斥水劑對(duì)濕陷性黃土持水性能的影響

張 科

(惠州市綠景水土保持咨詢服務(wù)有限公司，廣東 惠州 516001)

我國(guó)西北、黃河中游分布廣泛的濕陷性黃土，遭遇浸水后在飽和自重壓力或者附加壓力作用下，破壞土體原有結(jié)構(gòu)。浸水、附加壓力是黃土濕陷發(fā)生的必要條件，黃土濕陷具有突變性、非連續(xù)性和不可逆性等特征[1]。隨著社會(huì)飛速發(fā)展，黃土濕陷性成為制約我國(guó)西北、黃河中游地區(qū)發(fā)展的重要難題。

伊犁位于我國(guó)西北，伊犁黃土是典型的風(fēng)積黃土，具有密度小，含水小，飽和度小等特點(diǎn)，黃土分布范圍廣。由于其濕陷性強(qiáng)烈，容易遭受水流沖刷造成水土流失和雨水下滲，易在降雨入滲、污水排放、地下水變化等作用下破壞建筑物[2]。因此，研究濕陷性黃土的持水性能、飽和含水率對(duì)于防止水土流失和工程建設(shè)非常重要。

目前關(guān)于高分子化合物對(duì)土壤持水能力的影響研究較多，單志杰[3]研究發(fā)現(xiàn)EN-1固化劑可以降低土壤持水能力，劉月梅等[4]研究了EN-1離子固化劑對(duì)黃土持水、供水等水分特征的影響，結(jié)果表明：固化劑降低了土壤的持水能力。王銀濤等研究表明：隨著HEC摻量的增加，黃土持水性降低，比水容量逐漸減小；HEC對(duì)黃土強(qiáng)度有一定的增強(qiáng)作用。周采景等[5]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)物質(zhì)的類型和含量對(duì)土壤持水能力有影響，一般水中含有一定量的有機(jī)物質(zhì)可以提高土壤持水能力。林輝等[6]研究了斥水劑作用下土壤物理性質(zhì)變化規(guī)律試驗(yàn)研究。吳珺華等[7]研究了斥水劑對(duì)非飽和土壤抗剪強(qiáng)度的影響。楊邦杰等[8]研究了斥水性土壤及其引起的土壤退化問題。商艷玲等[9]研究了再生水灌溉斥水土壤斥水性變化規(guī)律。目前關(guān)于斥水性土壤的研究主要集中在土壤學(xué)[10]與農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域[11]和水利工程等領(lǐng)域。但是土壤親水性是引起邊坡失穩(wěn)[12]、地表變形[13]、滲透破壞等[14，15]現(xiàn)象的主要原因之一。因此，有必要研究斥水劑對(duì)濕陷性黃土持水、供水特征的影響規(guī)律，對(duì)于防止水土流失和生態(tài)保護(hù)是十分有必要的。

本研究采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)，以新疆伊犁昭蘇縣特克斯河的風(fēng)積黃土為研究對(duì)象，通過在黃土中添加斥水劑，研究斥水劑含量、土壤含水率對(duì)濕陷性黃土持水性能、比水容重和累積蒸發(fā)量的影響規(guī)律，可為斥水劑應(yīng)用于濕陷性黃土生態(tài)防護(hù)和水土保持提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤為新疆伊犁昭蘇縣特克斯河的Ⅳ級(jí)階地的風(fēng)積黃土，具有“密度小，含水小，飽和度?。稽S土分布厚度大(黃土厚度大于30 m)，孔隙比大”等特點(diǎn)，土樣呈土黃色，土質(zhì)從上到下質(zhì)地均勻。取深度為0～2.5 m內(nèi)的原狀土，將試樣混合均勻后測(cè)試其基本物理性質(zhì)。試驗(yàn)土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1所示，試驗(yàn)所用斥水劑為二甲基二氯硅烷[(CH3)2SiCL]。

表1 黃土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

室內(nèi)土壤物理試驗(yàn)溫度控制在21℃左右，蒸發(fā)試驗(yàn)控制溫度為28℃～32℃，供試土壤經(jīng)風(fēng)干后過2 mm篩網(wǎng)備用。設(shè)置5個(gè)不同斥水劑處理、4個(gè)不同土壤含水率處理和1個(gè)對(duì)照處理，即將斥水劑(g)與濕陷性黃土(g)分別按0、1%、1.5%、2%、2.5%、3%的不同質(zhì)量比混合(以干土質(zhì)量計(jì)算)，標(biāo)記為CK(對(duì)照組)、K1、K1.5、K2、K2.5、K3；土壤含水率(體積含水率)設(shè)置為7.8%、10.0%、15.0%、20.0%、25.0%，分別記作θ(對(duì)照含水率)、θ10、θ15、θ20、θ25。

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)分組試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，測(cè)定斥水劑對(duì)不同含水率濕陷性黃土持水性能的影響規(guī)律，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。

1) 土壤持水性能的測(cè)定

將加入斥水劑的黃土按設(shè)計(jì)含水率分層裝入有機(jī)玻璃管(高為14 cm，內(nèi)徑為10.5 cm)中，裝土高度為10 cm，玻璃管上端用塑料薄膜密封，在室溫條件下養(yǎng)護(hù)10 d后，使用離心法測(cè)定土壤水吸力。

離心法所使用的離心機(jī)為日產(chǎn)CR21G型高速冷凍離心機(jī)，溫度為20℃，其轉(zhuǎn)速和離心時(shí)間見表2所示，離心速度由低到高，每次離心后稱重(離心盒+含重)，結(jié)束后烘干土樣并稱重，通過計(jì)算不同土壤水吸力下的含水量擬合土壤水分特征曲線。

表2 不同水吸力下離心機(jī)轉(zhuǎn)速和時(shí)間

2) 土壤飽和導(dǎo)水率的測(cè)量

將不同處理黃土分層裝入有機(jī)玻璃管(玻璃管高×內(nèi)徑：25 cm×10.5 cm，壁厚0.5 cm)中，裝土高度為5 cm，玻璃管底部用紗布(200目)封閉，利用塑料薄膜密封有機(jī)玻璃管上端，室溫養(yǎng)護(hù)10 d，采用定水頭法測(cè)定黃土飽和導(dǎo)水率[5]。

3) 對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響

將不同處理黃土分層裝入有機(jī)玻璃管(同上)中，裝土高度為20 cm，室溫養(yǎng)護(hù)10 d，將玻璃管下端浸入水中，充分吸水48 h后，排除重力水后將試樣放入人工氣候室中，每天稱量試樣重量，通過試樣重量變化計(jì)算黃土的累積蒸發(fā)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖，應(yīng)用SPSS軟件進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 斥水劑對(duì)土壤水分特征曲線的影響

通常利用土壤水分特征曲線表征土壤水吸力和土壤含水量之間的關(guān)系，土壤持水能力通過曲線高低表示(即a值大小)[16-17]。黃土中添加斥水劑養(yǎng)護(hù)10 d后，用環(huán)刀取樣并利用自然蒸發(fā)法測(cè)定土壤水分特征曲線，然后利用Gardner模型進(jìn)行擬合(經(jīng)驗(yàn)方程θ=aS-b)，擬合方程和參數(shù)如表3所示。研究表明[5]a值可以反映土壤持水能力的強(qiáng)弱，b值反映土壤水勢(shì)降低的快慢。

從表3可以看出，不同含水率條件下，土壤水吸力和含水率之間均符合Gardner模型關(guān)系，與黃土中是否添加斥水劑無(wú)關(guān)，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

表3 土壤水分特征曲線擬合參數(shù)

不同含水率條件下，各處理a值總體小于對(duì)照組(CK)a值。當(dāng)土壤含水率為10%時(shí)，a值隨著斥水劑含量的增加而逐漸減小，但是，當(dāng)斥水劑含量為3%時(shí)，a值增大；當(dāng)土壤含水率為15%、20%和25%條件下，斥水劑含量在1%～2.5%范圍內(nèi)時(shí)，a值隨著斥水劑含量的增大逐漸減小，當(dāng)斥水劑含量大于2.5%時(shí)，a值會(huì)逐漸增大。添加斥水劑能夠降低黃土的持水能力，但隨著斥水劑含量的增加先減小后增大。當(dāng)斥水劑含量為1%～2.5%時(shí)，由于斥水劑的斥水作用引起土壤吸水能力下降，同時(shí)土壤孔隙水、毛管水含量降低，從而導(dǎo)致黃土持水能力下降；當(dāng)斥水劑含量超過2.5%后，土壤中膜狀水開始流失，土壤過于干燥最終土壤持水能力逐漸增強(qiáng)。

土壤含水率與水吸力之間均符合Gardner模型關(guān)系，當(dāng)土壤水吸力較低時(shí)，各處理土壤水分特征曲線比較陡直，表明土壤水分下降速率較快，但是，當(dāng)土壤水吸力逐漸增大曲線變化逐漸趨于平緩，隨土壤水吸力增大土壤含水量逐漸降低。

從a值變化情況可以看出(見表3)，土壤中添加斥水劑后，曲線斜率絕對(duì)值總體比對(duì)照組小(土壤流失水分的能力對(duì)照組低)。說明在黃土中添加一定量的斥水劑后，會(huì)對(duì)濕陷性黃土的持水能力造成一定的影響。通過對(duì)土壤水分特征曲線分析可知，在土壤含水率相同條件下，土壤持水能力隨著斥水劑含量的增加先減小后增加，即a值先減小后增大，當(dāng)添加1%～2.5%的斥水劑時(shí)，土壤持水能力隨斥水劑含量增加逐漸降低，當(dāng)斥水劑含量大于2.5%時(shí)，土壤持水能力逐漸增大。當(dāng)土壤水吸力相同時(shí)，土壤含水率越大土壤水分飽和度越大，水分特征曲線變化越平緩，說明隨土壤含水率的增大土壤水分特征曲線變化越平緩。

2.2 斥水劑對(duì)土壤比水容重的影響

土壤水分特征曲線只能反映土壤持水能力，可以通過土壤比水容量C(θ)(表達(dá)式為：來(lái)表示土壤水分有效性，比水容量表示土壤可釋放或儲(chǔ)存水量能力的強(qiáng)弱，是指單位基質(zhì)勢(shì)變化所引起的土壤含水率的變化，其值為土壤水分特征曲線斜率，可以通過水分特征曲線方程計(jì)算。土壤供水能力一般由a×b值和(b+1)值綜合決定，土壤失水速度有b+1表示。a×b值越大土壤耐旱性能越強(qiáng)；(b+1)值越大土壤失水越快(比水容量變化越大)[5]。

從表3中可以看出，當(dāng)黃土中添加斥水劑后各處理的供水能力(a×b)均小于對(duì)照組，但是當(dāng)斥水劑含量為2.5%時(shí)，相比對(duì)照組其他處理間差異顯著性不明顯；在不同含水率條件下，土壤供水能力隨斥水劑含量增加現(xiàn)減小后增大，但土壤失水速度變化與對(duì)照組差異不大。說明黃土中添加1%～2.5%的斥水劑后降低了土壤的供水能力。

圖1為斥水劑含量對(duì)黃土比水容重的影響。圖1(a)為土壤含水率為15%時(shí)，斥水劑含量對(duì)比水容重的影響，從圖1(a)中可以看出，添加斥水劑后，各處理土壤比水容重大于對(duì)照組，當(dāng)土壤水吸力小于4 MPa時(shí)，各處理間差異明顯，隨著土壤吸力的增大，各處理間的差異逐漸變??；當(dāng)土壤水吸力相同時(shí)，比水容重隨斥水劑含量的增加先增大后減小。當(dāng)斥水劑含量為2.5%時(shí)，比水容重整體高于其他處理。在不同含水率條件下，斥水劑含量對(duì)黃土比水容重的影響變化規(guī)律相同，都隨斥水劑含量的增加先增大后減小，當(dāng)斥水劑含量為2.5%時(shí)對(duì)土壤比水容重影響最大。

圖1(b)為斥水劑含量為1.5%時(shí)，土壤含水率對(duì)比水容重的影響為例進(jìn)行分析。圖1(b)和圖1(a)的變化趨勢(shì)基本相同，當(dāng)土壤水吸力相同時(shí)，比水容重隨土壤含水率的升高先增大后減小。當(dāng)土壤含水率為20%時(shí)，比水容重達(dá)到最大。黃土中添加斥水劑降低了土壤的供水能力，土壤供水能力隨斥水劑含量、含水率的增加先增大后減小，當(dāng)斥水劑含量為2.5%、土壤含水率為20%時(shí)，對(duì)黃土供水能力的影響最大(其供水能力最強(qiáng))。

(a)斥水劑含量對(duì)比水容重的影響

2.3 斥水劑對(duì)黃土飽和導(dǎo)水率的影響

通過土壤飽和導(dǎo)水率可以反映土壤入滲性能、土壤透氣性和溶質(zhì)遷移性能。土壤飽和導(dǎo)水率主要受土壤顆粒組成、有機(jī)質(zhì)含量等的影響。研究斥水劑對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響對(duì)濕陷性黃土地區(qū)的生態(tài)環(huán)境防護(hù)具有重要意義。土壤飽和導(dǎo)水率利用定水頭法測(cè)定(養(yǎng)護(hù)10 d)。斥水劑含量對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響見圖2所示。

從圖2可以看出，不同處理?xiàng)l件下，土壤飽和導(dǎo)水率在0.21～0.52 mm/min范圍內(nèi)。當(dāng)土壤含水率相同時(shí)，土壤飽和含水率隨斥水劑含量增加表現(xiàn)為減小先后增大的變化趨勢(shì)。斥水劑含量小于2.5%時(shí)，飽和導(dǎo)水率隨斥水劑含量的增加逐漸減小，斥水劑含量為2.5%時(shí)，土壤飽和導(dǎo)水率達(dá)到最小，當(dāng)斥水劑含量對(duì)2.5%后飽和導(dǎo)水率會(huì)逐漸增大；各處理?xiàng)l件下，其飽和導(dǎo)水率均低于對(duì)照組(CK)，且差異顯著(P<0.05)。有前面分析可知，隨斥水劑含量增加土壤持水能力先減小后增大，當(dāng)土壤水持水能力下降時(shí)其飽和導(dǎo)水率下降。飽和導(dǎo)水率土壤水持水能力的增加而增加。隨當(dāng)斥水劑含量相同時(shí)，土壤含水率對(duì)飽和含水率的影響也表現(xiàn)為隨含水率增大先減小后增大的變化趨勢(shì)，當(dāng)含水率為20%時(shí)，土壤飽和導(dǎo)水率最小。土壤飽和導(dǎo)水率隨著斥水劑含量、含水率的增加先增加后降低，當(dāng)斥水劑含量為2.5%、含水率為20%時(shí)土壤飽和導(dǎo)水率最小。

圖2 斥水劑對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

2.4 斥水劑對(duì)土壤水分累積蒸發(fā)量的影響

圖3為添加斥水劑后對(duì)土壤水分累積蒸發(fā)量的影響。通過計(jì)算不同時(shí)段黃土的蒸發(fā)量，可以得到不同時(shí)段黃土水分累積蒸發(fā)量。從圖中可以看出，在不同含水率條件下，添加斥水劑土壤累積蒸發(fā)量隨時(shí)間變化規(guī)律和對(duì)照組相同，斥水劑并不會(huì)改變黃土的蒸發(fā)規(guī)律，但是各處理土壤累積蒸發(fā)量均高于對(duì)照組，添加斥水劑會(huì)加快黃土水分蒸發(fā)。不同處理?xiàng)l件下，在前20 h內(nèi)黃土蒸發(fā)速度較快，蒸發(fā)時(shí)間大于20 h后，黃土蒸發(fā)速度逐漸變小。不同斥水劑含量處理下，各處理間黃土累積蒸發(fā)量差異不顯著；當(dāng)斥水劑含量為2.5%時(shí)，黃土累積蒸發(fā)量最大。斥水劑含量相同時(shí)，黃土累積蒸發(fā)量隨含水率的增加先增大后減小，黃土含水率為25%時(shí)累積蒸發(fā)量最大，不同含水率處理間土壤累積蒸發(fā)量變化規(guī)律不顯著。

(a)7.8%含水率

3 結(jié)語(yǔ)

1) 不同含水率條件下，土壤水吸力和含水率之間均符合Gardner模型關(guān)系，和黃土中斥水劑含量無(wú)關(guān)，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。斥水劑能夠降低黃土的持水能力，但隨著斥水劑含量的增加先減小后增大，隨土壤含水率的增大土壤水分特征曲線變化越平緩。

2) 黃土中添加斥水劑降低了土壤的供水能力，土壤供水能力隨斥水劑含量、含水率增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)斥水劑含量為2.5%、土壤含水率為20%時(shí)，對(duì)黃土供水能力的影響最大。

3) 黃土中添加斥水劑后，土壤飽和導(dǎo)水率隨著斥水劑含量、含水率的增加先增加后降低，當(dāng)斥水劑含量為2.5%、含水率為20%時(shí)土壤飽和導(dǎo)水率最?。狐S土水分累積蒸發(fā)量也表現(xiàn)出相同變化規(guī)律，添加斥水劑會(huì)加快黃水水分蒸發(fā)。