黃河三角洲粉質(zhì)鹽堿土土壤結(jié)構(gòu)特征與滲透性關(guān)系分析

耿雨晗，劉傳孝，李克升，李全新

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271000)

我國是受土壤鹽堿化危害最嚴(yán)重的國家之一，鹽漬土總面積達(dá)0.36 億hm2，主要分布在西北、華北、東北及濱海等干旱、半干旱及半濕潤地區(qū)[1-6]。其中，主要靠引黃河水發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)的黃河三角洲地區(qū)，由于地勢(shì)低平、排水不暢和海水浸潤頂托作用，土地鹽堿化現(xiàn)象非常嚴(yán)重[7]。鹽堿化會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)黏滯，通氣性差，抑制土壤微生物活動(dòng)，并且土壤中的鹽分超過植物正常所需濃度，阻礙作物正常生長，導(dǎo)致其死亡。近年來，該地區(qū)鹽堿退化土地的面積逐年上升，嚴(yán)重阻礙了黃河三角洲地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和土地可持續(xù)利用[8,9]。因此，研究黃河三角洲鹽堿土土壤結(jié)構(gòu)特征與滲透性之間的關(guān)系，尋求更為有效的洗鹽方式，對(duì)治理該區(qū)域鹽堿地，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要意義。

土壤中孔隙的大小、連通性以及曲折性等特征是影響滲透特性的重要因素，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)微觀孔隙特征進(jìn)行了深入研究[10,11]。張先偉[12]研究發(fā)現(xiàn)聯(lián)合掃描電鏡、壓汞法和氮?dú)馕椒軌驕?zhǔn)確地對(duì)土壤孔隙特征進(jìn)行定性與定量的評(píng)價(jià)。張雁[13]對(duì)摻入煤矸石粉的膨脹土進(jìn)行干濕循環(huán)后通過壓汞試驗(yàn)測(cè)得孔隙特征值發(fā)現(xiàn)，摻加煤矸石粉可限制大孔形成。Yao[14]通過掃描電鏡試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，納米氧化鎂的添加改善了軟土的微觀結(jié)構(gòu)。郭玉良[15]對(duì)黏土進(jìn)行不同基質(zhì)吸力下加壓和減壓兩種應(yīng)力路徑的三軸試驗(yàn)，通過掃描電鏡觀測(cè)微觀結(jié)構(gòu)的變化特征發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)吸力由小變大時(shí)，黏土孔隙尺寸逐漸減小。Aly Ahmed[16]利用掃描電鏡和X射線衍射分別確定軟黏土的微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分。Jia[17]分別對(duì)原狀土和擾動(dòng)土進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，原狀土中黏土顆粒黏結(jié)成集聚體，集聚體進(jìn)一步膠結(jié)形成土壤骨架，可抵抗大的變形，擾動(dòng)導(dǎo)致土壤中膠結(jié)失效，應(yīng)力重分布。項(xiàng)國圣[18]將膨潤土浸泡在不同濃度鹽溶液中并進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，隨著浸泡溶液濃度增加，膨潤土孔隙體積逐漸減小，比表面積先增大后減小。閆小慶[10]向土中加入不同比例膨潤土后進(jìn)行微觀孔隙特征分析發(fā)現(xiàn)，土體中加入少量膨潤土可使大孔隙數(shù)量急劇減少。

現(xiàn)有研究成果大多為外界各種因素對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響，對(duì)于黃河三角洲鹽堿土土壤結(jié)構(gòu)特征與滲透性之間的關(guān)系研究甚少。本文通過掃描電鏡試驗(yàn)與壓汞試驗(yàn)對(duì)黃河三角洲鹽堿土進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，并結(jié)合滲透試驗(yàn)分析土壤滲透性，研究土壤結(jié)構(gòu)特征與滲透性之間的關(guān)系，為改良該地區(qū)鹽堿土提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤采自山東省東營市西馬樓村，取樣深度為40 cm，用于掃描電鏡試驗(yàn)、壓汞試驗(yàn)、變水頭滲透試驗(yàn)以及室內(nèi)土柱滲透試驗(yàn)，其物理性質(zhì)如表1所示，礦物組成如表2所示。

表1 土樣的物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of soil

表2 土樣的礦物組成成分占比Tab.2 The proportion of mineral components in soil

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 掃描電鏡試驗(yàn)

從原狀土樣中切取尺寸為10 mm×10 mm×15 mm的長方體，放置在裝有異戊烷的離心管中，將其用液氮冷凍20 min后，取出離心管放入真空冷凍干燥機(jī)進(jìn)行冷凍干燥。將冷凍干燥后的土樣沿中間位置斷開，得到新鮮斷面，將其用導(dǎo)電炭膠黏貼在掃描電鏡樣品臺(tái)上噴金后，用FEI公司生產(chǎn)的Quanta250掃描電子顯微鏡在高真空狀態(tài)下對(duì)斷面進(jìn)行觀測(cè)。

1.2.2 壓汞試驗(yàn)

將原狀土樣切割成尺寸為5 mm×5 mm×10 mm的長方體進(jìn)行冷凍干燥，采用美國康塔公司生產(chǎn)的PM-33-18全自動(dòng)壓汞孔率儀對(duì)冷凍干燥后的土樣進(jìn)行壓汞試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)累積進(jìn)汞體積與注入壓力，并根據(jù)Washburn[20]公式繪制累積進(jìn)汞量與孔徑關(guān)系曲線：

(1)

式中：p為施加壓力，Pa；σ為浸入液體的表面張力系數(shù)，N/m；θ為導(dǎo)入液體與固體材料的接觸角，°；r為圓柱形孔隙半徑，m。

1.2.3 變水頭滲透試驗(yàn)

試驗(yàn)按《土工試驗(yàn)規(guī)程》[19]規(guī)定進(jìn)行。用環(huán)刀切取土樣進(jìn)行飽和后，將其推入套筒內(nèi)，壓入止水墊圈，裝好帶有透水板的上下蓋，與水頭裝置聯(lián)通，使水通過進(jìn)水管注入滲透容器，如圖1所示。在一定水頭作用下靜置一段時(shí)間，待出水管口有水溢出時(shí)，進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。將水頭管充水至一定高度后，關(guān)閉止水夾，開動(dòng)秒表，測(cè)記一定時(shí)間內(nèi)的起止水頭。連續(xù)測(cè)記3次后，再使水頭管水位回升至開始高度，重復(fù)上述操作3次，試驗(yàn)終止。

圖1 變水頭滲透試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Diagram of falling head permeation test device

1.2.4 室內(nèi)土柱滲透試驗(yàn)

試驗(yàn)所用土柱由壁厚5 mm，外徑20 cm，高50 cm的有機(jī)玻璃圓筒制成，底部均勻設(shè)置排水孔。試驗(yàn)用土經(jīng)風(fēng)干、破碎、過2 mm篩后，混合均勻，按照原始容重分層填裝到玻璃土柱中，每層壓實(shí)到5 cm，并在層與層之間進(jìn)行拋毛處理，填土高度為30 cm。在土柱底部鋪設(shè)15 cm砂石作為反濾層，管底用紗網(wǎng)封住，防止砂石掉落，如圖2所示。

圖2 室內(nèi)土柱滲透試驗(yàn)示意圖Fig.2 Diagram of indoor soil column permeability test

在試驗(yàn)過程中，土柱水頭控制在5 cm不變，觀察濕潤鋒推進(jìn)深度，每推進(jìn)2 cm記錄一次時(shí)間，到30 cm處為止。滲水量穩(wěn)定后，每3 h記錄一次水量，24 h后停止。設(shè)置3組平行試驗(yàn)，編號(hào)分別為A、B、C。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿土結(jié)構(gòu)特征的定性分析

為深入認(rèn)識(shí)黃河三角洲鹽堿土的土壤結(jié)構(gòu)特征，對(duì)所取鹽堿土進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，得到鹽堿土微觀結(jié)構(gòu)圖片，如圖3所示。當(dāng)放大500倍和1 000倍時(shí)，可以看出構(gòu)成該鹽堿土的土顆粒以片狀為主，排列較為緊密，孔隙分布均勻，多呈長條縫隙狀；當(dāng)放大2 000 倍與3 000 倍時(shí)看到，顆粒間主要以面—面、面—邊接觸為主，孔隙之間的連通性較差。

圖3 鹽堿土微觀結(jié)構(gòu)圖片F(xiàn)ig.3 Microstructure of saline-alkali soil

2.2 鹽堿土結(jié)構(gòu)特征的定量分析

將制備好的土樣放入壓汞儀中進(jìn)行壓汞試驗(yàn)，得到累積進(jìn)汞曲線以及孔隙分布曲線，如圖4所示。本文根據(jù)Shear[20]的孔徑劃分理論以及進(jìn)汞曲線斜率變化將孔隙分為5類：①大孔隙，孔徑D>20 μm；②中孔隙，孔徑10≤D<20 μm；③小孔隙，孔徑2≤D<10 μm；④微孔隙，孔徑0.1≤D<2 μm；⑤超微孔隙，孔徑D<0.1 μm。根據(jù)進(jìn)汞試驗(yàn)結(jié)果得到土樣的各類孔隙百分含量如表3所示。

圖4 壓汞試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Mercury intrusion test results

表3 土樣的不同孔隙含量Tab.3 Different pore contents of soil

孔徑/μmD>20(大孔隙)10≤D<20(中孔隙)2≤D<10(小孔隙)0.1≤D<2(微孔隙)D<0.1(超微孔隙)含量/%8.433.1930.5149.348.53

由圖4及表3可知，鹽堿土的孔徑分布范圍集中在0.1～10 μm之間且呈單峰分布，小孔隙和微孔隙的體積平均占總孔隙體積的79.85%，這說明該區(qū)域鹽堿土大孔隙較少，孔隙類別主要為小孔隙和微孔隙，孔徑較小。

2.3 原狀土變水頭滲透試驗(yàn)結(jié)果

為準(zhǔn)確描述黃河三角洲鹽堿土的滲透性，對(duì)該區(qū)域原狀鹽堿土進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，得到每5 min內(nèi)的起始水頭h1與終止水頭h2，如表4所示，結(jié)合下列公式計(jì)算可得原狀鹽堿土的滲透系數(shù)：

(2)

(3)

式中：kT為水溫T℃時(shí)試樣的滲透系數(shù)，cm/s；a為變水頭管截面積，cm2；L為滲徑，等于試樣高度，cm；h1為起始水頭，cm；h2為終止水頭，cm；A為試樣斷面積，cm2；t為經(jīng)過時(shí)間，s；k20為標(biāo)準(zhǔn)溫度(20 ℃)時(shí)試樣的滲透系數(shù)，cm/s；ηT為T℃時(shí)水的動(dòng)力黏滯系數(shù)，10-6kPa·s；η20為20 ℃時(shí)水的動(dòng)力黏滯系數(shù)，10-6kPa · s。

表4 原狀土變水頭滲透試驗(yàn)結(jié)果表Tab.4 Undisturbed soil falling head permeability test results

由表4可知，對(duì)黃河三角洲地區(qū)原狀鹽堿土進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，得到其滲透系數(shù)為6.46×10-5cm/s，滲透能力在相對(duì)不透水的范圍內(nèi)，滲透性較差，不利于洗鹽排鹽。

2.4 重塑土滲透試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 土柱試驗(yàn)中濕潤鋒運(yùn)移與時(shí)間關(guān)系分析

室內(nèi)土柱常水頭滲透試驗(yàn)中，A、B、C 3組試驗(yàn)土柱濕潤鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。

圖5 濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間關(guān)系圖Fig.5 Wetting front travel distance versus time

由圖5可知，在0～40 min內(nèi)曲線的斜率較大，入滲較快，濕潤鋒平均推進(jìn)深度為10 cm。隨著時(shí)間增加，曲線斜率減小，濕潤鋒到達(dá)20 cm和30 cm深度處所用平均時(shí)間分別為265、770 min，呈現(xiàn)出濕潤鋒運(yùn)移速度隨時(shí)間增加逐漸減小的規(guī)律。這是因?yàn)橥林谌霛B初期上層土壤與下層土壤吸力梯度較大，土壤中的水分在重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)的作用下迅速向下推進(jìn)。但隨著時(shí)間的增加，上層土壤不斷吸收水分，部分轉(zhuǎn)化為毛管水，多余的重力水下滲，使得上層土壤平均含水量減少，與下層土壤的吸力梯度減小，運(yùn)移速度也隨之減小。

2.4.2 均質(zhì)重塑土滲透性分析

對(duì)該區(qū)域重塑土進(jìn)行室內(nèi)土柱滲透試驗(yàn)，待土柱底部滲水量穩(wěn)定后，每3 h測(cè)得的滲水量如表5所示。

表5 每3 h土柱的滲水量Tab.5 Water seepage of soil column every 3 hours

注：表中QA、QB、QC分別表示A、B、C 3個(gè)試驗(yàn)土柱的滲水量。

由表5可知，A、B、C 3組試驗(yàn)每3 h滲水量相近，平均每3 h滲水量為29.4 cm3，平均滲透速率為0.035 cm/h，滲透速率較慢。取均質(zhì)重塑土進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)分析其滲透系數(shù)，結(jié)果如表6所示。

通過對(duì)重塑土進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)為2.40×10-5cm/s，滲透能力較差，與室內(nèi)土柱常水頭滲透試驗(yàn)的研究結(jié)論一致。

2.5 鹽堿土結(jié)構(gòu)特征與滲透性關(guān)系分析

土中孔隙為水分下滲提供滲流通道，孔隙的大小以及連通性等因素直接影響土體的滲透性。通過對(duì)原狀鹽堿土進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，鹽堿土的顆粒緊密鑲嵌，孔隙狹窄且不連通，孔隙主要為小孔隙和微孔隙，孔徑較??；對(duì)原狀土進(jìn)行滲透試驗(yàn)得到鹽堿土滲透系數(shù)為6.46×10-5cm/s，滲透能力在相對(duì)不透水的范圍內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了黃河三角洲鹽堿土結(jié)構(gòu)致密，孔隙狹小不連通，導(dǎo)致土壤不透水，滲透性較差。

表6 重塑土土變水頭試驗(yàn)結(jié)果表Tab.6 Remolded soil falling head permeability test results

3 討 論

鹽堿土洗鹽時(shí)，土壤的滲透性是影響洗鹽效果的重要因素。通過對(duì)原狀鹽堿土進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)、壓汞試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)可知，黃河三角洲粉質(zhì)鹽堿土土壤結(jié)構(gòu)致密，孔徑較小，滲透性較差。通過室內(nèi)土柱滲透試驗(yàn)以及重塑土變水頭滲透試驗(yàn)可知，重塑土滲透系數(shù)為2.40×10-5cm/s，滲透性降低，這是因?yàn)閷⑼寥乐厮芎?，破壞了絮凝集聚體，且該地區(qū)鹽堿土中粉粒含量較多，顆粒小，孔隙變小，導(dǎo)致滲透性降低。為了增強(qiáng)該區(qū)域鹽堿土的滲透能力，達(dá)到良好的洗鹽效果，需改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土體內(nèi)部滲流通道，使其形成相互連通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖6所示。例如，向土壤中摻雜一定比例的砂石可使土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)達(dá)到圖6所示效果，增大滲透能力，使土中鹽分隨水分快速排出，達(dá)到理想的洗鹽效果。為達(dá)到最優(yōu)排鹽效果，摻雜砂石的比例和粒徑還需進(jìn)一步研究優(yōu)化。

圖6 網(wǎng)狀裂隙示意圖Fig.6 Schematic diagram of the network crack

4 結(jié) 論

(1)通過對(duì)土壤進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析得到，鹽堿土內(nèi)部顆粒緊密鑲嵌，孔隙長條縫隙狀且不連通，孔隙主要為小孔隙和微孔隙。

(2)通過對(duì)黃河三角洲地區(qū)原狀鹽堿土進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，得到其滲透系數(shù)為6.46×10-5cm/s，滲透性能在相對(duì)不透水的范圍內(nèi)，滲透性較差。

(3)通過重塑土室內(nèi)土柱滲透試驗(yàn)和變水頭滲透試驗(yàn)得到，土柱平均滲透速率為0.035 cm/h，滲透系數(shù)為2.40×10-5cm/s，滲透性差。

(4)黃河三角洲粉質(zhì)鹽堿土結(jié)構(gòu)致密，孔隙狹小不連通，阻礙水分流通，導(dǎo)致該地區(qū)土壤不透水，滲透性較差。

(5)對(duì)于黃河三角洲粉質(zhì)鹽堿土的改良，建議向土中摻雜一定砂石，形成相互連通的網(wǎng)狀滲流通道，增加滲透能力進(jìn)而改善洗鹽效果。