潛水礦化度對毛細(xì)水上升高度的制約特征研究

劉佩貴,李 勇,尚熳廷,潘繼隆

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

地下水礦化度是影響一個地區(qū)特別是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康的重要限制因素。地下水系統(tǒng)中的水分通過潛水蒸發(fā)進(jìn)入毛細(xì)管輸送[1],礦化度過高,地下水中無機(jī)鹽易上升到土壤與植物根系中,堵塞土壤中毛細(xì)管道,引發(fā)土壤鹽漬化與植被衰敗枯萎[2-4]。文獻(xiàn)[5-6]通過室內(nèi)試驗開展了不同礦化度潛水的粉質(zhì)黏土與砂性土毛細(xì)水上升試驗,表明不同粒徑分布條件下控制毛細(xì)水上升的主要因素不同,同時鹽離子隨著高鹽度潛水進(jìn)入包氣帶土壤,導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。毛細(xì)水上升高度計算方面,文獻(xiàn)[7]假定土體建立理想毛管模型,推導(dǎo)出土體內(nèi)毛細(xì)水上升高度預(yù)測公式;文獻(xiàn)[8-9]采用參數(shù)方程計算毛細(xì)水上升高度,研究周期性水位波動對毛細(xì)帶水分分布的影響。已有的相關(guān)研究成果提高了毛細(xì)水上升高度計算結(jié)果的精度,為深刻揭示或探究干旱地區(qū)或干旱年份毛細(xì)水上升規(guī)律以及與植物生長[10]、土面蒸發(fā)[11]、土壤鹽漬化[12]等的關(guān)系提供了有力的科學(xué)依據(jù)。但影響毛細(xì)水上升規(guī)律的因素較多,如土壤結(jié)構(gòu)[13-16]、土壤類型[17-18]、水鹽含量[19-20]、壓實度[21]、地下水埋深[22-23]、氣象因素[24]等,現(xiàn)有的研究大多集中在單一類型的土壤,且基本未考慮試驗過程中毛細(xì)水上升速率的變化。為此本文通過構(gòu)建毛細(xì)水上升物理試驗裝置,開展不同礦化度、不同土壤類型下的毛細(xì)水上升試驗,探討礦化度對不同粒徑土壤類型毛細(xì)水上升高度的影響機(jī)制,剖析試驗初期與全試驗周期毛細(xì)水上升速率變化特征,為科學(xué)確定地下水生態(tài)水位、有效治理土壤鹽漬化問題提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

為研究礦化度對砂性土與砂質(zhì)壤土的毛細(xì)水上升規(guī)律的影響,本試驗設(shè)計了一套室內(nèi)土柱模擬裝置,如圖1所示。裝置主體由亞克力管、刻度尺、盛水托盤、補(bǔ)水裝置、支架組成,亞克力管長1 500 mm,內(nèi)徑50 mm,厚度3 mm;試驗時土柱垂直插入盛水托盤中,并按設(shè)定時間記錄數(shù)據(jù)。

圖1 試驗裝置

試驗期間隨著土柱內(nèi)毛細(xì)水上升高度的增加,托盤內(nèi)的水位將會降低,為保證潛水水位埋深恒定不變,根據(jù)水量連通原理設(shè)計了一個補(bǔ)水裝置。將550 g/L補(bǔ)水瓶進(jìn)行改裝(補(bǔ)水瓶的容積大于盛水托盤水量的消耗量),瓶口開一個30°的缺口,深度在15 mm左右,裝滿水后倒扣在盛水托盤水面上,并固定在支架上,在一個大氣壓作用下瓶口與液面齊平。若盛水托盤中水位下降,則補(bǔ)水瓶中的水在重力作用下自由補(bǔ)充到盛水托盤中,等托盤中液面回到原來高度,瓶口與液面空隙被封閉,補(bǔ)水停止。

1.2 試驗方案與方法

本試驗重在探討不同土壤類型下礦化度對毛細(xì)水上升高度的影響,為了便于比對分析試驗結(jié)果,在合肥工業(yè)大學(xué)土壤實驗室進(jìn)行了土柱模擬試驗,試驗土樣分別經(jīng)取樣、烘干、篩分后,選取中砂、細(xì)砂、粉砂、砂質(zhì)壤土4種均質(zhì)試驗材料。

根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地劃分標(biāo)準(zhǔn),砂質(zhì)壤土的顆粒組成分別為砂粒70%、粉粒20%和黏粒10%。所有試驗均在自然環(huán)境下進(jìn)行,室溫25 ℃左右。

結(jié)合前期開展的多次對比試驗,得到淡水與微咸水、咸水在毛細(xì)水上升高度及規(guī)律總體上差別微小,為提高數(shù)據(jù)分析的合理性和可靠度,本次在確定礦化度時選取了鹽水和鹵水,淡水作為對照試驗。

根據(jù)文獻(xiàn)[25],采用NaCl分別配制礦化度為0.8、15.0、50.0 g/L 3個不同大小的地下水溶液,與土壤類型組合,本次共設(shè)置12組試驗對比方案,試驗方案和參數(shù)見表1所列。

表1 試驗方案及參數(shù)

采用分層裝填方案裝填試驗柱,裝填前稱量試驗柱質(zhì)量,裝填時每隔25 cm進(jìn)行一次壓實,壓實采用壓實錘按照砂性土與砂質(zhì)壤土天然密度進(jìn)行錘實,裝填深度合計100 cm,共進(jìn)行4次壓實,裝填完成后再稱質(zhì)量,驗算裝入土樣質(zhì)量后計算密度是否符合要求,若符合,則靜置12 h再啟用。

試驗開始前先將所有試驗柱固定,再將盛水托盤從底部抬升至浸沒試驗柱9 cm,隨后固定補(bǔ)水瓶,當(dāng)浸沒試驗柱內(nèi)土壤含水率達(dá)到飽和,土壤

水上升至盛水托盤液面時開始計時。前30 min內(nèi)每隔1 min讀取均勻布設(shè)在試驗柱外壁的3條刻度尺高度數(shù)據(jù);30～60 min每隔5 min記錄1組數(shù)據(jù);1～12 h每隔1 h記錄1組數(shù)據(jù);24～72 h每隔24 h記錄1組數(shù)據(jù)。取3條刻度尺數(shù)據(jù)的平均值,平均值減去浸沒深度即為該時刻毛細(xì)水上升高度。

2 結(jié)果與分析

試驗期間對土的粒度與礦物成分、水溶液化學(xué)成分及濃度、壓實度、溫度、滲透系數(shù)等影響因子進(jìn)行統(tǒng)一性控制。同時,為了排除試驗隨機(jī)因素影響,試驗過程中隨機(jī)選了中砂0.8 g/L組進(jìn)行重復(fù)試驗。試驗結(jié)果表明該組重復(fù)試驗結(jié)果良好,偏差較小,隨機(jī)影響效果不顯著,認(rèn)為本試驗數(shù)據(jù)是可靠的。

2.1 相同粒徑不同礦化度毛細(xì)水上升差異

根據(jù)試驗觀測數(shù)據(jù)得到了3個不同潛水礦化度下,中砂、細(xì)砂、粉砂、砂質(zhì)壤土的毛細(xì)水上升高度,如圖2所示。

圖2 各試驗組毛細(xì)水上升高度曲線

從圖2a可以看出，礦化度為0.8、15.0、50.0 g/L時,中砂組1 min毛細(xì)水上升高度分別為4.1、4.1、3.5 cm;最大毛細(xì)上升高度(hmax)分別為32.5、31.3、30.2 cm,礦化度為50.0 g/L時毛細(xì)水上升速率減緩,最大毛細(xì)上升高度也較礦化度為0.8 g/L時減小了2.3 cm,毛細(xì)上升高度減小幅度達(dá)7.1%。

從圖2b可以看出,細(xì)砂組1 min毛細(xì)水上升高度分別為4.0、4.7、4.7 cm;hmax分別為50.4、48.6、48.7 cm。礦化度由15.0 g/L增大至50.0 g/L,礦化度增大了3.33倍,而1 min內(nèi)的毛細(xì)水上升速率和hmax增加幅度不明顯,但與礦化度為0.8 g/L相比,hmax分別降低了1.8、1.7 cm,降低幅度為3.5%、3.4%。對比中砂組,1 min內(nèi)上升速率增加。

從圖2c可以看出,粉砂組1 min毛細(xì)水上升高度分別為1.1、1.2、0.9 cm;hmax分別為72.3、76.4、76.0 cm。礦化度為15.0、50.0 g/L的hmax較礦化度為0.8 g/L時分別增加了4.1、3.7 cm,增加幅度分別達(dá)5.7%、5.1%。

從圖2d可以看出,砂質(zhì)壤土組1 min毛細(xì)水上升高度分別為0.2、0.2、0 cm,hmax分別為59.0、60.2、58.6 cm,毛細(xì)水上升高度變化規(guī)律與粉砂組相似,均表現(xiàn)為隨著礦化度的升高,最大毛細(xì)水上升高度呈先增大后降低的現(xiàn)象。統(tǒng)計相同粒徑不同礦化度的毛細(xì)水上升高度，見表2所列。

中砂礦化度越高,1 min內(nèi)上升高度越小,hmax越小;細(xì)砂的hmax受礦化度制約特征與中砂具有相似性,但隨著粒徑變小,在1 min內(nèi)的上升速率變化出現(xiàn)礦化度升高,上升速率增加的特點(diǎn),同時15.0 g/L與50.0 g/L在hmax上接近重合;對于粉砂與砂質(zhì)壤土,礦化度升高,1 min內(nèi)毛細(xì)水上升速率較小,hmax隨著礦化度升高先增大后降低。以上試驗結(jié)果表明,礦化度對毛細(xì)水上升的速率與高度均存在明顯制約作用,這種制約作用是通過改變土壤具有的水勢實現(xiàn)的。

表2 不同礦化度毛細(xì)水上升高度 單位:cm

對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到,砂性土與砂質(zhì)壤土的毛細(xì)水上升高度h與時間t在72 h全試驗周期內(nèi)均呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系,見表3所列。已有的研究成果中多用冪函數(shù)(h=atb)來刻畫[5,26-27],但本試驗采用三參數(shù)對數(shù)函數(shù)擬合R2均在0.98以上,擬合精度較高。以礦化度為0.8 g/L的細(xì)砂組為例,冪函數(shù)與對數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果如圖3所示,1 h時對數(shù)函數(shù)與冪函數(shù)擬合的殘差分別為0.041、-1.530;48 h時殘差分別為-0.378、-0.799;72 h時殘差分別為0.351、-0.452。擬合對比結(jié)果表明，對數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果在試驗前期與后期擬合效果均優(yōu)于冪函數(shù)。

表3 各試驗組毛細(xì)水上升曲線擬合函數(shù)

圖3 細(xì)砂0.8 g/L組冪函數(shù)與對數(shù)函數(shù)擬合對比

2.2 相同礦化度不同粒徑毛細(xì)水上升差異

礦化度相同時,不同粒徑砂性土與砂質(zhì)壤土毛細(xì)上升曲線如圖4所示。從圖4可以看出,相同礦化度時,毛細(xì)水最大上升高度由大到小依次為粉砂、砂質(zhì)壤土、細(xì)砂、中砂,但不同粒徑砂性土與砂質(zhì)壤土的毛細(xì)上升規(guī)律呈現(xiàn)不同的特征。礦化度為0.8 g/L時,粉砂、砂質(zhì)壤土、細(xì)砂、中砂的hmax分別為72.3、59.0、50.4、32.5 cm。粉砂、砂質(zhì)壤土、細(xì)砂的hmax與中砂的高度差分別為39.8、26.5、17.9 cm,是中砂毛細(xì)水最大上升高度的122.5%、81.5%、55.1%;礦化度增大至15.0 g/L時,粉砂、砂質(zhì)壤土、細(xì)砂、中砂的hmax分別為76.4、60.2、48.6、31.3 cm,粉砂、砂質(zhì)壤土、細(xì)砂的毛細(xì)水最大上升高度與中砂的高度差分別為45.1、28.9、17.3 cm,是中砂毛細(xì)水最大上升高度的144.1%、92.3%、55.3%;礦化度為50.0 g/L時,粉砂、砂質(zhì)壤土、細(xì)砂、中砂的hmax分別為76.0、58.6、48.7、30.2 cm,粉砂、砂質(zhì)壤土、細(xì)砂的hmax與中砂的高度差分別為45.8、28.4、18.5 cm,是中砂毛細(xì)水最大上升高度的151.6%、94.0%、61.3%。綜上可以得到,不同粒徑的砂性土與砂質(zhì)壤土在相同礦化度下的最大毛細(xì)水上升高度相差較大。

對圖4的毛細(xì)水上升曲線求一階導(dǎo)數(shù)，得到不同土壤類型的毛細(xì)上升速率曲線,取試驗前60 min的速率如圖5所示。砂性土與砂質(zhì)壤土的毛細(xì)水上升速率變化趨勢為先迅速降低、后平緩降低、最終趨于0的特征,但不同粒徑的砂性土與砂質(zhì)壤土亦有其不同點(diǎn),細(xì)砂試驗初期的上升速率最快,然后是中砂,這2種粒徑的砂性土初期上升速率在2～3 cm/min之間。其次是粉砂,初期上升速率在0.6～1.2 cm/min之間。最后是砂質(zhì)壤土,初期上升速率在0.2～0.5 cm/min之間。細(xì)砂的初期上升速率大于中砂,分析原因可能是由于試驗細(xì)砂與中砂的粒徑相差較小,導(dǎo)致較高的基質(zhì)勢增大了毛細(xì)水上升速率,但是中砂的毛細(xì)水上升速率衰減較快。粒徑越大,砂性土毛細(xì)水上升速率衰減越快,速率趨于0的時間最短,砂質(zhì)壤土中黏粒、粉粒的存在會制約毛細(xì)水的上升速率,導(dǎo)致毛細(xì)上升速率初期小且速率曲線更為平緩,趨于0的時間更長。

圖4 不同土壤類型毛細(xì)水上升曲線

圖5 不同土壤類型0～60 min毛細(xì)水上升速率曲線

礦化度為0.8、15.0、50.0 g/L時,中砂組在試驗初期最大毛細(xì)水上升速率分別為2.4、2.4、2.7 cm/min,細(xì)砂組分別為2.4、2.9、3.3 cm/min。毛細(xì)水上升速率變化呈礦化度增大、毛細(xì)水初期上升速率隨之增大、同時衰減越快的特征。粉砂和砂質(zhì)壤土由于粒徑小、土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜,毛細(xì)水速率波動變化較大。計算基于粉砂樣本總體方差分別為0.058 67、0.077 86、0.047 93,砂質(zhì)壤土樣本總體方差分別為0.008 13、0.006 51、0.006 27。對比各樣本方差數(shù)據(jù),粉砂的速率波動隨著礦化度增大呈先增大、后減小趨勢,而砂質(zhì)壤土速率波動隨礦化度增大而減小。

2.3 影響機(jī)制分析

土水勢包括基質(zhì)勢、重力勢、溶質(zhì)勢、溫度勢、氣壓勢等勢能[28-32]。試驗柱內(nèi)的毛細(xì)水運(yùn)動受能量梯度驅(qū)使,水分運(yùn)動速度較小,可忽略動能影響;本試驗在室內(nèi)25 ℃左右的環(huán)境中進(jìn)行,室溫影響以及土壤中的溫度變化微小,忽略溫度、室內(nèi)氣壓及土體氣壓的影響;試驗柱內(nèi)不存在半透膜,溶質(zhì)勢可以忽略。故礦化度對毛細(xì)水上升的影響機(jī)制分析主要從重力勢與基質(zhì)勢2個方面展開[33]。

當(dāng)土壤類型為中砂時,礦化度對毛細(xì)水上升的影響主要表現(xiàn)為重力勢的改變。潛水礦化度越大,密度越大,毛細(xì)水具有的重力勢能就越大,毛細(xì)水上升需克服的重力做功就越多。中砂由于粒徑相對較大,孔隙率大,毛細(xì)水上升過程中克服的阻力相對較小,導(dǎo)致中砂毛細(xì)水上升速率初期速率較大,但衰減最快,在礦化度影響下,毛細(xì)水最大上升高度減小。

當(dāng)土壤類型為細(xì)砂時,礦化度對毛細(xì)水上升的影響表現(xiàn)為重力勢和基質(zhì)勢的改變。隨著礦化度升高,15.0、50.0 g/L在1 min上升高度相同,比0.8 g/L處高了0.7 cm,這是由于盡管15.0、50.0 g/L處的毛細(xì)水重力勢能大,但由于試驗初期基質(zhì)勢占據(jù)主導(dǎo)作用,導(dǎo)致1 min的毛細(xì)水上升高度高于0.8 g/L組。但隨著毛細(xì)水不斷上升,重力勢逐漸起主導(dǎo)作用,致使試驗結(jié)束時毛細(xì)水最大上升高度低于0.8 g/L。

當(dāng)土壤類型為粉砂時,1 min上升高度在0.9～1.2 cm之間,上升高度明顯低于中砂與細(xì)砂組,這是由于所采用的試驗砂粒徑均為200目、雜質(zhì)少、純度高,導(dǎo)致孔隙率小,阻力增大,極小的粒徑對毛細(xì)水上升產(chǎn)生了阻礙作用。毛細(xì)水最大上升高度由大到小依次為15.0、50.0、0.8 g/L,分析原因是由于在此粒徑下,隨著毛細(xì)水上升,鹽分在顆粒壁積聚,致使毛細(xì)管道直徑減小,對毛細(xì)水產(chǎn)生了很強(qiáng)的“基質(zhì)吸力”,基質(zhì)勢高,重力勢作用相對降低,表現(xiàn)為礦化度增大至15.0 g/L時毛細(xì)水上升高度大于0.8 g/L組。試驗結(jié)束后,取粉砂樣置于高倍顯微鏡下觀察,粉砂不同礦化度取樣照片如圖6所示。對比圖6a、圖6b可以看出,0.8 g/L組存在較多孔隙(白色區(qū)域),鹽分可以通過孔隙向上傳輸。當(dāng)?shù)V化度增大至15.0 g/L時,有鹽分析出現(xiàn)象,鹽分附著在部分孔隙通道表面,減小了孔隙通道直徑,此時毛細(xì)水基質(zhì)勢增強(qiáng)。礦化度繼續(xù)增大至50.0 g/L時,析出的鹽分增多,從圖6c可以看出,土體中部分孔隙通道被鹽分完成填滿,孔隙被堵塞,重力勢增大,毛細(xì)水上升高度受到抑制,毛細(xì)水上升高度表現(xiàn)出50.0 g/L組小于15.0 g/L組。

圖6 粉砂不同礦化度取樣照片

當(dāng)土壤類型為砂質(zhì)壤土,礦化度為0.8、15.0 g/L時,1 min上升高度均為0.2 cm,50.0 g/L時毛細(xì)水上升高度幾乎為0,明顯低于其他3組砂性土的上升高度,這主要是由于砂質(zhì)壤土的土壤結(jié)構(gòu)不同于砂性土,存在10%的黏粒與20%的粉粒,導(dǎo)致砂質(zhì)壤土的透水性變?nèi)?隨著毛細(xì)水上升,土壤含水率增大,土壤黏結(jié),增大了土壤的不透水性。毛細(xì)水最大上升高度由大到小依次為15.0、0.8、50.0 g/L,分析原因是粉粒和黏粒在一定程度上增大了基質(zhì)勢,但重力勢的影響隨著礦化度升高不斷增大,且在后期趨于主導(dǎo)地位。

3 結(jié) 論

本文基于室內(nèi)試驗開展了礦化度對毛細(xì)水上升規(guī)律與制約特征的研究,試驗結(jié)果表明,礦化度對土壤毛細(xì)水上升的高度與速率均存在明顯的制約作用,產(chǎn)生制約作用的原因主要是在于不同土壤的重力勢、基質(zhì)勢不同。具體表現(xiàn)為粒徑越大的土壤,礦化度越高,毛細(xì)水上升高度越小,初期上升速率越大,但速率衰減越快;粒徑越小、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的土壤,毛細(xì)水速率波動變化隨礦化度的變化而變化。礦化度、土壤粒徑與結(jié)構(gòu)對均質(zhì)砂性土與砂質(zhì)壤土毛細(xì)水上升的影響起主要控制作用。

毛細(xì)水上升高度與時間可以用三參數(shù)對數(shù)函數(shù)關(guān)系表示,其擬合精度優(yōu)于冪函數(shù)。上升速率方面,砂性土粒徑越大,毛細(xì)水上升速率衰減越快,速率趨于0的時間最短。同時,砂質(zhì)壤土中黏粒、粉粒的存在會影響毛細(xì)水的上升速率,導(dǎo)致毛細(xì)上升速率不僅在初期慢且速率曲線波動較大,趨于0的時間更長。

粒徑越小,基質(zhì)勢的作用強(qiáng),在小粒徑范圍內(nèi)存在明顯的特征表現(xiàn)。內(nèi)部孔隙越小,毛細(xì)管力越大,毛細(xì)潤濕峰上移迅速,同樣時間間隔內(nèi),上升距離較大,且在試驗結(jié)束時的高度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大粒徑土壤毛細(xì)水上升高度;粒徑越大,重力勢表現(xiàn)更加明顯,尤其在試驗后期,重力的影響作用不可忽略，本次試驗礦化度范圍在0.8～50.0 g/L之間,且只選擇了3種礦化度試驗,根據(jù)后續(xù)試驗和模擬的初步結(jié)果,礦化度的影響存在一個閾值,確定閾值大小將是進(jìn)一步的研究方向。