毛細水在礦山高陡巖質邊坡生態(tài)修復綠化養(yǎng)護中的應用研究

趙金召，李予紅，孫閃閃，劉 玉，康小迪

（河北省地礦局國土資源勘查中心，石家莊050081）

0 引 言

目前，礦山高陡巖質邊坡復綠技術主要借鑒較為成熟的公路、鐵路邊坡復綠技術，如客土噴播技術、植生袋技術、三維植被網噴播技術、飄臺法、植被混凝土生態(tài)防護技術、爆破燕窩生態(tài)重建技術、藤本垂直綠化技術等。但是以上各復綠技術在實際應用中大多存在成本高、施工難度大、后期管護困難等短板，致使礦山復綠效果在工程施工完成后初期特別顯著，植被郁閉度高，但隨著時間的推移，由于礦山的生境條件惡劣，管護工作困難，最終導致植被死亡，復綠失敗。針對以上存在的問題，近年來地質行業(yè)開展了許多科研試驗，涌現出許多新思路與新技術，其中利用毛細水作為巖質邊坡綠化后期的節(jié)水灌溉是一項新思路[1]，本研究將此技術應用于礦山高陡巖質邊坡生態(tài)修復的種植槽。

由于植物根系對水的吸力大于土顆粒間毛細水所受的吸力，所以土顆?？紫堕g的毛細水能夠被礦山復綠植被的根系吸收利用[2-3]。充分利用儲水層的水進行毛細灌溉，不僅可以有效避免地表灌溉存在的地表水蒸發(fā)問題，同時由于毛細水是持續(xù)不斷的緩慢非飽和供水，其供水時間較長，從而使復綠植被的灌溉周期變長。所以利用毛細水進行灌溉是不同于漫灌、滴灌等傳統(tǒng)灌溉的新思路。

國內外眾多學者在毛細水上升機理和測試方面已經做了大量的研究工作，如肖俊夫等[4]針對間歇灌溉時土壤濕度忽高忽低提出連續(xù)適度給水理念；朱登元等[5]、朱志鐸等[6]、Karen S Henry等[7]通過室內試驗，研究了毛細水上升對公路路基穩(wěn)定性的影響；王聰等[8]對鹽漬土進行了試驗，研究了不同鹽濃度對毛細作用的影響；李先瑞等[9]、汪順生等[10]研究了毛細水上升的運動特性；童玲等[11]、魏樣等[12]采用室內土柱模擬試驗，研究了石油污染對不同土質毛細水上升高度、上升速度及毛細含水率的影響；Wettlaufer 等[13]、賈海梁等[14]、程樺等[15]研究了毛細水在凍土中的遷移機制；董斌等[16]、肖紅宇等[17]對毛細水的上升高度進行了研究。上述工作主要是針對路基病害、鹽分運移等問題開展，其研究重點是如何減緩毛細水對工程的負面影響。而本試驗通過研究礦山綠化中不同儲水介質類（下部）對土層（上部）毛細水的上升高度和上升速度的遷移變化規(guī)律的影響，以期為礦山綠化后期的節(jié)水灌溉提供理論依據。

1 試驗概況

1.1 試驗用土

試驗所用的上部土壤來自鹿泉礦山治理施工現場，主要為粉砂、粉土、粉質黏土和渣土4種類型。下部儲水層介質均為機制砂，分別為細、中、粗砂和混合砂。

1.2 試驗設備與儀器

1.2.1 試驗設備

試驗模型主要由模擬柱、導水管、供水系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)組成。模擬柱每段柱高度為600 mm，柱內徑250 mm，柱壁厚10 mm，法蘭厚10 mm，法蘭底座中心開1 孔，開孔內徑20 mm，插管壁厚5 mm，插管與法蘭底座焊接；導水管采用直徑25 mm軟管；供水系統(tǒng)由供水桶、導水桶組成，導水桶上部留有溢流孔，導水桶出水口直徑為15 mm；監(jiān)測系統(tǒng)由土壤傳感器、氣象監(jiān)控主機、攝像頭組成。如圖1所示。

圖1 模擬柱試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of simulated column experiment

高陡巖質邊坡種植槽中土層的厚度一般為1.0 m 左右，故本次試驗模擬柱中砂土層的總厚度設置為100 cm，其中底部砂層厚度20 cm，上部土層厚度80 cm。在實際的礦山綠化中綜合考慮施工成本和施工難易程度并結合綠化植被（主要以鄉(xiāng)土喬木為主，如:油松、側柏、臭椿、紫穗槐、榆樹、柳樹、爬山虎等）根系特征，確定儲水層的厚度為20 cm。由于高陡巖質邊坡綠化植被多以2年生喬木為主，喬木根系垂直分布土層深度均大于70 cm[18]，所以本次試驗結束的標準為毛細水上升到70 cm左右或是上升速度趨于穩(wěn)定。

1.2.2 試驗儀器

試驗主要儀器設備有烘箱、電子秤、土樣盒、顆分實驗篩、手動擊實儀、標尺貼、量筒、土壤傳感器、氣象監(jiān)控主機、灌砂筒等。

1.3 試驗方案

1.3.1 下部儲水層試驗

針對儲水層介質的影響因素共進行了4組試驗。在模擬柱下部分別裝填厚度為20 cm 的粗砂、中砂、細砂和混合砂4 種類型的砂作為儲水介質，試驗編號分別為SL1、SL2、SL3 和SL4。儲水介質上部裝填80 cm 厚度的粉土，為避免由于毛細水上升對下部儲水層導水效果產生不良影響，故使導水桶水面高度始終與下部砂層頂面高度保持一致，并持續(xù)供水至試驗結束。為了驗證試驗數據的準確性，每組試驗重復3 次（下同）。

1.3.2 上部土層試驗

土層的影響因素主要包括土層類型（6 組）、土層壓實度(3組)和土層初始含水率（2組）。

（1）土層類型影響因素。在模擬柱下部裝填厚度為20 cm的混合砂，砂層上部分別裝填厚度為80 cm 的粉砂、粉質黏土和粉土，試驗編號分別為TL1、TL2 和TL3，導水桶水面高度始終與下部砂層頂面高度保持一致，并持續(xù)供水至試驗結束。

在模擬柱下部裝填厚度為20 cm 的混合砂，砂層上部分別裝填厚度為80 cm的渣土，渣土體積比分別為1:1、1:2和1:4，試驗編號分別為TL4、TL5和TL6，導水桶水面高度始終高于下部砂層頂面10 cm，并持續(xù)供水至試驗結束。

（2）土層壓實度影響因素。在模擬柱下部裝填厚度為20 cm 的混合砂，上部分別裝填壓實度為67%、70%和74%的粉土，粉土厚度80 cm，試驗編號分別為TM1、TM2 和TM3。導水桶水面高度始終高于下部砂層頂面10 cm，持續(xù)供水到試驗結束。

（3）土層初始含水率影響因素。在模擬柱下部裝填厚度為20 cm 的混合砂，上部分別裝填初始含水率為4.5%～5.5%和9%～10%的粉土，粉土厚度80 cm，試驗編號分別為TS1 和TS2。導水桶水面高度始終高于下部砂層頂面10 cm，持續(xù)供水到試驗結束。

1.3.3 土工布影響因素

在模擬柱下部裝填厚度為20 cm 的混合砂，上部裝填80 cm 厚度的粉土，并設置混合砂-土工布-粉土和混合砂-粉土2組試驗，試驗編號分別為TB1和TB2。導水桶水面高度始終高于下部砂層頂面10 cm，持續(xù)供水到試驗結束。

2 試驗結果與分析

2.1 儲水層試驗結果與分析

試驗數據結果顯示，毛細水上升到68 cm 時，各試驗用水量依次為:SL3（細砂）所用水量為12.2 L，SL4（混合砂）所用水量為13.1 L，SL2（中砂）所用水量為15.2 L，SL1（粗砂）所用水量為15.8 L；毛細水上升到68 cm 時，各試驗中毛細水上升所用時長依次為:SL2（中砂）所用時長為36.9 h，SL1（粗砂）所用時長為39.7 h，SL4（混合砂）所用時長為65 h，SL3（細砂）所用時長為142.1 h。試驗結果見圖2。

圖2 SL1、SL2、SL3和SL4中毛細水上升高度與時間關系Fig.2 Relationship Between capillary height and time in SL1、SL2、SL3 and SL4

在足量供水條件下，各試驗用水量的關系依次為SL1（粗砂）＞SL2（中砂）＞SL4（混合砂）＞SL3（細砂），這是由于顆粒越粗，越均勻，土壤的孔隙比越大，所能提供的儲水空間越大。當下部儲水介質為不同的砂類型時，上部粉土中毛細水的上升速度依次為SL2（中砂）＞SL1（粗砂）＞SL4(混合砂)＞SL3（細砂），這是因為在下部砂層和上部粉土之間的接觸面存在“空隙差異界面”[19]，當毛細水濕潤峰抵達“砂層（下部）-粉土（上部）”界面時，會產生“反毛細屏障作用”[20]，由于不同砂類型和粉土之間存在基質吸力不同，二者之間空隙差異越大，基質吸力差距就越大，這就造成了粉土（上部）對儲存介質為中粗砂（下部）中水的基質吸力大于儲存介質為細砂（下部）中水的基質吸力，基質吸力越大，上部粉土中毛細水上升速度越快。

2.2 土層試驗結果與分析

2.2.1 土層類型試驗結果與分析

試驗數據顯示，TL3(粉土)中毛細水上升到68 cm所用時長為51.45 h，TL2(粉質黏土)中毛細水上升到相對穩(wěn)定高度（54 cm）所用時長為142.7 h，TL1(粉砂)中毛細水上升到相對穩(wěn)定高度（60 cm）所用時長為143.7 h。試驗結果見圖3。

圖3 TL1、TL2和TL3中毛細水上升高度與時間關系Fig.3 Relationship Between capillary height and time in TL1、TL2 and TL3

試驗數據顯示，TL4（渣土體積比1:1）中毛細水上升到65 cm 所用時長為137.5 h，TL5（渣土體積比1:2）中毛細水上升到65 cm 所用時長為91.28 h，TL6（渣土體積比1:4）中毛細水上升到65 cm所用時長為93.26 h。試驗結果見圖4。

圖4 TL4、TL5和TL6中毛細水上升高度與時間關系Fig.4 Relationship Between capillary height and time in TL4、TL5 and TL6

上部不同土層類型中毛細水的上升高度為TL3(粉土)＞TL1(粉砂)＞TL2(粉質黏土)，這是由于細粒土中土顆粒越細，孔隙越小且連通性越好，毛細水上升高度越大，但粉質黏土中隨著細粒含量的增多，土粒表面會形成具有較厚水膜的結合水，較厚的結合水膜會阻斷部分較小的孔隙，影響孔隙的連通性，從而阻斷毛細水向上運移的部分通道，所以毛細水上升高度變小[16]。毛細水前期的上升速度為TL1(粉砂)＞TL3(粉土)＞TL2(粉質黏土)，這是由于毛細水首先充滿小孔隙，在最小的空隙中彎月面變平前最大的孔隙不會充滿的規(guī)律[21,22]。只有當小孔隙充滿水后大孔隙才能充滿水，砂土顆粒粒徑大、小孔隙數少、充水時間短、毛細水上升速度快。而黏土顆粒粒徑小、小孔隙數多，土樣接觸水后響應時間長，毛細水上升速度慢。

上部不同體積比的渣土，隨著廢渣與土的比例增大，毛細水初始的上升速度開始逐漸下降，最終的上升高度基本與粉土中毛細水的上升高度一致。這是由于廢渣改變了土壤的顆粒組成及其孔隙結構，從而影響土壤中毛細水的運動，密實的廢渣對毛細水的運動有一定的阻礙作用，故毛細水的上升速度有一定的下降，但決定毛細水最終上升高度的是粉土的連續(xù)性，粉土并沒有被完全阻斷，所以上升速度有一定的下降，但最終上升高度基本不變。

2.2.2 土層壓實度試驗結果與分析

根據試驗數據，土層中毛細水上升到80 cm 時，TM2（壓實度70%）用時39.4 h，TM1（壓實度67%）用時49.2 h；TM3（壓實度74%）用時59.4 h。試驗結果見圖5。

圖5 TM1、TM2和TM3中毛細水上升高度和時間關系Fig.5 Relationship Between capillary height and time in TM1，TM2 and TM3

由圖5可以看出毛細水的上升速度并不是隨著壓實度的增大而一直增大的，而是符合一個區(qū)間范圍，只有處于最優(yōu)壓實度時，毛細水的上升速度才最快。這是由于當壓實度較小時，土粒間空隙較大，毛細水上升通道暢通無阻，毛細水上升速度隨著壓實度的增大而增大，但是當壓實度大于一定值時，隨著壓實度的增大，土粒中有些顆粒緊密接觸，雖然空隙直徑有所減小，毛細力變大，但是部分毛細水的通道被阻斷，致使毛細水上升速度有所下降。

2.2.3 土層初始含水率試驗結果與分析

根據試驗數據，毛細水上升到68 cm，TS1 所用時間為32.0 h，所用水量為25 L；TS2所用時間為59.8 h，所用水量為11 L。隨著含水率的提高，水分堵塞了毛細水上升的部分途徑，初始含水率越高，毛細水上升速度越慢。試驗結果見圖6。

圖6 TS1、TS2中毛細水上升高度和時間關系Fig.6 Relationship Between capillary rise height and time in TS1 and TS2

2.3 土工布試驗結果與分析

根據試驗數據，毛細水上升到35 cm 時，TB1 所用時長為107.2 h，TB2所用時長為178.2 h。試驗結果見圖7。

圖7 TB1、TB2中毛細水上升高度和時間關系Fig.7 Relationship Between capillary height and time in TB1 and TB2

砂土界面設置土工布可以阻礙毛細水的上升速度，這是因為土工布的介入雖然阻礙了部分毛細水運移的通道，降低了毛細水上升速度。但是并不影響植被根部對水分的吸收。

3 結 論

（1）底部儲水層中的儲水能力依次為粗砂＞中砂＞混合砂＞細砂，毛細水的上升速度為中砂＞粗砂＞混合砂＞細砂。由于粗、中、細和混合砂作為儲水層均能滿足毛細水的上升高度和上升速度，同時20 cm 厚度的粗、中、細和混合砂其儲水能力相差不大，所以礦山綠化時可以僅從成本的角度考慮儲水層介質的選擇。粗、中、細砂都需要進行專門篩選，費時費力，所以建議采用混合砂作為儲水層。大多數礦山上都存在礦渣，可以將礦渣和混合砂進行一定的配比作為儲水層，這樣即可變廢為寶。

（2）不同土類中毛細水的上升速度依次為粉砂＞粉土＞粉質黏土，不同類型的土層中毛細水上升到70 cm 左右或是趨于穩(wěn)定高度時的時長最大相差3 d 左右，這個時間差并不影響植被的正常生長，所以毛細水的上升速度對復綠植被的正常生長影響很小。毛細水的上升高度均能滿足綠化植被的需求，所以建議根據礦山的實際情況就近取材，選擇價格低廉的土作為種植土。

而不同體積的渣土配比，其上升速度和上升高度均能滿足上部植被的需求，而礦渣本身攜帶本土的微生物，將購買土與礦渣進行配比不僅可以很大程度地降低成本，還可以有效的改良土壤的理化特性。

上部土層的壓實度和初始含水率對毛細水最終的上升高度影響不大，其最終均能滿足綠化植被根部的需求，故礦山綠化時可不考慮土層壓實度和初始含水率對毛細水的影響。

（3）雖然土工布對毛細水的上升速度有一定的阻礙作用，但其阻礙作用并不影響植被的正常生長。為保證上部土層的土顆粒滲入底部的儲水層，延長儲水層的使用壽命，同時由于土工布具有一定程度的抵御根部穿刺的能力，所以建議礦山綠化中在上下兩層的接觸界面鋪設土工布。土工布應優(yōu)選耐久性強、透水性好、防根穿刺能力強的材料。