非飽和土基質(zhì)吸力對溶質(zhì)Br-垂向遷移影響試驗(yàn)研究

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(1.寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，寧夏銀川750001；2.成都理工大學(xué)，地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059)

包氣帶土壤中溶質(zhì)遷移過程是一個(gè)復(fù)雜多變的過程，受諸多因素影響，如土壤組成、溶質(zhì)特性、土壤環(huán)境及其時(shí)空變異性等因素的影響[1]。土壤本身的特性是影響溶質(zhì)遷移的一個(gè)基本因素，包括土壤基質(zhì)吸力(含水率等因素影響)、顆粒成分、土中固液氣比例等[2]。大量研究表明，包氣帶土壤基質(zhì)吸力受土壤質(zhì)地、土壤含水量、密實(shí)程度和土中礦物成分等多個(gè)因素影響[3-6]。因此，在非飽和土溶質(zhì)遷移研究中，土壤基質(zhì)吸力的存在不可忽視，對溶質(zhì)的遷移與分布影響研究意義較大。

目前，非飽和帶中污染物的遷移規(guī)律及影響因素的研究仍相對滯后，尤其是降雨條件下污染物在非飽和土中遷移的試驗(yàn)研究還十分有限[7]。Grifoll 和Cohen[8]利用包氣帶中水氣兩相流動(dòng)原理，建立了一維溶質(zhì)運(yùn)移方程，采用隱式有限差分法分析了包氣帶降雨和蒸發(fā)條件下溶質(zhì)遷移規(guī)律。Marshall 等[9]通過建立一維非飽和土保守性溶質(zhì)遷移模型，研究了隨機(jī)降雨入滲環(huán)境下溶質(zhì)濃度的變化。王福利[10]運(yùn)用一維土柱試驗(yàn)，研究降雨過程中污染物運(yùn)移規(guī)律時(shí)，發(fā)現(xiàn)溶質(zhì)遷移的深度與降雨量的大小密不可分。王超[11]借助數(shù)值模型，分析了包氣帶分層土中溶質(zhì)遷移與轉(zhuǎn)化過程，研究表明土中溶質(zhì)的遷移與轉(zhuǎn)化規(guī)律與土層分層特性關(guān)系。李洪等[12]將有機(jī)物苯作為溶質(zhì)，概化模擬了土壤淋溶過程中有機(jī)污染物的一維縱向運(yùn)移。

本文在前人多年的研究基礎(chǔ)上[3-13]，秉承著由淺及深的漸進(jìn)理念，將水文地質(zhì)學(xué)與土壤學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，從非飽和土壤某一特性(基質(zhì)吸力)和化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定的溶質(zhì)Br-出發(fā)，采用室內(nèi)非飽和土柱試驗(yàn)，對不同土壤質(zhì)地和初始含水率所對應(yīng)的基質(zhì)吸力特性而引起的水流入滲與溶質(zhì)遷移的變化規(guī)律分析，致力于土壤基質(zhì)吸力對污染性溶質(zhì)縱向遷移的影響，進(jìn)一步揭示非飽和帶溶質(zhì)遷移機(jī)理。

1 材料與設(shè)計(jì)

1.1 試樣與試驗(yàn)系統(tǒng)

供試土樣取自成都平原黏土和岷江支流河漫灘砂土，在天然狀態(tài)下風(fēng)干，碾碎，去除雜質(zhì)，分別過18、270目篩(泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩制)，制備不同顆粒級(jí)配的土樣[14]。根據(jù)中國土類質(zhì)地劃分方案[15]，配制3種類型土樣，粉黏土、砂壤土和細(xì)砂土，其理化性質(zhì)見表1，參照GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試。

試驗(yàn)系統(tǒng)由土柱(有機(jī)玻璃制)、供液設(shè)備和數(shù)據(jù)采集設(shè)備3部分組成。土柱高60 cm，內(nèi)徑15 cm；供液設(shè)備為自制“針頭式”定流量設(shè)備，由蠕動(dòng)泵持續(xù)供水，提供均勻、穩(wěn)定降雨；檢測設(shè)備為PC終端、基質(zhì)勢數(shù)據(jù)采集器和基質(zhì)勢傳感器(陶土頭進(jìn)氣值>100 kPa)，均為實(shí)驗(yàn)室自制設(shè)備，其中基質(zhì)勢數(shù)據(jù)采集器是通過基質(zhì)勢傳感器傳遞電流信息，將負(fù)壓值轉(zhuǎn)換為電流值被采集記錄，每30 min采集一次，傳感器經(jīng)過標(biāo)定后即可還原計(jì)算出土壤基質(zhì)吸力值。

表1 試驗(yàn)土樣基本參數(shù)

注：w為回填土初始含水率，ws為飽和含水率

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與過程

在室內(nèi)進(jìn)行垂向土柱連續(xù)降雨入滲模擬試驗(yàn)，控制土壤質(zhì)地(表1)和初始含水率(以砂壤土為介質(zhì))的土柱結(jié)構(gòu)。制備3種質(zhì)地試樣，分別為粉黏土、砂壤土和細(xì)砂土，并控制砂壤土的不同含水率條件因素，調(diào)節(jié)兩種含水率(自然含水率4.25 g/g)和10±0.5%(g/g)的含水率土壤進(jìn)行試驗(yàn)。

在土樣回填時(shí)，控制不同質(zhì)地土壤的容重。土柱高度60 cm，最底部5 cm填充大顆粒砂礫石，依次是粒級(jí)稍小的砂石，放置一5 mm透水石，起固定透水作用；然后自下而上控制其容重依次回填供試土樣，每5 cm回填一次，擊實(shí)力量遞減，避免土壤分層現(xiàn)象；在最上部5 cm土柱回填時(shí)，放置一5 mm透水石，其上均勻撒上試驗(yàn)樣品，上部繼續(xù)回填砂礫石，粒徑逐漸增大，緩減入滲過程中土體變形。待土柱回填完，靜置一周時(shí)間后開始試驗(yàn)。試驗(yàn)中，土柱由上到下分別在埋深15、30、45 cm處取樣測試Br-濃度(在空間尺度上，一般以取樣點(diǎn)2剖面為研究對象)，基質(zhì)勢傳感器布孔分別埋置在12、22、35和50 cm處(上密下疏原則)，試驗(yàn)裝置系統(tǒng)見圖1。

圖1 土柱試驗(yàn)裝置系統(tǒng)

以0.05 mol/L NaBr溶液為示蹤溶劑，將200 ml溶劑一次性均勻噴灑在土柱表層后進(jìn)行連續(xù)降雨淋溶實(shí)驗(yàn)，降雨量控制在15 mm/12 h，檢測土壤中Br-隨降雨入滲的在縱向剖面上的溶質(zhì)濃度遷移變化，直到土柱飽水后停止試驗(yàn)。在降雨過程中，實(shí)時(shí)觀測濕潤鋒位置，在土柱不同埋深剖面處取樣測試，每次取樣2 g土樣，按土水比1∶25放入100 ml錐形瓶中，并在恒溫震蕩箱(25℃)中以220 r/min震蕩3 h，靜置12 h后用定性濾紙和水相濾膜(0.22 μm)制備試樣，用離子色譜儀(861 Advanced compact IC型)進(jìn)行Br-濃度測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基質(zhì)吸力時(shí)空變化特征

在非飽和土中，保持在土壤中的水分受兩種吸力作用，其一是基質(zhì)吸力，其二是滲透吸力，而土中水勢的測定主要是基質(zhì)勢的測定問題[14]?；|(zhì)吸力作為非飽和土所固有的一種應(yīng)力，分析不同條件下的基質(zhì)吸力變化對研究水分入滲和溶質(zhì)遷移規(guī)律都有著積極作用。

2.1.1不同質(zhì)地下的基質(zhì)吸力變化

由于土壤不同質(zhì)地的降雨入滲能力各不相同，粉黏土、砂壤土和細(xì)砂土的濕潤鋒分別在試驗(yàn)歷時(shí)約230、170和130 h后到達(dá)土柱底部，此時(shí)土柱尚未充分飽和，故繼續(xù)降雨淋溶直到試驗(yàn)進(jìn)行280 h后結(jié)束試驗(yàn)。

通過對3種不同質(zhì)地的土柱進(jìn)行連續(xù)降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在時(shí)間尺度上，土壤基質(zhì)吸力均隨降雨歷時(shí)而呈小幅度增加后大幅度減小到穩(wěn)定的變化規(guī)律。圖2中，在降雨試驗(yàn)前期，分別在前90、35和25 h時(shí)間段內(nèi)為3種質(zhì)地土壤(由黏到砂，下同)基質(zhì)吸力的增長期，最大值分別達(dá)84.07、74.48和68.65 kPa，該過程歷時(shí)較短且未受土壤含水率變化影響。在降雨中土中孔隙被水填充，水對孔隙中的氣的代替驅(qū)趕使得土中氣一部分溢出土表層，一部分向下遷移，從而“降雨濕潤鋒未至而氣先達(dá)”，導(dǎo)致土壤基質(zhì)吸力(孔隙氣壓力與孔隙水壓力之差)在短時(shí)間內(nèi)波動(dòng)性增長，在砂性土中吸力增長幅度明顯，黏性土中吸力波動(dòng)顯著，這與其孔隙結(jié)構(gòu)和土中氣密切相關(guān)，同時(shí)也是通常研究中所忽略的地方，即沒有考慮土中氣壓的影響；在試驗(yàn)中期，分別在90～180、35～145和25～105 h時(shí)間段內(nèi)為3種土壤基質(zhì)吸力的聚降期。在試驗(yàn)后期，分別在180、145和105 h后為3種土壤基質(zhì)吸力的波動(dòng)-穩(wěn)定期。由于降雨下滲完全，土壤中水-氣分布較穩(wěn)定，土中基質(zhì)吸力波動(dòng)不大，相對穩(wěn)定。

圖2 連續(xù)降雨條件下不同質(zhì)地土壤基質(zhì)吸力的歷時(shí)曲線

在空間尺度上，不同時(shí)段各埋深剖面處的基質(zhì)吸力也不盡相同，總體而言，埋深淺的剖面受降雨影響變化明顯，而埋深較深處的基質(zhì)吸力相對穩(wěn)定且較淺層更大。圖3中，在試驗(yàn)前期，隨著降雨入滲，土壤淺層(埋深10～25 cm)基質(zhì)吸力變化明顯，尤其是滲透性較強(qiáng)的砂壤土和細(xì)砂土，分別增加了8.42、13.12 kPa，這是由于土壤表層土中氣向下遷移使得埋深20 cm處的氣壓波動(dòng)，致使土中吸力增加，而滲透性差的粉黏土變化甚微。在試驗(yàn)中期，隨著降雨持續(xù)入滲，土壤淺層含水率增大，基質(zhì)吸力減小幅度較大，尤其是粉黏土最為顯著，埋深從10～40 cm，吸力減小約49 kPa；在試驗(yàn)后期，土柱降雨入滲充分，基質(zhì)吸力穩(wěn)定。

a) 前期

b) 中期

c) 后期圖3 不同時(shí)段3種質(zhì)地土壤基質(zhì)吸力垂向變化曲線

2.1.2不同初始含水率下的基質(zhì)吸力變化

研究不同含水率條件下，砂壤土的基質(zhì)吸力變化特征。圖4中，低含水率的基質(zhì)吸力變化可分為“快速上升—聚降—平穩(wěn)”3個(gè)過程，而較高含水率的吸力表現(xiàn)為“波動(dòng)—下降—平穩(wěn)”3個(gè)過程。在試驗(yàn)前期，即前35 h(w0=4.6%)和前60 h(w0=10.0%)含水率，較高含水率的土壤受降雨而呈波動(dòng)性微變化，沒有低含水率的吸力變化幅度大，主要原因是高含水率土壤中的孔隙氣壓較低，受降雨影響不大；在試驗(yàn)中期，分別在低含水率的35～145 h和高含水率的60～210 h時(shí)間段內(nèi)，低含水率的基質(zhì)吸力減小速度和幅度都比高含水率的更大，這是由于不同含水率條件下土壤入滲能力不同，低含水率的初始基質(zhì)吸力(下降時(shí)刻的吸力)約是高含水率的1.67倍，所以土壤對作用更強(qiáng)烈，表現(xiàn)為降雨入滲更快，這也導(dǎo)致土壤基質(zhì)吸力迅速減小；在試驗(yàn)后期，即在試驗(yàn)145 h和210 h后(低含水率和較高含水率)，土壤中降雨入滲充分，土中基質(zhì)吸力較穩(wěn)定。

圖4 連續(xù)降雨條件下不同初始含水率下土壤基質(zhì)吸力的歷時(shí)曲線

圖5中，在土壤垂向不同埋深剖面上，兩種含水率的土壤基質(zhì)吸力在不同埋深處的空間變異性各異。在試驗(yàn)前期，低含水率條件下淺層土剖面表現(xiàn)為吸力隨埋深加深而增大，而較高含水率的吸力變化不大；在試驗(yàn)中期，兩種含水率土壤的基質(zhì)吸力均隨埋深加深而增大，變化值分別達(dá)30.75、30.02 kPa，這與降雨入滲關(guān)系密切；在試驗(yàn)后期，降雨入滲完全，高含水率的土壤基質(zhì)吸力變化較低含水率的更大，埋深由淺到深增大約5.20 kPa，總體變化幅度不大，整個(gè)垂向空間上的吸力較為穩(wěn)定。

a) 前期

b) 中期

c) 后期圖5 不同時(shí)段2種初始含水率的土壤基質(zhì)吸力垂向變化曲線

2.2 Br-垂向遷移與土壤基質(zhì)吸力的關(guān)系分析

2.2.1簡化理論分析

在非飽和土數(shù)值分析中，以土-水基本特征方程和土壤溶質(zhì)遷移規(guī)律基本方程為理論依據(jù)，也就需要聯(lián)立偏微分方程組來求解，然而目前仍未獲得這樣方程組的解吸解，一般僅通過數(shù)值方法進(jìn)行求解，不利于定量分析土壤溶質(zhì)遷移特征和量變間函數(shù)關(guān)系。為此，根據(jù)土壤溶質(zhì)遷移的對流彌散理論推求了簡單且便于應(yīng)用的土壤溶質(zhì)濃度分布近似計(jì)算公式[13,16]。

由非飽和土溶質(zhì)遷移的對流彌散理論可知，溶質(zhì)遷移的實(shí)質(zhì)為水動(dòng)力彌散和溶質(zhì)對流擴(kuò)散的共同作用，其中溶質(zhì)遷移通量的方程可簡寫為：

(1)

式中Q——溶質(zhì)通量；j——土壤含水通量，并有j=vθ；v——土壤孔隙水分平均流速；θ——體積含水率；c——溶質(zhì)體積平均濃度；z——土層深度；D——彌散系數(shù)，并有D=λv，λ——彌散度。這樣式(1)變?yōu)椋?/p>

(2)

其中，cj(Q/j)為溶質(zhì)平均濃度。為了分析非飽和土溶質(zhì)遷移規(guī)律，假設(shè)溶質(zhì)通量濃度與體積平均濃度為一次函數(shù)關(guān)系，有cj=kc，則：

(3)

令土柱表層為基準(zhǔn)坐標(biāo)點(diǎn)，向下正值增大，對式(3)進(jìn)行積分有：

(4)

式中，c0為z=0時(shí)的平均溶質(zhì)濃度。β=(1-k)，它反映了土體中水分運(yùn)動(dòng)特征、溶質(zhì)與土體骨架相互作用等對溶質(zhì)遷移的綜合影響。由于λ為某種土體的特定常數(shù)，K為水分運(yùn)動(dòng)系數(shù)，土體中累積入滲量表征著水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并且試驗(yàn)中可得，因此假設(shè)β=bedI，式中b和d為系數(shù)參數(shù)，I為累積入滲量，則式(4)變?yōu)椋?/p>

c=c0eβz=c0ebedIz

(5)

式(5)表示某一時(shí)刻土柱剖面上，溶質(zhì)遷移濃度隨深度的變化特征。

2.2.2基質(zhì)吸力對Br-垂向遷移影響分析

通過試驗(yàn)得出，在同一降雨條件下，不同質(zhì)地和不同初始含水率的土壤中Br-溶質(zhì)遷移能力各不相同，表現(xiàn)為同一時(shí)刻同一埋深處的Br-濃度不同。分析其內(nèi)因，不同條件下土壤中的基質(zhì)吸力大小不一，對溶質(zhì)Br-垂向遷移的“吸力”作用也不盡相同。圖6中，在連續(xù)降雨淋溶中，各類土壤中Br-濃度隨土壤基質(zhì)吸力變化的曲線。由圖可知， 在不同質(zhì)地土柱試驗(yàn)中，隨著土壤含水率的增加，基質(zhì)吸力不斷減小，在低吸力(小于20 kPa)段內(nèi)Br-濃度隨土壤基質(zhì)吸力的減小而聚降，而在較高吸力段上(大于20 kPa)，Br-濃度隨基質(zhì)吸力的減小呈增大的趨勢。在不同含水率條件下，低含水率土壤Br-濃度隨基質(zhì)吸力的減小呈“先增大而后急劇減小” 的運(yùn)動(dòng)趨勢；而在較高含水率土壤中，Br-濃度隨基質(zhì)吸力的減小呈負(fù)相關(guān)曲線。

a) 粉黏土

b) 細(xì)砂土

c) 砂壤土(4.6%)

d) 砂壤土(10.0%)圖6 同一剖面上Br-濃度隨基質(zhì)吸力的變化

基質(zhì)吸力是非飽和土壤固有的一種屬性，對Br-在土壤中的垂向遷移和分布規(guī)律影響較大。在3種質(zhì)地土壤中，由細(xì)砂土到粉黏土，土壤黏粒成分遞減，在連續(xù)降雨中土壤中的入滲能力遞減(含水能力遞增)，土壤基質(zhì)吸力逐漸減小，使得Br-濃度隨吸力的減小而變化，影響了Br-在土壤中的遷移和分布。在較高含水率條件下，土壤的初始基質(zhì)吸力較小，入滲驅(qū)動(dòng)力小，水分下滲緩慢，導(dǎo)致土壤基質(zhì)吸力減小緩慢，從而影響B(tài)r-在土壤中的遷移和分布，使得Br-在土壤中遷移緩慢，在同一剖面上持續(xù)累積。因此，土壤基質(zhì)吸力對降雨入滲和Br-溶質(zhì)遷移能力的關(guān)系密切且復(fù)雜，其研究內(nèi)容還有待進(jìn)一步細(xì)化和深化。

3 結(jié)語

a) 在連續(xù)降雨條件下，土壤基質(zhì)吸力變化呈“上升—聚降—平穩(wěn)”的變化過程，其中上升期是受土中氣壓波動(dòng)影響，這是以往研究所忽略的一點(diǎn)。

b) 運(yùn)用土壤溶質(zhì)遷移的簡化理論，較好地?cái)M合了在不同時(shí)刻Br-溶質(zhì)遷移隨土壤埋深的變化情況，尤其表現(xiàn)在土壤后期的Br-溶質(zhì)隨降雨淋溶的減小過程，建議推廣此簡單實(shí)用的理論公式。

c) 在不同初始條件下，土壤的基質(zhì)吸力不盡相同，這對Br-溶質(zhì)遷移和分布影響較大。一般而言，在連續(xù)淋溶降雨下，隨著土壤含水率的增加，土壤基質(zhì)吸力減小，Br-濃度分布隨基質(zhì)吸力的減小呈一定的變化規(guī)律。

d) 土壤基質(zhì)吸力的影響因素較多，而本文只研究了土壤質(zhì)地和初始含水率條件下的變化特征，缺乏各種因素多樣與多重性研究；另外，Br-溶質(zhì)監(jiān)測取樣技術(shù)有待提高，這也是非飽和土壤中溶質(zhì)實(shí)時(shí)取樣監(jiān)測的一個(gè)亟待改進(jìn)的問題。