沿海灘涂淤泥質黏土水鹽遷移試驗分析

吳明洲,王錦國,陳　舟

(河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京　210098)

沿海灘涂淤泥質黏土水鹽遷移試驗分析

吳明洲,王錦國,陳舟

(河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京210098)

摘要：我國沿海灘涂土壤鹽漬化程度較高,作為土壤生態(tài)環(huán)境問題之一備受關注,研究土壤水鹽運動規(guī)律是改良鹽漬化土壤的理論基礎。以沿海灘涂淤泥質黏土為研究對象,基于土壤鹽分靜態(tài)遷移試驗和室內(nèi)一維土柱試驗,對淤泥質黏土鹽分遷移規(guī)律和機理進行分析。結果顯示:在靜置狀態(tài)下,相同遷移時間內(nèi),水體體積越多,鹽分遷移速度越快,鹽分遷移率越高;在一維水動力彌散條件下,水力坡度越大,水動力彌散作用越顯著,鹽分遷移的速度越快,鹽分遷移率越高。

關鍵詞：沿海灘涂;淤泥質黏土;水鹽運移;水動力彌散

我國沿海地區(qū)灘涂分布廣泛,北起遼寧,南至廣西,總面積約21 709 km2[1]。近年來,沿海灘涂開發(fā)面積逐年增加,如何高效利用灘涂資源成為備受關注的問題。我國沿海灘涂土壤鹽漬化程度較高,其成因主要有:①海水入侵導致地下水的礦化度較高;②風暴潮過程中海水倒灌浸泡土壤;③地下水位較淺,強烈的蒸發(fā)作用導致鹽分在土壤表層積聚[2-6]。研究水鹽運動規(guī)律是改良鹽漬化土壤的理論基礎。本文以淤泥質灘涂黏土為研究對象,基于土壤鹽分靜態(tài)遷移試驗和室內(nèi)一維土柱試驗,對淤泥質黏土鹽分遷移規(guī)律和遷移機理進行分析,為改良該地區(qū)鹽漬化土壤提供理論依據(jù)。

1試驗材料及取樣

試驗樣品采集于浙江省臺州市東部臺州灣,該地區(qū)潮灘發(fā)育,灘面平緩寬廣,平均坡度0.001,灘面寬度大于1 000 m,灘岸線每年外移10～40 m[7]。區(qū)域地下水標高小于3 m,屬于河口近潮坪地貌特征。區(qū)內(nèi)地層巖性以淤泥質黏土為主,垂向滲透系數(shù)0.73×10-6～2.33×10-6cm/s,水平滲透系數(shù)0.88×10-6～2.8×10-6cm/s,呈弱透水性。研究區(qū)屬亞熱帶季風海洋性氣候,年平均氣溫16.8℃,年平均降雨量為1 596.5 mm,降雨集中于4～10月,占全年降雨量67.7%。

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)河流、湖泊和潮灘發(fā)育特征,在區(qū)內(nèi)布置12個采樣點,使用鉆取的方法采集不同深度的土樣,共計采集土樣20個。采集的土樣使用無菌采樣袋封裝,防止土樣水分蒸發(fā)或受到污染。區(qū)內(nèi)淤泥質土壤可溶鹽成分主要是NaCl,土壤平均含鹽量1%,土壤表層埋深0～1 m之間含鹽量較高,埋深1 m以下土壤含鹽量約0.3%～0.5%。土壤可溶鹽總量與電導率之間一般存在一定的線性關系,但是因地而異,常用的測定可溶鹽總量的方法有質量法、電導法和離子加和法,由于電導法簡單易行,適用于大批量標本分析,故采用較多。

表1　土樣主要離子組成及指標

由于采樣區(qū)內(nèi)土壤可溶鹽總量與電導率之間的關系未知,首先采用質量法來測定兩者的相互關系。質量法測定土壤可溶鹽總量的步驟如下[8]:按5∶1的液固比(水體與土體的質量比)制備水土比浸提液,使用恒溫振蕩器振蕩8 h后,靜置7 d,取其上清液并用0.45 μm濾膜過濾。將適量上清液用蒸發(fā)皿蒸干得到烘干殘渣,加入少量15%雙氧水繼續(xù)加熱去除有機質,其剩余量即作為可溶鹽總量。對本次采集試樣的測定結果進行回歸分析,采樣區(qū)土壤可溶鹽總量與電導率的關系為

y=0.332x+0.217 3

(1)

式中:y是土壤水浸提液電導率,使用DDS-11AT型電導率儀測定,并自動補償至標準溫度25℃下的值,s/m;x是土壤可溶鹽總量,g。式(1)相關系數(shù)(R2)為0.992 2。

2土壤鹽分靜態(tài)遷移試驗

目前研究土壤鹽分遷移規(guī)律的試驗主要是室內(nèi)土柱試驗,為揭示土壤在靜置狀態(tài)下鹽分的遷移變化規(guī)律,設計了一組土壤鹽分靜態(tài)遷移試驗。試驗所取土樣為淤泥質黏土,土樣經(jīng)過烘干后過2 mm標準篩,其主要離子組成及指標見表1。

試驗步驟:稱取100 g土樣,平鋪于燒杯底部,為防止底部土樣受到擾動,加入土樣時緩慢加入蒸餾水使土樣充分飽和,并記錄加入蒸餾水的體積。為研究不同液固比對試驗結果的影響,共設置5組平行試驗,分別向土樣中緩慢加入蒸餾水250 mL、500 mL、1 000 mL、1 500 mL和2 000 mL(以下記S1、S2、S3、S4、S5),加入蒸餾水時扣除之前為使土壤飽和的水的體積,記錄水樣初始電導率值,并用薄膜封存燒杯杯口,防止水分蒸發(fā)對試驗的影響。試驗時間為14 d,試驗數(shù)據(jù)監(jiān)測的時間間隔為1 d,試驗結果如圖1～2所示。

圖1　電導率變化曲線

圖2　遷移出的鹽分總量變化曲線

分析試驗數(shù)據(jù)可以得到以下結論:

a. 初始狀態(tài)下,土樣上部水體的含鹽量為零,電導率值為2.1×10-4S/m。隨著時間的推移,水體電導率隨著鹽分的增多而增大(圖1),按峰值大小排列依次為S1>S2>S3>S4>S5。運用公式(1)計算出電導率對應的含鹽量并換算出水體所溶解的可溶鹽總量,第14天時,水體中所溶解的可溶鹽總量從S1至S5分別是0.625、0.750、0.888、0.918、0.924 g,結果顯示,在相同遷移時間內(nèi),S1至S3水體中所溶解的可溶鹽總量與水體體積呈正相關關系,但是S4至S5出現(xiàn)了異常(圖2)。由于試驗過程中測量水體電導率時,監(jiān)測點均布置在水體中央部位,而當水體體積較多時,水體底部遷移出的鹽分擴散至水體上部需要較長的時間,導致監(jiān)測點的電導率偏小,造成試驗結果出現(xiàn)誤差。

b. 土壤鹽分遷移的速率總體上可分為緩慢增大、迅速增大和趨于穩(wěn)定3個階段(以下記K1、K2、K3)。5組試驗在K1階段所需的時間從S1至S5分別是1、2、2、2、3 d,在K2階段所需的時間分別是9、3、5、5、5 d,在K3階段所需的時間分別是4、9、7、7、6 d(圖2)?？傮w上表現(xiàn)出水體體積越大,在初期鹽分遷移速率較慢,但在后期呈現(xiàn)明顯的優(yōu)勢,仍保持較高的遷移速率。在K2階段,5組試驗鹽分遷移速率的平均值從S1至S5分別是0.049 9、0.076 7、0.102 5、0.111 4、0.083 3 g/d,總體上表現(xiàn)出水體體積越大,鹽分遷移速率越大。由于試驗誤差,造成S5遷移速率較低。進入K3階段后,各組試驗水體的電導率的增加值逐漸趨于零,達到穩(wěn)定狀態(tài),表明鹽分在分子擴散的作用下遷移的效果已趨于極限狀態(tài)。

表2　土樣主要離子組成及指標

c. 試驗結束后,用質量法測得各樣本的底部土樣的含鹽量,并計算各樣本的鹽分遷移率(遷移出的可溶鹽總量與初始可溶鹽總量之比),按遷移率從小到大排列為S1

圖3　鹽分遷移率與液固比關系曲線

在靜置狀態(tài)下,土壤中的可溶鹽運移方式以分子擴散為主,土體與水體之間存在一定的濃度梯度,鹽分在濃度梯度的作用下由高濃度向低濃度方向遷移,直至達到均勻分布。由上述試驗結果可知,由于S1的水體較少,相比其他各組試驗,在相同遷移時間內(nèi),土體與水體之間的濃度梯度會較小,這種現(xiàn)象隨著時間的推移會愈加明顯,導致鹽分遷移的驅動力較小,遷移速度較慢,遷移率較低。

3室內(nèi)一維土柱試驗

為研究水力坡度對土壤鹽分遷移速率的影響,設計了定水頭土壤鹽分動態(tài)遷移試驗，即室內(nèi)一維土柱試驗。試驗裝置主要由:有機玻璃圓柱、溢流槽、燒杯、支架、電導率儀等組成,試驗裝置整體布局如圖4所示。有機玻璃圓柱的高度為80 cm,外徑10 cm,內(nèi)徑8 cm。試驗所取土樣為淤泥質黏土,土樣經(jīng)過烘干后過2 mm標準篩,其主要離子組成及指標見表2。

圖4　試驗裝置示意圖

在充填土壤層和粗砂層時,為了使土壤層充分飽和,采用分層墊填、逐步飽和的方法。粗砂層和淤泥質黏土層的厚度均為5 cm,每組試驗所用的粗砂和土樣的質量不變。試驗通過改變閥門的開、關狀態(tài)調節(jié)水體溢流口的高度,淤泥質黏土層層頂A點的水頭分別為15、35、55 cm,層底B點的水頭為零,A、B兩點之間的水頭差分別為15、35、55 cm,水力坡度I分別為3、7、11。試驗時間共30 d,試驗數(shù)據(jù)監(jiān)測的時間間隔為1 d,試驗結果見圖5～8。

圖5　不同水力坡度下滲濾液含鹽量變化曲線

圖6　不同水力坡度下土體滲透系數(shù)變化曲線

圖7　不同水力坡度下鹽分遷移總量變化曲線

圖8　不同水力坡度下鹽分遷移率變化曲線

分析試驗數(shù)據(jù)得到以下結論:

a. 滲濾液含鹽量的大小可以直接反映單位時間內(nèi)遷移出的鹽分多少,由此可知,土壤鹽分遷移速度總體上可分為4個階段:迅速增大、達到峰值、迅速減小、趨于平穩(wěn)(以下記L1、L2、L3、L4,如圖5所示)。對比不同水力坡度下滲濾液含鹽量峰值到達時間,當水力坡度I分別為3、7、11時,峰值到達時間分別為3、2、1 d,表明水力坡度越大,滲濾液含鹽量的峰值達到時間越短,即從滲透開始至到達峰值的時間段內(nèi),水力坡度越大,鹽分遷移的速度越快。

b. 隨著時間的推移,在水壓力的作用下,土體進一步壓實并飽和,滲透系數(shù)逐漸減小。如圖6所示,在0～15 d時間段內(nèi),當水力坡度I分別為3、7、11時,滲透系數(shù)平均值分別為1.646×10-6、1.878×10-6、2.081×10-6cm/s,在16～30 d時間段內(nèi),當水力坡度I分別為3、7、11時,滲透系數(shù)平均值分別為1.329×10-6、1.341×10-6、1.354×10-6cm/s。由于每次裝填土樣的密實度有所差別,在試驗過程中會產(chǎn)生壓縮變形,隨著時間的推移滲透系數(shù)逐漸減小直至穩(wěn)定。到第30天時,不同水力坡度下土體的滲透系數(shù)均穩(wěn)定在1.197×10-6cm/s。鹽分在黏土層中遷移的過程中,除了機械彌散和分子擴散外,還包括土壤固體顆粒表面對鹽分的吸附、沉淀,水對固體骨架的溶解及離子交換等作用[9]。滲透系數(shù)越大,單位時間內(nèi)通過淤泥質黏土層的水量越多,溶解及離子交換作用就越顯著。當滲流速度較快時,機械彌散作用較明顯,當滲流速度較慢時,分子擴散作用較明顯。

c. 當滲濾液含鹽量達到峰值后,單位時間內(nèi)遷移出的鹽分迅速減少。圖7表示的是不同水力坡度下遷移出的可溶鹽總量隨時間變化的過程,取曲線上任意相鄰兩點的斜率即表示單位時間內(nèi)遷移出的可溶鹽總量。計算可知,在0～15 d時間段內(nèi),當水力坡度I分別為3、7、11時,鹽分遷移速率平均值分別為0.124 0、0.134 6、0.142 1 g/d,表明水力坡度越大,單位時間內(nèi)遷移出的可溶鹽總量越多,遷移速率越快。在16～30 d時間段內(nèi),當水力坡度I分別為3、7、11時,鹽分遷移速率平均值分別為0.031 9、0.023 0、0.017 2 g/d,表明水力坡度越大,單位時間內(nèi)遷移出的可溶鹽總量越少,遷移速率越慢。一方面,由于土體中可溶鹽總量是一定的,水力坡度較大時,前期鹽分遷移速率較快,土體中剩余的鹽分總量較少,后期自然遷移出的鹽分較少,遷移速率減慢;另一方面,隨著滲透系數(shù)的減小,滲流速度逐漸減小,機械彌散作用減弱,分子擴散作用增強,當水力坡度較大時,后期土體與水體之間的濃度梯度相對較小,導致鹽分遷移速率較慢。

d. 如圖7所示,不同水力坡度下遷移出的可溶鹽總量基本一致,水力坡度I分別為3、7、11時,第30天遷移出的可溶鹽總量分別為2.339 5、2.365 1、2.389 6 g,淤泥質黏土層初始可溶鹽總量是2.472 5 g,計算可知,遷移率分別為94.62%、95.66%、96.65%。如圖8所示,在0～30天時間段內(nèi),截取任一時間剖面,遷移率與水力坡度均成正相關關系。由于進入第30 d后,滲流速度很小,鹽分遷移主要靠分子擴散作用,故土體中殘余的鹽分很難遷移出來。按照鹽土重量比劃分標準:含鹽量小于0.1%時為非鹽漬化土壤,0.1%～0.2%時為輕度鹽漬化,0.2%～0.4%時為中度鹽漬化,0.4%～1%時為重度鹽漬化,含鹽量大于1%時為鹽土[10]。水力坡度I分別為3、7、11時淤泥質黏土層達到非鹽漬化標準所需時間分別為27、24、21 d,故從遷移效率來看,水力坡度越大,遷移效率越高。

對于一維水動力彌散,不考慮孔隙介質的吸附,即阻滯系數(shù)Rd=1,則有[11]:

(2)

式中:m為投入示蹤劑的質量(這里為初始可溶鹽總量),g;w為黏土層的橫截面積,cm2;n為孔隙度,無量綱;DL為一維水動力縱向彌散系數(shù),cm2/s;x為流徑,cm;t為時間,s;ρ為流徑x處t時刻溶液中溶質的質量濃度,g/mL;v為滲流速度,cm/s。

由于在試驗過程中,滲流速度v是時間變量,計算時取20～30 d時間段的平均滲流速度。據(jù)公式(2)計算得出,在20～30 d時間段內(nèi),當水力坡度I分別為3、7、11時,水動力縱向彌散系數(shù)分別為1.181 7×10-6、1.322 9×10-6、1.465 3×10-6cm2/s,表明水動力縱向彌散系數(shù)與水力坡度成正相關關系。由水動力縱向彌散系數(shù)和水流實際流速可以求出彌散度。彌散度是表征含水層中介質彌散特征的重要參數(shù),具有尺度效應性質,它反映了含水層介質空間結構的非均質性[12]。彌散度的計算公式如下:

(3)

式中:αL為彌散度,cm;u為水流實際流速,cm/s。

據(jù)式(3)計算得出彌散度為0.77 cm,且不同水力坡度下計算得出的彌散度大小一致,表明彌散度的大小完全取決于含水介質的性質,與水力坡度、水流速度等無關。由于試驗所用的土樣經(jīng)過烘干后過2 mm標準篩,粒徑級配較差,而野外條件下介質的不均一性及研究尺度變大,故室內(nèi)試驗得出的彌散度要遠小于野外實測值。對比國內(nèi)外在不同試驗尺度下測得的彌散度數(shù)據(jù)[12],按試驗粒徑范圍為10～105m計算,室內(nèi)試驗得出的彌散度比野外實測值要小2～6個數(shù)量級。

為了研究彌散系數(shù)與速度分布和分子擴散之間的關系,人們通過大量在未固結的多孔介質中的實驗,得到了如圖9所示的標準曲線[9]。圖9中縱坐標是從實驗室得到的縱向彌散系數(shù)DL與溶質在所研究的液相中的分子擴散系數(shù)Dd的比值,橫坐標是一個無量綱量。

(4)

式中:Pe為Peclet數(shù);d為多孔介質的某種特征長度,如多孔介質的平均粒徑,cm;Dd為溶質在所研究的液相中的分子擴散系數(shù),cm2/s。Pe為實際流速和分子擴散系數(shù)相比的相對大小。根據(jù)曲線的變化情況大致可以分為5個區(qū)。

圖9　分子擴散和水動力彌散間的關系

由于試驗條件的限制,難以得出鹽分在黏土層中的分子擴散系數(shù),采用經(jīng)驗值Dd=7.9×10-7cm2/s[13],d取0.2 cm。計算得出,在一維水動力彌散情況下,淤泥質黏土層中溶質分子擴散和水動力彌散的關系以Ⅰ、Ⅱ區(qū)為主(圖9)。當水流實際流速小于1.58×10-6cm/s時,對應曲線上的Ⅰ區(qū),對應的時間段為16～30 d,鹽分遷移方式以分子擴散為主。當水流實際流速大于1.58×10-6cm/s時,對應曲線上的Ⅱ區(qū),對應的時間段為0～15 d,此時機械彌散與分子擴散達到相同的數(shù)量級,應研究兩者之和。

在土壤鹽分動態(tài)遷移試驗過程中,鹽分遷移方式以分子擴散和機械彌散為主。當鹽分進入含水層系統(tǒng)后,隨即有沿著地下水流動方向擴展的縱向彌散和垂直于地下水流方向擴展的橫向彌散[14],這里橫向彌散對試驗結果的影響較小,可忽略不計。分析試驗結果可知,水力坡度越大,水動力彌散越顯著,鹽分遷移速度越快。滲流速度對鹽分遷移速度影響顯著。在0～15 d時間段內(nèi),滲流速度較大,單位時間內(nèi)鹽分遷移量較大,鹽分遷移方式以分子擴散和機械彌散為主。在16～30 d時間段內(nèi),滲流速度減小并趨于穩(wěn)定,單位時間內(nèi)鹽分遷移量隨之減小,遷移出的鹽分總量也趨于定值,鹽分遷移方式以分子擴散為主。

4結論

a. 在靜置狀態(tài)下,土壤中的可溶鹽運移方式以分子擴散為主。在相同遷移時間內(nèi),水體體積越多,鹽分遷移速率越大,水體中所溶解的可溶鹽總量越多,鹽分遷移率越高。

b. 在一維水動力彌散情況下,鹽分遷移方式以機械彌散和分子擴散為主。在鹽分遷移初期,水力坡度越大,鹽分遷移速率越大,鹽分遷移方式以分子擴散和機械彌散為主。在鹽分遷移后期,水力坡度越大,鹽分遷移速率越小,鹽分遷移方式以分子擴散為主。但是總體來看,在相同遷移時間內(nèi),當水力坡度越大時,滲流速度越大,水動力彌散作用越顯著,鹽分遷移的速度越快,鹽分遷移的效率越高。

c. 淤泥質黏土由于其弱滲透性,鹽分遷移的速度很緩慢。對比土壤鹽分靜態(tài)和動態(tài)遷移試驗結果,靜態(tài)遷移方式適用于土壤鹽分分布較淺、附近有大量優(yōu)質水源的地區(qū),而動態(tài)遷移方式用水量較少,不同水力坡度下鹽分遷移率接近一致,適用于土壤鹽分分布較深的地區(qū)。

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Experimental analysis on soil water and salt migration of mucky clay in coastal shoal

WU Mingzhou, WANG Jinguo, CHEN Zhou

(SchoolofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：The soil salinization degree of coastal shoal is high in China, which is one of soil ecological environment problems attracting much attention. The rules of soil water and salt migration are the theoretical foundation of improving the soil salinization. Based on the static soil salt migration test and indoor one-dimensional soil column test, mucky clay in coastal shoal was studied, and the migration pattern and mechanism of salt in mucky clay were analyzed. Results show that under the static state, the migration velocity and migration rate of salt are positively correlated with water volume in the same time. Under the condition of one-dimensional hydrodynamic dispersion, the migration velocity and migration rate of salt increase with the hydraulic gradient and the hydrodynamic dispersion.

Key words：coastal shoal; mucky clay; soil water and salt migration; hydrodynamic dispersion

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.026

作者簡介：吳明洲(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為水文地質。E-mail:hhwmz601@sina.com

中圖分類號：P641. 2

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)03-0137-06

(收稿日期：2015-06-06編輯：王芳)