填海造陸區(qū)鹽分運(yùn)移過程室內(nèi)模擬與分析

許翼　許士國　冷祥陽　曹小磊　徐向舟

摘要：在半濕潤氣候環(huán)境下，圍填海區(qū)的表層土壤正面臨著復(fù)雜的鹽漬化問題。以壓實(shí)填土為研究對象，通過土槽模型再現(xiàn)了潛水蒸發(fā)與側(cè)向壤中流共同作用下的鹽分運(yùn)移過程，以探明圍填海區(qū)的鹽漬土形成機(jī)制。結(jié)果表明，在蒸發(fā)作用驅(qū)使下鹽分向上補(bǔ)給，表層土壤的初始積鹽類型為CaSO₄，海水對填土層的鹽分補(bǔ)充導(dǎo)致積鹽類型轉(zhuǎn)變?yōu)镃aCl₂和NaCl。在陸相滲流作用下，填土中將形成相對穩(wěn)定的滲流狀態(tài)。自由水面線以上為積鹽狀態(tài)，鹽分類型以CaCl₂和MgSO₄為主；自由水面線以下為脫鹽狀態(tài)，鹽分類型以CaCl₂和NaCl為主。土壤水鹽的運(yùn)移將改變酸堿度環(huán)境，pH值將隨著含鹽量的增加先下降后上升。在陸相地下水的補(bǔ)給下，填海造陸區(qū)的鹽漬化防治工作應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注地下存在擋水層或建筑物基礎(chǔ)密集的地區(qū)。

關(guān)鍵詞：壓實(shí)填土；填海造陸；鹽分運(yùn)移；側(cè)向流；潛水蒸發(fā)

中圖分類號：S156；x502 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）02-0101-08

近年來，我國濱海地區(qū)填海造陸活動踴躍，形成了數(shù)千平方公里的圍填海區(qū)。由于北方地區(qū)平時高溫少雨且降雨集中，地下徑流常遲滯于地表徑流出現(xiàn)，加之濱海地區(qū)的地下水位較高，因而形成了圍填海區(qū)潛水蒸發(fā)與壤中流共同驅(qū)動下的土壤鹽分運(yùn)移過程，給濱海濕地造成了嚴(yán)重影響。在以往的研究中，學(xué)者們針對海水入侵區(qū)淡咸水界面推移過程中發(fā)生的鹽分混合作用、離子交換吸附作用以及溶沉作用進(jìn)行分析，初步證明填海區(qū)的地下含水層將隨著時間推移逐漸淡化。目前，針對鹽分釋放過程的研究多以湖庫底泥或河口潮間帶為背景，如G0mez E.等針對瀉湖底泥中磷的吸收與釋放過程及其影響因素進(jìn)行分析。自南水北調(diào)工程東線和中線通水后，在平原水庫蓄水過程中也普遍遭遇底泥鹽分釋放等新問題。因而，學(xué)者們開始針對濱海水庫底泥中可溶性鹽的吸附和釋放過程進(jìn)行研究。研究過程中采用的試驗方法多采取換水或靜水釋放兩種方式，同時考慮擾動、水深、溫度等因素的影響，也有學(xué)者通過現(xiàn)場調(diào)查地下水來研究海水入侵區(qū)的水巖間相互作用過程。學(xué)者們建立了底泥污染物的釋放動力學(xué)模型，并對營養(yǎng)鹽的遷移轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行分析。

與平原水庫不同，填海造陸區(qū)的鹽分吸附和釋放環(huán)境為土壤環(huán)境，為飽和帶和非飽和帶的不充分釋放過程。以往試驗通常采用比較大的水土比，為充分釋放的淡水釋放過程。兩者的差異就在于充分釋放過程只需考慮土壤鹽分的溶解速率，而不充分釋放過程需同時考慮溶解速率和滲透速率兩個因素。亦有學(xué)者利用土槽來模擬飽和帶鹽分的水平運(yùn)移過程，但一維的物理模擬只能反映鹽分的運(yùn)移速率，難以反映出填海區(qū)水鹽運(yùn)移方向的變化。為了驗證在雨季地下水位抬升時填海造陸區(qū)的鹽分遷移過程，本文以地下水位抬升區(qū)的壓實(shí)填土為研究對象，嘗試通過土槽滲吸試驗從二維尺度來模擬雙重下壓實(shí)填土中的水鹽運(yùn)移過程。另外，設(shè)定弱透水層用于模擬建成后大量建筑物基礎(chǔ)的阻擋，研究成果也可用于反映濱海地下水庫在初期蓄水過程中土壤鹽分的分布和走向。

1試驗方案

1.1試驗設(shè)計與裝置

試驗在土槽模型中進(jìn)行，模型高度為0.6 m，模型比尺為1：4（圖1）。其中，壓實(shí)填土部分為兩個0.5 m×0.5 m×0.3 m土體單元組成。土槽模型與帶刻度馬氏瓶相連（φ10 cm×50 cm），馬氏瓶的平均讀數(shù)誤差為0.30 mm，可滿足試驗精度需求。設(shè)置透水隔板模擬填海區(qū)建筑基礎(chǔ)，隔板上設(shè)置透水孔，孔徑為1.0 cm，間隔為5.0 cm。側(cè)面設(shè)置監(jiān)測孔，從左至右五個取樣點(diǎn)分別編號為A-E，從上至下依次為表層（45 cm）、次層（35 cm）、中層（25 cm）、下層（15cm）和底層（5cm）。

試驗前，土槽及咸水側(cè)蓄水槽內(nèi)放入10 cm深的海水以模擬填海前的海洋環(huán)境。分層填入土壤，每層高度為5 cm，層間用毛刷刮毛。為模擬潛水蒸發(fā)過程，將土槽水平放置于室外自然蒸發(fā)9個月。蓄水槽上加蓋不透光板以減少水量損失，降雨時在土槽上方覆蓋雨布。9個月后進(jìn)入滲流階段，模擬地下水位抬升形成側(cè)向壤中流的過程。此時，清除海水并在淡水側(cè)蓄水槽中放入地下淡水至50 cm。連通馬氏瓶并記錄其供水量和滲出水量，測定滲出液的電導(dǎo)率直至土壤含水量基本達(dá)到穩(wěn)定。期間，定期使用IQ150土壤pH計和WET傳感器連續(xù)監(jiān)測土壤pH、電導(dǎo)率和體積含水量。每個階段結(jié)束后，按監(jiān)測點(diǎn)位分層取土，通過烘干法和滴定法測得質(zhì)量含水量和含鹽量，比較始末狀態(tài)的水鹽分布差異。

1.2試驗參數(shù)設(shè)置

試驗土壤取白大連市某填海工程，經(jīng)過風(fēng)干、碾壓并按照國家土壤分級標(biāo)準(zhǔn)（GBJ 145-90）進(jìn)行篩分制備成室內(nèi)試驗土樣。對土樣的基本理化性質(zhì)進(jìn)行測定，包括土壤密度、孔隙度、顆粒組成等物理特征參數(shù)和土壤初始鹽分組成。按照上述參數(shù)進(jìn)行壓實(shí)回填，土壤屬于粗粒組中的砂土（表1）。供試的海水和地下淡水分別取自填海區(qū)周邊海域和地下水井，其化學(xué)性質(zhì)見表2。

2結(jié)果與分析

2.1潛水蒸發(fā)階段

從含水量監(jiān)測值來看，填埋結(jié)束后填土的體積含水量平均值為12.4%。1個月后，達(dá)到最大值17.3%。之后，含水量逐漸下降，9個月后基本恢復(fù)至初始狀態(tài)（圖2）。取樣分析結(jié)果顯示，填土的質(zhì)量含水量初始值為7.8%。潛水蒸發(fā)階段結(jié)束后，含水量從下至上逐層遞減。其中，表層含水量為15.3%，底層平均含水量為21.1%（表3）。表層和次層的含水量水平分布差別不大，中層以下咸水側(cè)含水量略高于淡水側(cè)。這說明，填埋過程中毛細(xì)吸水作用是含水量上升的主要驅(qū)動因素。隨著土壤基質(zhì)勢的降低，土壤含水量上升速度減緩。當(dāng)?shù)乇眢w積含水量降至3%附近時，土壤含水量受基質(zhì)勢的影響將不再降低。在持續(xù)蒸發(fā)作用下，開始時表層土壤含水量較低，實(shí)際蒸發(fā)量較少。隨著表層含水量的增加，實(shí)際蒸發(fā)能力提升，導(dǎo)致土槽整體含水量降低。咸水側(cè)含水量相對淡水側(cè)要高，說明海水對土體含水量有所補(bǔ)充。

隨著鹽分移動和含水量的變化，整個土層的積鹽現(xiàn)象嚴(yán)重。從表3可以看出，土體平均含鹽量增加了3.39 g/kg。其中，表層漲幅最大達(dá)到7.69g/kg。表層含鹽量整體高于底層，咸水側(cè)整體高于淡水側(cè)，說明鹽分補(bǔ)給越充足，填土積鹽過程越明顯。對比陰陽離子的垂向分布，發(fā)現(xiàn)初期Ca²⁺和Cl^-的表聚現(xiàn)象最為明顯，Mg²⁺和亦向表層聚積但增量不明顯。次層以下的Ca²⁺增量顯著減少，Na⁺增量從上至下逐層遞增。從水平分布來看，土槽中部的Ca²⁺和含量偏高，Mg²⁺表現(xiàn)出親海特性。下層以鈉鹽為主，且越靠近咸水側(cè)，鈉鹽含量越高。因此，表層土壤中的鹽分以CaCl₂和CaSO₄為主，下層鹽分則以NaCl為主，少量鎂鹽存在于咸水側(cè)表層土壤中。因而，在海水環(huán)境下水分持續(xù)蒸發(fā)，拋石填海區(qū)的土壤將形成以Ca²⁺和Na⁺為主的兩個離子基團(tuán)。不僅如此，pH值的分布也具有偏向性，且存在明顯的增減分界線。越靠近土槽淡水側(cè)，表層降幅越大；反之，越靠近咸水側(cè)，底層漲幅越大。

2.2穩(wěn)定滲透階段

滲流階段開始時，平均供水速率為2953 mL/h，其隨著土壤含水量的上升而快速下降。54 h后，供水速率下降到173 8 mL/h，之后基本穩(wěn)定在147.6mL/h。供水22 h后，土槽末端開始有咸水滲出，36h后滲透速率小幅波動于146.8 mL/h上下，此時土槽整體的蓄水量達(dá)到穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn)定滲流階段。表層浸潤線在供水61 h后到達(dá)咸水側(cè)擋板，因而水平滲透系數(shù)范圍為4 55×10^-4cm/s至1_36×10^-3cm/s。供水開始時，土壤含水量低、基質(zhì)勢較大，吸水速率快。隨著含水量的升高，土壤吸水速率減緩，土壤從主動吸水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤\(yùn)移，在穩(wěn)定的水力坡降下自由水的運(yùn)移速率也相對穩(wěn)定。

鹽分的供給速率隨著供水量的減少而減緩，并最終穩(wěn)定在0.05 g/h。初始滲出液的礦化度為35g/kg左右，持續(xù)供水后滲出液的礦化度降低，54 h后基本穩(wěn)定為7 g/kg。由圖3（d）可知，22 h以前土體總含鹽量上升，36 h后含鹽量下降速率減緩，60 h后平均在1.2 g/h。從電導(dǎo)率監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，在22～48 h之間確實(shí)存在含鹽量降低的過程。經(jīng)分析可知，22 h以前滲出液未流出，供水所攜帶的鹽分導(dǎo)致土壤含鹽量的上升，故該階段的鹽分上升速率受供水限制。滲出液流出后，土體鹽分整體減少，其礦化度穩(wěn)定時間遲滯與滲透速率，說明鹽鋒位于濕潤鋒之后。

當(dāng)濕潤鋒進(jìn)入土槽并向右推移，3 h后B點(diǎn)下層含鹽量快速上升。之后，濕潤鋒底部停滯向上抬升直至地表。6h以后，濕潤鋒繼續(xù)移動，高鹽區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大并形成鹽峰。同時，A點(diǎn)中層形成低鹽區(qū)并逐漸擴(kuò)大。22 h后，自由水面線（θ=22%）到達(dá)咸水側(cè)擋板并開始有滲流產(chǎn)生。隨著水面線向上抬升，上層土壤的電導(dǎo)率也開始增加。48 h后，最表層土壤的電導(dǎo)率開始上升，自由水面線下端基本穩(wěn)定在中層處，形成相對穩(wěn)定的狀態(tài)。72 h后，E點(diǎn)表層逐漸形成高鹽區(qū)，含鹽量接近1 6 g/kg，與逐漸擴(kuò)大的低鹽區(qū)形成犄角之勢（表4）。圖4顯示絕大部分區(qū)域的含水量在滲流階段結(jié)束時維持在25%～32%之間，說明此時土壤中已形成的穩(wěn)定供水狀態(tài)。濕潤鋒穩(wěn)定后，鋒面以下部分的土壤鹽分進(jìn)入穩(wěn)定下降狀態(tài)，而鋒面以上部分含鹽量變化不大，自由水面線所在位置的含鹽量在3～4 g/kg左右。由于大部分區(qū)域的含鹽量處于1～2 g/kg之間，但供試淡水鹽度為1.07 g/kg，故土槽中的脫鹽過程還將持續(xù)。滲流階段結(jié)束后，大部分區(qū)域的Ca⁺²含量在0.5 g/kg以下，D點(diǎn)表層濃度達(dá)到8.0 g/kg。飽和帶的Mg²⁺濃度在0.2 g/kg以下，主要集中分布在C點(diǎn)和E點(diǎn)表層。Na⁺主要集中在土槽咸水側(cè)，E點(diǎn)表層含量達(dá)到2.5 g/kg。因此，滲透階段表層聚集的陽離子以Ca²⁺為主，Na⁺次之。土槽咸水側(cè)表層為Cl_的集中區(qū)，E點(diǎn)表層的濃度漲幅達(dá)到2.4 g/kg。中部土層的Cl一含量為0.6～0.8 g/kg，淡水側(cè)底層含量最低，為0.5 g/kg左右。底層和淡水側(cè)表層的Cl^-濃度趨于下降，最大降幅為0.3 g/kg，大部分區(qū)域的Cl^-漲幅在0.2 g/kg以內(nèi)。離子集中咸水側(cè)表層和中部，B點(diǎn)中層和E點(diǎn)表層的濃度漲幅分別為0.4 g/kg和1.0 g/kg。因此，滲流階段土層中的陰離子運(yùn)移以Cl^-為主，次之；故積鹽類型也以CaCl₂為主，硫酸鹽為輔。

3討論

3.1鹽分遷移過程分析

在土質(zhì)條件相對穩(wěn)定的填海造陸區(qū)，旱季降雨量少、蒸發(fā)持續(xù)時間長，表層土壤含水量和地下水位成為限制土壤表層積鹽的重要因素。從鹽分離子組分分析可知，表層土壤中初始積鹽類型為CaSO₄。蒸發(fā)階段結(jié)束后咸水側(cè)鹽分類型變?yōu)镃aCl₂。經(jīng)調(diào)查，大連地區(qū)表層土壤中的鹽分以CaSO₄為主。在持續(xù)蒸發(fā)作用下，這部分鹽分向表層積鹽成為初始積鹽。旱季陸相地下水補(bǔ)給較少，填海區(qū)淡咸水界面向陸地側(cè)推移，地下水中的鹽分類型以NaCl和MgSO₄為主。當(dāng)?shù)叵滤贿M(jìn)入極限蒸發(fā)深度以內(nèi)，Cl^-快速向上遷移，積鹽類型逐步轉(zhuǎn)變?yōu)镃aCl₂。隨著Na⁺和Mg²⁺的持續(xù)補(bǔ)充，土壤中的鹽分類型將逐漸向NaCl轉(zhuǎn)變。

在穩(wěn)定滲流階段，模擬了填海造陸區(qū)在陸相地下水補(bǔ)充時的土壤水鹽運(yùn)移過程。由試驗可知，當(dāng)雨季陸相地下水位抬升后，填土中將形成穩(wěn)定的濕潤鋒向海岸推移，鹽鋒緊隨濕潤鋒移動。當(dāng)?shù)叵滤龅阶钃鯐r，如遇到土壤質(zhì)地相對細(xì)密的黏土層，或者建筑基礎(chǔ)密集的區(qū)域，地下水位將向上抬升直至形成穩(wěn)定滲流。在此過程中，鹽分也隨著地下水位的抬升向表層聚集形成土壤鹽漬化，土體中的鹽分將經(jīng)歷再分布過程。試驗結(jié)果表明，在陸相地下水的補(bǔ)給下，CaCl₂和MgSO₄成為咸水側(cè)表層最主要鹽分類型，底層鹽分則以NaCl為主。所以，當(dāng)填海造陸區(qū)存在擋水層或建筑物地下基礎(chǔ)較為密集時，需要對其周邊表層土壤含鹽量進(jìn)行監(jiān)測。一方面，建筑物周邊需要修建綠化帶，而土壤含鹽量高將直接導(dǎo)致植物死亡。另一方面，如果建筑物周邊土壤積鹽嚴(yán)重，降雨時建筑物基礎(chǔ)將處于咸水環(huán)境中，對建筑物的穩(wěn)定性造成威脅。

3.2含水量與電導(dǎo)率的關(guān)系

已有研究表明，土壤水的電導(dǎo)率與土壤含鹽量呈線性關(guān)系，故可作為土壤含鹽量的表征指標(biāo)。對比電導(dǎo)率與體積含水量、含鹽量與質(zhì)量含水量之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)含鹽量隨著含水量的降低而升高而升高（圖5）。但是，部分點(diǎn)位的電導(dǎo)率隨著體積含水量的降低而降低。監(jiān)測結(jié)果也顯示，潛水蒸發(fā)階段結(jié)束時部分點(diǎn)位的土壤水電導(dǎo)率低于初始狀態(tài)，但采樣分析時測得的含鹽量卻高于初始含鹽量。這意味著當(dāng)含水量較低時，使用電導(dǎo)率作為含鹽量的表征指標(biāo)可能失真。已有研究中，孫玉龍等認(rèn)為土壤毛細(xì)水的不連續(xù)性可能造成電導(dǎo)率測量值的下降。另外，土壤中的鹽分可能因濃度過高而結(jié)晶析出，以晶體形式存在的鹽分不能夠通過電導(dǎo)率測試而測得，但在取樣分析時會溶解于蒸餾水而測出。因而，當(dāng)少量降雨或灌溉植物初期，會導(dǎo)致高礦化土壤水布滿根區(qū)，植物從干旱脅迫轉(zhuǎn)邊為鹽分脅迫。在旱季灌溉必須確保足夠水量才能壓鹽，否則將適得其反。

3.3含鹽量與酸堿度的關(guān)系

在鹽分運(yùn)移過程中，土壤的酸堿環(huán)境也相應(yīng)發(fā)生改變。但是，整體范圍在6.5～9.0之間，增量在1.0以內(nèi)（圖61。在潛水蒸發(fā)階段，土壤酸堿度隨著含鹽量的增加整體表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢。當(dāng)含鹽量增量為3 g兒左右時，pH值最低為6.85。在穩(wěn)定滲流階段，自由水面線以下的土壤pH值上升，說明通過淡水淋洗鹽漬土將導(dǎo)致土壤pH值上升，與陳巍等人的研究成果相一致。自由水面線以上含鹽量整體增加，土壤pH值下降。因而，無論是在蒸發(fā)還是滲透過程中，土壤酸堿度的變化始終受鹽分分布格局的影響。針對淋洗過程中誘發(fā)土壤pH值上升的原因，殷儀掣等認(rèn)為土壤pH值應(yīng)決定于的含量，土壤中CaCO₃的溶解可增加的含量，但增加量的多少則受溶液中Ca²⁺濃度控制。當(dāng)鹽溶液濃度降低、Ca²⁺含量減少時，含量就增加得多，從而土壤pH值也相應(yīng)增加。除此之外，王麗娜等對保護(hù)地多次淋洗狀況進(jìn)行分析，認(rèn)為土壤pH值和Ca²⁺、Na⁺等鹽基離子在全鹽中的相對比例有關(guān)，、等酸根離子的累積及Ca²⁺、Na⁺等堿基離子的下降是導(dǎo)致土壤pH值上升的重要因素。

4結(jié)論

填海造陸區(qū)的上層填土不僅面臨著降雨和蒸發(fā)的雙重作用，還會受到地下徑流的影響而遷移。在潛水蒸發(fā)作用下，下層的鹽分持續(xù)向上補(bǔ)給導(dǎo)致表層積鹽，初始積鹽類型為CaSO₄。隨著海水對土層鹽分的補(bǔ)給，積鹽類型逐步轉(zhuǎn)變?yōu)镃aCl₂型并最終向NaCl過渡。當(dāng)陸相地下水進(jìn)入填土區(qū)，將形成濕潤鋒向海岸推移并達(dá)到相對穩(wěn)定的滲流狀態(tài)。自由水面線以上為積鹽狀態(tài)，鹽分類型以CaCl₂和MgSO₄為主；自由水面線以下為脫鹽狀態(tài)，鹽分類型以CaCl₂和NaCl為主。當(dāng)土壤含水量較低時，使用電導(dǎo)率表征含鹽量可能導(dǎo)致測量值偏低，毛細(xì)水的不連續(xù)性和土壤鹽分結(jié)晶析出可能是主要原因。土壤水鹽運(yùn)移將改變酸堿度環(huán)境，隨著含鹽量的增加pH值將先下降后略微上升。在陸相地下水補(bǔ)給條件下，填海造陸區(qū)的鹽漬化防治工作應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注地下存在擋水層或建筑物基礎(chǔ)較為密集的地區(qū)。