間歇降雨條件下聚苯乙烯微球?qū)S綿土入滲特性影響研究

陳 亮，滕 健，司朋舉，顏書法

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098；3.西藏農(nóng)牧學(xué)院 水利土木學(xué)院，西藏自治區(qū) 林芝市 860000)

微塑料(Microplastics)這一概念于2004年首次提出，指顆粒粒徑小于5 mm的塑料顆粒[1]。微塑料在自然環(huán)境中按來源分為初生微塑料和次生微塑料，按化學(xué)成分分為聚乙烯(Polyethylene, PE)、聚氯乙烯(Polyvinyl chloride, PVC)、聚丙烯(Polypropylene, PP)、聚苯乙烯(Polystyrene, PS)和聚酰胺(Polyamide, PA)等[1]。初生微塑料指生產(chǎn)中被制成的微米級顆粒，常用于工業(yè)制造、護(hù)理產(chǎn)品[2-4]；次生微塑料一般由塑料垃圾降解產(chǎn)生[5-6]。目前研究表明土壤等地下環(huán)境是微塑料的重要儲存庫[5]。相關(guān)研究指出陸地中微塑料豐度可能是海洋中的4～23倍[7]。大量的微塑料存在于土壤中，將會(huì)對土壤的理化性質(zhì)、持水能力等產(chǎn)生影響。

De Souza Machado等[8]研究發(fā)現(xiàn)常見微塑料顯著降低了砂土的土壤容重，改變土壤結(jié)構(gòu)和水分動(dòng)態(tài)，并且聚酯纖維對土壤理化性質(zhì)的影響最為明顯，隨著聚酯纖維含量的增加，土壤持水量也相應(yīng)增加；Jiang等[9]研究發(fā)現(xiàn)碎片狀微塑料會(huì)影響土壤水流流動(dòng)模式，使得土體水流流動(dòng)特征復(fù)雜度增加，土的物理參數(shù)也出現(xiàn)較大的隨機(jī)變化；Zhang等[10]研究表明，微塑料對土壤孔隙度有直接影響，如聚酯微纖維顯著降低了土壤孔隙度<30 μm的孔隙體積，而增加>30 μm的孔隙體積，由于持水能力與小孔隙體積呈正相關(guān)，因此，超細(xì)聚酯纖維的進(jìn)入降低了土壤的持水能力；De Souza Machado A A等[11]在對來自北京的壤質(zhì)砂土中添加不同種類的微塑料,均明顯增加了土壤的蒸發(fā)量，植物與微塑料相互作用下，蒸發(fā)量提高更加明顯；Horton等[12]研究發(fā)現(xiàn)微塑料有較強(qiáng)的疏水性，可以改變土壤的理化性質(zhì)。

目前有關(guān)微塑料對土壤理化性質(zhì)、持水能力和入滲等方面研究較少。黃土高原是我國水土流失最嚴(yán)重的地區(qū), 該地區(qū)的主要土壤為黃綿土，其質(zhì)地較輕，疏松軟綿，保水和保肥能力差[13]。同時(shí)作為農(nóng)耕地區(qū)，每年有大量的微塑料經(jīng)由生產(chǎn)進(jìn)入土壤。目前現(xiàn)有研究多集中在連續(xù)均勻降雨條件下的水分入滲，而現(xiàn)實(shí)中降雨及灌溉多為間歇性的。因此本研究采用室內(nèi)土柱模擬降雨入滲試驗(yàn)，分析間歇降雨條件下，不同聚苯乙烯塑料微球含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、降雨間歇時(shí)間比對黃綿土非飽和入滲影響。

1 試驗(yàn)裝置及方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主體為厚度5 mm透明有機(jī)玻璃制成的一維垂直土柱，一維土柱試驗(yàn)儀器高29.5 cm，外徑15 cm，內(nèi)徑14 cm，在土柱末端設(shè)置排水口。土柱側(cè)邊貼有防水刻度，0刻度為土柱內(nèi)底面，土柱內(nèi)填土至25 cm刻度處。降雨入滲試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 降雨入滲試驗(yàn)裝置示意圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of rainfall infiltration test device

降雨裝置位于一維土柱的上方，由降雨器與蠕動(dòng)泵構(gòu)成，通過控制蠕動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)雨強(qiáng)調(diào)節(jié)與降雨間歇控制。水由蠕動(dòng)泵泵入降雨器，來實(shí)現(xiàn)均勻降雨，二者聯(lián)合組成降雨裝置。土柱上部留有積水留存空間，積水高度可以通過土柱側(cè)邊刻度尺量得。試驗(yàn)過程中通過馬氏瓶控制積水高度上限為30 mm，用來模擬降雨后期地表徑流，積水高度不變，使得降雨過程模擬更加接近真實(shí)情況。

1.2 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)采用來自陜西北部黃綿土，試驗(yàn)土樣采用靜水沉降法進(jìn)行顆粒分析，根據(jù)國際土壤粒級分級標(biāo)準(zhǔn)與國際制土壤質(zhì)地分類，試驗(yàn)土壤基本性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)土樣質(zhì)地與顆粒組成Tab.1 The texture and particle composition of the experimental soil samples

將土樣烘干碾散，過5 mm篩，去除其中枯枝、根莖等侵入物。試驗(yàn)前對土樣采用密度分離法除雜，以去除土樣中可能存在的微塑料。試驗(yàn)土樣實(shí)物如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)土樣實(shí)物圖Fig.2 Physical map of test soil sample

土柱采用控制干密度的方法填筑，將微塑料與土充分拌勻后，分層填入土柱，填筑后干密度為1.57 g/cm3。

1.3 試驗(yàn)微塑料

微塑料的形狀和成分有多種，考慮到試驗(yàn)條件和時(shí)間，采用聚苯乙烯微球作為試驗(yàn)微塑料。試驗(yàn)微塑料采用科邁新材料有限公司生產(chǎn)的聚苯乙烯(PS)微球，微球的粒徑偏差<10%。試驗(yàn)用聚苯乙烯塑料微球?qū)嵨锶鐖D3所示。

圖3 聚苯乙烯塑料微球?qū)嵨飯DFig.3 Physical map of polystyrene plastic microspheres

聚苯乙烯微球具體規(guī)格信息見表2。

表2 聚苯乙烯微球產(chǎn)品規(guī)格Tab.2 Polystyrene microspheres product specifications

1.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了研究降雨間歇時(shí)間比、聚苯乙烯微塑料含量對黃綿土降雨入滲過程的影響，共設(shè)計(jì)7組試驗(yàn)，試驗(yàn)中通過控制降雨強(qiáng)度來模擬間歇降雨過程中的降雨啟動(dòng)與停歇。

短歷時(shí)、高強(qiáng)度的暴雨是黃土地區(qū)的主要降雨特征[14]。設(shè)置3組為不同降雨間歇時(shí)間比1∶1、2∶1、1∶2來模擬不同降雨雨情及農(nóng)田灌溉條件。1∶1間歇降雨中降雨期30 min，停歇期30 min，循環(huán)繼續(xù)。2∶1間歇降雨中降雨期60 min，停歇期30 min，循環(huán)繼續(xù)。1∶2間歇降雨中降雨期30 min，停歇期60 min，循環(huán)繼續(xù)。

目前已有研究表明，不同利用方式下的土地微塑料含量差異大，最高豐度可達(dá)90 000 n/kg[15]?？紤]當(dāng)前微塑料污染沒有有效的手段處理，并且塑料污染不斷進(jìn)入環(huán)境中，勢必導(dǎo)致微塑料污染累加。按照設(shè)置5組不同聚苯乙烯微球含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))來模擬土壤受到不同程度微塑料污染情況，具體試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案Tab.3 Test plan

2 間歇降雨條件下含有微塑料黃綿土入滲試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)過程中每隔5 min讀取一次濕潤鋒在試驗(yàn)裝置側(cè)壁刻度尺上的讀數(shù)，記錄得到土體入滲濕潤鋒深度隨時(shí)間的變化，濕潤鋒深度對時(shí)間求平均導(dǎo)數(shù)分析得到濕潤鋒速度等水分運(yùn)移特征數(shù)據(jù)，來分析間歇降雨條件下含有微塑料黃綿土入滲特征。

2.1 聚苯乙烯塑料微球含量對間歇降雨條件下黃綿土水分運(yùn)移的影響

2.1.1 聚苯乙烯微球含量對黃綿土濕潤鋒速度影響

圖4為間歇降雨條件下不同聚苯乙烯微球含量土柱入滲濕潤鋒速度隨時(shí)間變化散點(diǎn)圖，在試驗(yàn)進(jìn)行400 min后，各組試驗(yàn)的濕潤鋒速度均達(dá)到一穩(wěn)定值，因此圖像僅繪制前400 min來分析。根據(jù)圖可以分析可知，當(dāng)降雨強(qiáng)度、降雨與間歇時(shí)間比相同下，不同聚苯乙烯微球含量對土柱入滲影響特征：

圖4 間歇降雨條件下不同聚苯乙烯微球含量土柱入滲濕潤鋒速度隨時(shí)間變化散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter plots of time-dependent changes in wet front velocity of soil column infiltration with different polystyrene microsphere contents under intermittent rainfall

(1)在降雨間歇時(shí)間比1∶1循環(huán)下，5種聚苯乙烯微球含量的土體濕潤鋒速度隨著間歇降雨循環(huán)而逐步衰減。

(2)在降雨間歇再降雨循環(huán)中，土體水分經(jīng)歷一個(gè)再分布的過程，而這個(gè)過程需要一定的時(shí)間，也就是說對降雨響應(yīng)存在時(shí)間上的滯后，濕潤鋒運(yùn)動(dòng)存在滯后效應(yīng)，因此定義降雨啟動(dòng)時(shí)刻到濕潤鋒速度開始上升時(shí)刻為降雨響應(yīng)滯后時(shí)間。在降雨與間歇時(shí)間比1∶1循環(huán)下，5種聚苯乙烯微球含量的土體對降雨響應(yīng)有顯著不同。取前5個(gè)降雨間歇循環(huán)進(jìn)行分析得到表4，其中微塑料含量為0.50%試驗(yàn)組在三個(gè)降雨間歇循環(huán)后濕潤鋒速度衰減為一穩(wěn)定值，后期沒有表現(xiàn)出對降雨啟動(dòng)的響應(yīng)，因此僅取其前三個(gè)降雨間歇循環(huán)。

表4 不同聚苯乙烯微球含量土體降雨響應(yīng)平均滯后時(shí)間Tab.4 Average lag time of rainfall response of soil with different content of polystyrene microspheres

當(dāng)聚苯乙烯微球含量為0.10%時(shí)，由于塑料微球?qū)λ诌w移速度起到增大作用，使得水分再分布過程用時(shí)減小，減小了降雨響應(yīng)的滯后時(shí)間；對于聚苯乙烯微球含量為0.25%和0.50%的土體，其阻滯作用降低了水分遷移速度，從而使得再分布過程時(shí)間增加；而0.05%含量的土體對降雨響應(yīng)的滯后時(shí)間與0.00%相差不大。

表5 不同微塑料含量土體表面積水時(shí)間Tab.5 The time that water accumulating on the surface of the soil with different microplastic contents

表 5為降雨間歇時(shí)間比1∶1條件下不同聚苯乙烯微球含量土體表面積水時(shí)間，可以分析得出：

(1)隨著土體中聚苯乙烯微球含量的增加，積水發(fā)生時(shí)間呈現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象。聚苯乙烯微球含量0.10%可以顯著促進(jìn)降雨入滲，延長積水發(fā)生時(shí)間，這是因?yàn)榫郾揭蚁┪⑶蛴兄己玫氖杷?，而低含量聚苯乙烯微球?qū)ν寥揽紫队绊戄^小，此時(shí)塑料微球疏水作用占據(jù)主導(dǎo)作用。導(dǎo)致積水時(shí)間較含量0.00%的積水時(shí)間滯后55.97%。

(2)聚苯乙烯微球含量為0.05%的土體積水出現(xiàn)時(shí)間與無聚苯乙烯微球的土體相差不大；聚苯乙烯微球含量為0.25%、0.50%時(shí)，出現(xiàn)明顯抑制降雨入滲，積水發(fā)生時(shí)間相對0.00%含量的土柱分別提前了39.55%、41.79%，這是由于土體較多孔隙被聚苯乙烯微球所占據(jù)，阻滯了水分入滲，此時(shí)塑料微球的疏水作用影響相對較小。

(3)聚苯乙烯塑料微球自身具有良好的疏水性，可以促進(jìn)水分的運(yùn)移。塑料微球摻入土壤后，由于粒徑微小，會(huì)占據(jù)土壤孔隙，阻滯水分的運(yùn)移。疏水性與對土壤孔隙結(jié)構(gòu)影響呈現(xiàn)競爭關(guān)系，含量不同，聚苯乙烯塑料微球?qū)ν寥浪诌\(yùn)移影響整體表現(xiàn)不同。

2.1.2 聚苯乙烯微球含量對濕潤鋒深度的影響

圖5為間歇降雨條件下不同聚苯乙烯微球含量土體累計(jì)入滲深度隨時(shí)間變化曲線，根據(jù)圖分析可得出以下影響特征：

(1)微塑料含量為0.00%、0.05%和0.10%時(shí)，濕潤鋒整體呈現(xiàn)兩階段變化。第一階段是持續(xù)降雨第一周期(即試驗(yàn)前30 min)，濕潤鋒深度散點(diǎn)圖表現(xiàn)為一條傾斜的直線，這個(gè)階段，土體含水率較低，土體的基質(zhì)吸力較大，雨水到達(dá)土體表面后被迅速吸收，不斷地傳至土體內(nèi)部。第二階段從降雨間歇第一個(gè)周期開始直到試驗(yàn)結(jié)束，濕潤鋒深度曲線表現(xiàn)為一條波動(dòng)上升的曲線，體現(xiàn)了濕潤鋒對降雨條件變化的響應(yīng)。降雨持續(xù)時(shí)，濕潤鋒上升較快，降雨間歇時(shí)，濕潤鋒上升較緩，而降雨歷時(shí)超過240 min以后表現(xiàn)為一條微微上凸的曲線，此時(shí)降雨條件的變化對濕潤鋒深度的影響較小。微塑料含量為0.25%和0.50%時(shí)，濕潤鋒時(shí)程曲線呈現(xiàn)為三階段變化，前兩階段如上所述，第三階段，從土柱表面土體達(dá)到飽和狀態(tài)到之后，水分以均勻速度向土柱內(nèi)部入滲。

圖5 間歇降雨條件下不同聚苯乙烯微球含量土體濕潤鋒深度隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Variation curve of wetting front depth of soil with different polystyrene microsphere content under intermittent rainfall

(2)在間歇降雨條件下，含有不同微塑料含量黃綿土的濕潤鋒深度時(shí)程曲線在前期5條曲線差異不大。在3個(gè)降雨間歇循環(huán)以后，歷時(shí)相同的其入滲深度不同。0.00%、0.05%和0.10%微塑料含量入滲深度明顯大于0.25%和0.50%，并且0.10%含量入滲深度最大，其次是微塑料含量為0.05%的土體，入滲深度均大于微塑料含量為0.00%的土體。在經(jīng)歷相同降雨間歇循環(huán)下，微塑料含量0.10%顯著促進(jìn)雨水入滲，降低了土體的持水能力，增大了其入滲深度，0.05%含量對土體入滲深度影響較小，但是也起到促進(jìn)作用；0.25%與0.50%含量減小了入滲深度，阻滯了黃綿土的雨水入滲，增強(qiáng)了土體的持水能力。

2.2 不同降雨間歇時(shí)間比對黃綿土水分運(yùn)移的影響

2.2.1 不同降雨間歇比對黃綿土濕潤鋒速度的影響

圖6為不同降雨間歇時(shí)間比下土柱濕潤鋒速度隨時(shí)間變化散點(diǎn)圖，根據(jù)圖可以分析得出以下不同降雨間歇時(shí)間比對土柱入滲影響特征：

圖6 不同降雨間歇時(shí)間比下土柱濕潤鋒速度隨時(shí)間變化散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter plot of soil column wetting front velocity with time under different ratios of rainfall and intermittent time

(1)濕潤鋒速度隨著間歇降雨過程逐步衰減，在試驗(yàn)前400 min濕潤鋒速度繪制濕潤鋒速度隨時(shí)間變化圖中，選取濕潤鋒速度峰值進(jìn)行不同降雨間歇條件下的衰減擬合。擬合結(jié)果表明間歇降雨條件下濕潤鋒速度衰減符合logistic模型，降雨間歇時(shí)間比1∶1、1∶2、2∶1試驗(yàn)曲線擬合優(yōu)度R2分別為0.995 31、0.995 20、0.998 61。

(2)在降雨與間歇時(shí)間比2∶1的條件下，其對降雨響應(yīng)特征不明顯。根據(jù)表6此組試驗(yàn)在51 min時(shí)產(chǎn)生積水，并且在后續(xù)循環(huán)中積水一直存在，相對于1∶1間歇降雨循環(huán)試驗(yàn)組，其積水時(shí)間提前37.03%。這是由于在第一個(gè)降雨循環(huán)過程中表層土體飽和，濕潤鋒速度在第一個(gè)降雨間歇期間就已經(jīng)大幅衰減，同時(shí)土體內(nèi)水分遷移速度也減弱，使得土體對降雨入滲沒有明顯響應(yīng)。

表6 不同間歇降雨條件下土體積水時(shí)間Tab.6 The time that water accumulating on the surface of the soil under different intermittent rainfall conditions

(3)在降雨間歇時(shí)間比1∶2循環(huán)條件下，土體濕潤鋒速度在第一個(gè)降雨停歇期大幅衰減，甚至出現(xiàn)停止入滲的現(xiàn)象。相對于降雨間歇時(shí)間比1∶1條件下，其在第二個(gè)循環(huán)降雨后的濕潤鋒速度峰值遠(yuǎn)小于降雨間歇時(shí)間比1∶1試驗(yàn)組。這是因?yàn)榇私M在降雨時(shí)間、降水量相同的情況下，降雨間歇時(shí)間比1∶2試驗(yàn)組經(jīng)歷更長的土體內(nèi)水分再分布時(shí)間，使得水分遷移深度增加，而土體入滲率對降雨的響應(yīng)與水分遷移用時(shí)相關(guān)，水分遷移深度的增加使得水分遷移用時(shí)增加，因此在第二個(gè)降雨期間濕潤鋒速度上升恢復(fù)慢。并且在隨后的降雨循環(huán)過程中土體一直表現(xiàn)出明顯的降雨響應(yīng)。

2.2.2 不同降雨間歇比對累計(jì)入滲深度的影響

圖7為不同降雨間歇時(shí)間比條件下土體濕潤鋒深度隨時(shí)間變化曲線，根據(jù)圖7可知：

(1)整個(gè)濕潤鋒深度曲線呈現(xiàn)出三階段變化，第一階段濕潤鋒深度隨時(shí)間增加較為迅速，這段時(shí)間土柱表面未出現(xiàn)積水，土體的含水率較低，基質(zhì)吸力較大。其中降雨間歇時(shí)間比為1∶1和1∶2的試驗(yàn)曲線第二階段呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢，表現(xiàn)出濕潤鋒對降雨條件變化的響應(yīng)，而降雨間歇時(shí)間比為2∶1的試驗(yàn)組曲線波動(dòng)不明顯。第三階段濕潤鋒深度增加速率逐漸變得平緩，濕潤鋒深度隨時(shí)間呈現(xiàn)勻速變化。

圖7 不同降雨間歇時(shí)間比條件下土體累計(jì)入滲深度隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Variation curve of cumulative soil infiltration depth with time under different ratios of rainfall and intermittent time

(2)降雨間歇時(shí)間比2∶1循環(huán)下，土體的累計(jì)入滲深度隨時(shí)間變化曲線沒有出現(xiàn)對降雨的響應(yīng)，在330 min前高于降雨間歇時(shí)間比1∶1試驗(yàn)曲線，在330 min處交叉，而后低于降雨間歇時(shí)間比1∶1試驗(yàn)曲線。這表明在循環(huán)歷時(shí)較短時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)由于降雨間歇時(shí)間比2∶1條件下土體獲得水量更多，使得土體有更大的累計(jì)入滲深度。而后隨著土體逐漸飽和度增加，濕潤鋒速度逐漸衰減，長歷時(shí)下其入滲深度小于降雨間歇時(shí)間比1∶1試驗(yàn)組。

(3)相比較于降雨間歇時(shí)間比1∶1試驗(yàn)組，降雨間歇時(shí)間1∶2循環(huán)下，曲線隨著降雨啟動(dòng)和間歇的波動(dòng)更加明顯。在相同降雨間歇循環(huán)歷時(shí)中，其獲得水量少，導(dǎo)致入滲深度小，但也經(jīng)歷了更長的停歇期，水分重分布更加徹底，因此曲線對降雨的響應(yīng)更加明顯。

3 結(jié)論

1)在降雨間歇時(shí)間比1∶1條件下，低含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%、0.10%)的聚苯乙烯微球有著促進(jìn)土體水分入滲的作用，增大土體水分遷移速度，因而土體入滲濕潤鋒速度對降雨響應(yīng)更加敏感，滯后時(shí)間減小。高含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%、0.50%)聚苯乙烯微球會(huì)抑制土體的水分入滲，并且使得土體對降雨響應(yīng)滯后時(shí)間增長。

2)在時(shí)間和水量相同的條件下，低含量的聚苯乙烯微球會(huì)增大濕潤鋒深度，高含量的聚苯乙烯微球則表現(xiàn)出減小濕潤鋒深度，也即低含量的聚苯乙烯微球會(huì)降低土體的持水能力，而高含量的聚苯乙烯微球會(huì)增強(qiáng)土體的持水能力。

3)在間歇降雨循環(huán)條件下，土體的濕潤鋒速度隨著間歇降雨循環(huán)的增加而逐步衰減，濕潤鋒速度衰減曲線符合logistic模型，并且具有較好的擬合優(yōu)度。

4)在降雨間歇時(shí)間比2∶1的條件下，其對降雨響應(yīng)特征不明顯，與降雨間歇時(shí)間比1∶1試驗(yàn)組相比，短歷時(shí)情況下其濕潤鋒深度增大，而長歷時(shí)情況下濕潤鋒深度減小。在降雨間歇時(shí)間比1∶2循環(huán)條件下，濕潤鋒速度衰減更快，由于土體內(nèi)部水分重分布更加徹底，濕潤鋒速度對降雨的響應(yīng)更加明顯。