǎng) 8147m；堤基14處，長(zhǎng)9685m，堤基、堤體17處長(zhǎng)53894m。

3 分散性粘土形成機(jī)理分析

3.1 地質(zhì)地貌與水文氣象

3.1.1 地質(zhì)地貌

研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造屬新華夏系第二沉降帶，是在中生代坳陷盆地的基礎(chǔ)上發(fā)育起來(lái)的沖積、湖積、冰水堆積物和風(fēng)積物。沉積層上多為粘性土，以下為砂或砂礫石，在近嫩江干流左岸亦有風(fēng)積沙丘的分布。

本區(qū)地貌的特征是北、東部為小興安嶺的南和西麓，地勢(shì)較高，海撥高度在250～300m，水土流夫嚴(yán)重。南部、西部地勢(shì)較低，海拔一般140～220m。大致以訥河——依安——安達(dá)——肇東連線(xiàn)為界，東部以高平原為主，西部以低平原為主。在林甸——大慶——安達(dá)——肇州——肇源一帶，地勢(shì)低平，泡沼較多，是鹽漬化土壤與泡沼以及分散性土集中分布區(qū)。

3.1.2 水文氣象

研究區(qū)河流主要有嫩江支流的烏裕爾河和雙陽(yáng)河兩條天然河流，匯入林甸，杜蒙境內(nèi)已無(wú)河床，南部明青高地，地面逕流通過(guò)低平原自然水線(xiàn)于肇州、肇源即嫩江左側(cè)的河漫灘，與北面烏裕爾與雙陽(yáng)河匯集，形成自然的封閉區(qū)，靠自然蒸發(fā)滲漏平衡，為形成鹽漬化沼澤化土壤創(chuàng)造了條件。

本區(qū)屬半干旱季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)，降雨量時(shí)空分布不均，豐水年年均降雨量550mm以上，干旱年在 300mm左右，蒸發(fā)量為降雨量的 2～3倍，年內(nèi)降雨量集中在 6～8三個(gè)月，年內(nèi)土壤鹽分積累主要在春、秋二季，雨季形成積鹽與淋鹽交替期，與土壤結(jié)凍與融凍潛水位的土壤水鹽密切相關(guān)。

3.2 顆粒分析試驗(yàn)研究

分散性土的分散機(jī)理是與土顆粒表面的電化學(xué)性質(zhì)自然有直接的關(guān)系，分散性粘土均屬粘質(zhì)土壤。南部引嫩17號(hào)壩5個(gè)土壤樣物理性粘粒小于0.01mm，占66.4%；大于0.01mm占33.6%，以重壤質(zhì)為主。北部引嫩總干渠對(duì)現(xiàn)有的堤體、堤基0.5～5.5m取的43組土樣進(jìn)行顆粒分析，均采用篩法（d＞0.075mm）和甲種比重計(jì)法（d＜0.075mm）聯(lián)合測(cè)定土樣的顆粒級(jí)配。由土樣（常規(guī)）的級(jí)配曲線(xiàn)，43組土樣分屬重壤土11.63%、重粉質(zhì)壤土11.62%、砂質(zhì)粘土11.63%、粉質(zhì)粘土37.21%和粘土27.91%組成。

3.3 粘土礦物成分與相對(duì)含量

在土的固相成分中，粘土礦物成分是影響分散性的重要條件，也是這次研究的重點(diǎn)，試驗(yàn)研究點(diǎn)較多，范圍也較廣，僅對(duì)區(qū)域南部的南引水庫(kù)16、17、18、19與21等5個(gè)壩與17號(hào)壩以及位于北部的北引總干渠擴(kuò)建段不同地點(diǎn)，根據(jù)人工2μ m土粒進(jìn)行X射線(xiàn)分析，將礦物成分與含量分別概述如下：

3.3.1 南部引嫩壩粘土礦物成分與含量

八十年代已建成的16、18、19、21等4個(gè)壩共 9個(gè)試驗(yàn)資料：蒙脫石 28.92%；伊利石51.23%，而不具備分散的高嶺石僅占 19.84%，對(duì) 17號(hào)壩不同距離壩體蒙脫石 40%；伊利石24%，二者共計(jì)64%，說(shuō)明均為分散性土較為嚴(yán)重分布區(qū)（見(jiàn)表1）。

試驗(yàn)單位：中國(guó)水科院巖土所完成為<2μ部分礦物含量（%）。

3.3.2 北部引嫩總干渠堤體、堤基粘土礦物成分與含量

北部引嫩總干渠從嫩江進(jìn)水閘到紅旗泡水庫(kù)總長(zhǎng)245km。2011年對(duì)43處不同渠段進(jìn)行了粘土礦物成分與含量的試驗(yàn)研究，其中烏北段3處，烏南渠段4處，總干渠7處。試驗(yàn)研究表明，伊利石/蒙脫石平均含量70.09%；伊利石15.94%；高嶺石6.22%；綠泥7.51%，混層比伊利石/蒙脫石46.82%。以上土樣中礦物成分中不含蒙脫石，但是含有較多的伊利石/蒙脫石混層礦物，且伊利石/蒙脫石混層中蒙脫石含量約為 50%，故具有產(chǎn)生分散性的內(nèi)在因素。

3.4 鈉吸附比（SAR）

SAR是以孔隙水溶液中Na+離子與Ca2+、Mg2+離子比值大小判定土的分散性，其計(jì)算公式如下：

試驗(yàn)方法：測(cè)出土的碟式液限含水率，將土樣加去離子至碟式液限含水率附近，放置24小時(shí)以上，用真空泵吸取孔隙水溶液用原子吸收光譜測(cè)定K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量，試驗(yàn)結(jié)果與SAR計(jì)算值見(jiàn)表3。南部引嫩Na+含量93.05%；TDS52.79me/L；北部引嫩總干Na+含量59.09%；SAR11.74%（見(jiàn)表2）。

表1 南部引嫩工程壩粘土礦物成分與含量分析成果表

表2 孔隙水中陽(yáng)離子含量與TDS值

3.5 交換性鈉離子百分含量（ESP）測(cè)定

ESP的含義為存在于粘土礦物結(jié)構(gòu)層的交換性Na離子占交換性陽(yáng)離子總量的百分比，其計(jì)算公式如下：

離子交換總量（CEC）是用常規(guī)醋酸銨法測(cè)定，交換性 離子含量測(cè)定是先用50℃的50%酒精淋洗樣品，然后用pH=9的醋酸銨——?dú)溲趸@溶液淋洗，在原子吸收光譜上測(cè)交換性的含量。根據(jù)美國(guó)與澳大利亞經(jīng)驗(yàn)，土樣的ESP值大于10屬于分散性土；ESP值在10-7屬于過(guò)渡型土料；ESP值小于7屬于非分散性土。根據(jù)北部引嫩總干渠43個(gè)土樣測(cè)定：分散性土18個(gè)占41.9%；非分散性土16個(gè)占37.2%，過(guò)渡型土9個(gè)占20.9%。

3.6 研究區(qū)地面、地下水化學(xué)類(lèi)型與鈉離子占陽(yáng)離子總量

研究期間對(duì)區(qū)內(nèi)地面水與典型灌區(qū)地下水以及深層地下水質(zhì)進(jìn)行了研究，凡鹽漬化土壤（即分散土分布區(qū)），均屬蘇打類(lèi)型水質(zhì)，北部引嫩地面水 Na+離子含量 56.09%、3個(gè)水庫(kù)為46.98%；中部引嫩水庫(kù) Na+離子含量 31.33%；南部引嫩水庫(kù) 17號(hào)壩 Na+離子含量最高為74.55%。嫩江原水Na+離子含量最小只有17%。

本區(qū)地下水 Na+離子含量北引典型灌區(qū)平均 38.55%，城市供水自來(lái)水 5個(gè)縣平均 Na+離子含量為62.75%（井深100-200m左右）。以深層溫泉水Na+離子含量最高，林甸縣2個(gè)溫泉水平均為99.23%（970m以下），可見(jiàn)，Na+vf離子含量是研究區(qū)分散性土分布面大形成的內(nèi)在因素（見(jiàn)表3）。成果資料全部由黑龍江省水文地質(zhì)工程地察院實(shí)驗(yàn)室完成。

表3 研究區(qū)地面、地下水質(zhì)陽(yáng)離子總量與Na+占總量百分率表

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)分散性粘土集中在蘇打草甸鹽土、草甸堿土、鹽化、堿化草甸土、草甸沼澤土中，與碳酸鹽草甸黑鈣土呈復(fù)區(qū)區(qū)域分布，松嫩低平原分布較為集中。北部引嫩工程區(qū)烏北渠段分散土主要在 42km與 75km，其他地域?yàn)榉欠稚⑿酝?，烏南渠段分散性土分布?2km以下至106km渠段，其他處為非分散性土或過(guò)渡型土。

（2）由于富含伊利石、鈉蒙脫石，分散性粘土均呈膨脹性（濕膨脹、干收縮），但膨脹土不一定都是分散性土，主要取決于粘土礦物的成分與含量，如粘土礦物是鈉蒙脫石或伊利石占優(yōu)勢(shì)則呈分散性，而高嶺石占主導(dǎo)則一般無(wú)分散性。

（3）研究區(qū)低平原處大部分地面、地下水化學(xué)類(lèi)型以蘇打水為主，鈉離子含量占陽(yáng)離子總量以區(qū)內(nèi)地下水與滯洪區(qū)最高，林甸縣的溫泉水鈉離子含量可高達(dá)99.23%；地面水以南引17號(hào)壩最高為74.55%，中引水庫(kù)31.33%，北引水庫(kù)56.29%。高含量鈉離子的存在是本區(qū)分散性粘土形成的內(nèi)在因素，鈉離子含量與分散土分布和強(qiáng)度存在密切關(guān)系。開(kāi)展鈉離子富含區(qū)水、土分布與礦物研究，對(duì)分散土利用和工程建設(shè)有重要意義。

1 王觀(guān)平, 柯榮. 黑龍江省南部引嫩工程分散性粘土試驗(yàn)研究. 黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 1987.3.

2 劉彥君, 龍顯助等. 北部引嫩工程對(duì)環(huán)境影響與水土資源保護(hù)措施研究. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社, 1999.5.

3 彭旭明, 龍顯助等. 北部引嫩工程沖刷淤積與土壤鹽漬防治措施. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)出版社, 2009.3.

4 北部引嫩總干渠工程地質(zhì)勘察報(bào)告(第一冊(cè)). 黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院巖土工程處. 2010.12.

5 北引總干渠擴(kuò)建一期工程分散性土試驗(yàn)報(bào)告. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院巖土所. 2012.4.