李明月，郭 健，許 模，張 強(qiáng)

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610059)

川東紅層區(qū)支持毛細(xì)水帶的鹽分運(yùn)移規(guī)律

李明月，郭 健，許 模，張 強(qiáng)

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610059)

為治理因庫(kù)區(qū)地下水水位上升使鹽分上升到地表造成土壤鹽漬化問(wèn)題，通過(guò)室內(nèi)土柱實(shí)驗(yàn)，以川東某水庫(kù)的紅層區(qū)低液限黏性膨脹土壤為試驗(yàn)土樣，采用水分傳感器及開(kāi)孔取樣進(jìn)行浸提試驗(yàn)的方法獲得土壤含水率隨時(shí)間和埋深的變化情況及支持毛細(xì)帶全鹽量的變化情況，從而分析水分和鹽分在支持毛細(xì)水帶中的運(yùn)移規(guī)律。結(jié)果表明：濕潤(rùn)鋒的上升速率隨時(shí)間是減緩的，在毛細(xì)強(qiáng)烈上升階段埋深越大單點(diǎn)的含水量增長(zhǎng)速率越大；由于毛管直徑和粒徑不同，含水率隨埋深增加的變化規(guī)律并非線性；鹽分在支持毛細(xì)水中的分布是不均勻的，在毛細(xì)飽和帶中全鹽量最高，在毛細(xì)非飽和帶中全鹽量與埋深呈正相關(guān)。

支持毛細(xì)帶； 全鹽量； 水分； 運(yùn)移； 土壤鹽漬化

0 引 言

水庫(kù)蓄水后，庫(kù)盆周圍和入庫(kù)河道兩岸地下水位升高，巖土體被浸潤(rùn)導(dǎo)致水庫(kù)浸沒(méi)，可能會(huì)引發(fā)土壤次生鹽漬化問(wèn)題。雖然川東地區(qū)土壤鹽漬化不像北方干旱地區(qū)那么突出，但土壤鹽漬化的威脅始終是存在的，一旦水利措施失當(dāng)，就會(huì)使地下水猛烈抬升而高于其臨界深度，土壤就會(huì)有發(fā)生鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)毛細(xì)水帶的研究大多針對(duì)其上升影響因素。劉廣明等用大型土柱對(duì)長(zhǎng)江河口地區(qū)在地下水作用條件下土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了深入研究，估計(jì)粗粒土毛細(xì)上升最大高度的海森公式[1～2]。杜普紅等[3]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了毛細(xì)水上升高度、含水量及其影響因素。周奇等[4]利用西安黃土進(jìn)行豎管法試驗(yàn)?zāi)M出了毛細(xì)水上升過(guò)程中的含水率分布。劉玄釗等[5]根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行反算可大致反映砂土中毛細(xì)水的上升最大高度。然而，這類研究往往比較關(guān)注毛細(xì)水的上升速率和最大上升高度，卻對(duì)支持毛細(xì)水帶內(nèi)的鹽分運(yùn)移規(guī)律和分布特征關(guān)注較少。另一方面，對(duì)地下水淺埋條件下的土壤水鹽動(dòng)態(tài)變化特征研究均是考慮灌溉或降雨影響，如歐陽(yáng)正平[6]以焉耆盆地典型區(qū)為例，探討地下水淺埋深條件下的土壤水鹽動(dòng)態(tài)變化特征，從土壤水分和鹽分兩方面綜合進(jìn)行考慮，得出適合該區(qū)的灌溉制度。張瑜芳等[7]提出了垂向一維均質(zhì)土壤水分運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬在降雨入滲和蒸發(fā)條件下的運(yùn)用。這些分析重在地下水下滲過(guò)程中的水分和鹽分重分布，但對(duì)因蓄水影響，地下水位抬升而引起鹽分在支持毛細(xì)水帶內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律分析不夠，黃石盤水庫(kù)位于巴河支流——恩陽(yáng)河中游河段，屬于紅層地區(qū)，并且?guī)r性主要為黏土及砂卵礫石土，具有比較廣泛的代表性，因而本文以川東某水庫(kù)的紅層區(qū)黏性土壤為試驗(yàn)土樣，探究水庫(kù)蓄水引起地下水水位抬升的條件下鹽分在支持毛細(xì)帶中的運(yùn)移規(guī)律，這對(duì)鹽漬化的治理具有重要的研究意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用土柱為有機(jī)玻璃柱，壁厚5 mm，內(nèi)徑7 cm，高50 cm。內(nèi)裝45 cm均勻黏性土壤。在土柱上安裝3個(gè)水分傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)水分動(dòng)態(tài)變化，位置從下往上分別位于土柱-38、-24、-10 cm處；土柱兩側(cè)共設(shè)10個(gè)取樣口，取樣口直徑1 cm，1～10號(hào)取樣口依次為-39、-35、-31、-27、-23、-19、-15、-11、-7、-3 cm。裝置的基本組成部分如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2供試土壤及土柱填料

土柱填料取自巴中黃石盤水庫(kù)鉆孔深度為1 m的土樣，土壤取回后，去除草根、石頭等雜質(zhì)，經(jīng)過(guò)風(fēng)干壓碎，過(guò)1.5 mm篩，通過(guò)馬爾文激光粒度儀對(duì)材料進(jìn)行顆粒分析，得到土壤理化性質(zhì)如下：天然含水率ω0=20%，飽和含水率ωsat=38%，密度ρ=2.7 g/cm3，孔隙率n=38.8%，液限ωL=36.4%，塑限ωP=16.2%，自由膨脹率為60%，土的名稱低液限黏土(膨脹土)。

顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖2。

圖2 土樣顆粒級(jí)配曲線

采集的土樣運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室后，自然風(fēng)干，去除雜質(zhì)過(guò)篩后，配水(使土壤初始含水率達(dá)到20%)，按土壤密度2.7 g/cm3分層(5cm)裝土，上部40 cm為非飽和均質(zhì)土壤，底部2 cm裝有粒徑為2～5 mm的砂卵礫石層，模擬地下飽和含水層，兩部分之間墊以彈性較差的薄海綿，以免上層土壤進(jìn)入砂礫層。

1.3土柱初始含鹽量測(cè)定

本試驗(yàn)采用水土比5∶1浸提[8]，因土壤電導(dǎo)率與含鹽量具有高度相關(guān)性[9]，可用電導(dǎo)法測(cè)定可溶解性鹽總含量。根據(jù)土壤浸出液的電導(dǎo)率和鹽分之間存在系數(shù)的轉(zhuǎn)化關(guān)系[10～12]，EC1∶5和土壤全鹽量(St)具有顯著的相關(guān)性：

EC1∶5=0.365 8St-0.015 2，r=0.944

(1)

式中：EC1∶5為5∶1水土比土壤浸濾液電導(dǎo)率，mS/cm；St為土壤全鹽量，g/kg[13～14]。

上述公式取于江蘇濱海地區(qū)土壤浸出液測(cè)得的電導(dǎo)率計(jì)算公式[15]，與川東地區(qū)的土壤浸出液的電導(dǎo)率是基本相似，因而使用此公式。

土壤水溶性鹽的測(cè)定主要分為取樣口土樣水溶性鹽的浸提和測(cè)定浸出液電導(dǎo)率。即在水分上升至最大高度且穩(wěn)定時(shí)，在取樣口處取出土樣，稱量取出濕潤(rùn)土壤樣品的質(zhì)量m1，將取出土壤放置烘干箱烘干，研磨，過(guò)16目篩，得到直徑小于1.25 mm烘干土，其質(zhì)量為m2。將土壤顆粒放入三角瓶中，以5∶1水土比加去離子水，蓋好瓶塞，在恒溫振蕩機(jī)上振蕩3 min，破壞掉毛細(xì)管，使得毛細(xì)管中的水與去離子水混合，用漏斗濾出上清液再將懸濁土漿搖勻后緩緩倒入，直至過(guò)濾出足夠上清液，再將清亮濾液收集至燒杯中，立即用電導(dǎo)率測(cè)定儀測(cè)定浸出液的EC值，表1即為試驗(yàn)前土壤樣品中的初始電導(dǎo)率及全鹽量。

表1 初始電導(dǎo)率及全鹽量

溫度：25.3 ℃

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出土壤支持毛細(xì)帶浸出液電導(dǎo)率初始均值為0.30～0.31 mS/cm，試驗(yàn)土壤的初始全鹽量平均在0.89 g/kg。

1.4浸沒(méi)試驗(yàn)步驟

(1) 模擬液配制。實(shí)驗(yàn)室配得與庫(kù)區(qū)地下水含有TDS相同的水樣5 L，配制好后測(cè)得水樣電導(dǎo)率0.586 mS/cm，鹽分0.3 ng/L，用其將土柱浸沒(méi)，定水頭為6 cm。用水分傳感器和水分采集系統(tǒng)來(lái)測(cè)量土壤的表觀介電常數(shù)(ε)，并存儲(chǔ)在水分采集系統(tǒng)，導(dǎo)出相關(guān)數(shù)據(jù)后，通過(guò)轉(zhuǎn)化得到標(biāo)準(zhǔn)曲線，從而計(jì)算土壤含水量。

(2) 浸沒(méi)土柱。用配置好的水樣將土柱浸沒(méi)，定水頭為6 cm。記錄好開(kāi)始時(shí)間后，開(kāi)始試驗(yàn)。

(3) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水分。調(diào)節(jié)水分采集的頻率設(shè)置為1次/h，試驗(yàn)開(kāi)始前應(yīng)該提前開(kāi)啟水分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以期采集含水率的初始數(shù)值，確定儀器穩(wěn)定運(yùn)行。

(4) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)鹽分。方法同1.3，采用水土比5∶1浸提電導(dǎo)法測(cè)定可溶解性鹽總含量。

2 浸沒(méi)試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1支持毛細(xì)水上升過(guò)程分析

(1) 毛細(xì)水上升速率分析。3個(gè)水分傳感器按由下往上的順序記錄從2016年9月20日到2016年9月25日歷時(shí)5 d的土柱中土壤水分隨入滲時(shí)間的時(shí)空變化特征與顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程[16]：

(2)

換算得出土壤含水率θ，初始讀數(shù)轉(zhuǎn)化為含水率分別為：19.79 %、20.12 %、20.45 %，所以試驗(yàn)用土的初始含水率為20 %左右，最終3個(gè)水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的含水率分別達(dá)到38.42 %、34.90 %、28 %左右，此時(shí)傳感器1處為毛細(xì)飽和帶，其他處仍然處于非飽和狀態(tài)。圖3所示為3個(gè)水分傳感器所顯示的含水率變化情況。

圖3 土壤含水率隨時(shí)間變化

分析圖3可得出以下結(jié)論：初始的水平階段是濕潤(rùn)鋒向監(jiān)測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的階段，由此可計(jì)算出濕潤(rùn)鋒的上升速度情況：傳感器1距浸沒(méi)水位距離s1=6 cm，傳感器2與傳感器1的距離s2=14 cm，傳感器3與傳感器2的距離s3=14 cm，濕潤(rùn)鋒到達(dá)傳感器1～3的時(shí)間t1=10 h，t2=24 h，t3=38 h，因而濕潤(rùn)峰的上升速度依次為：v1=0.6 cm/h，v2=0.58 cm/h，v3=0.37 cm/h。由此可知，濕潤(rùn)鋒的增長(zhǎng)速度是漸緩的。3個(gè)水分傳感器的含水量強(qiáng)烈上升階段可顯示出埋深越大含水率的增長(zhǎng)速率越大，傳感器1～3的含水量變化率分別為1.8、0.83、0.80。

(2) 毛細(xì)水上升高度分析。待水分長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定以后，從10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中取出土樣，測(cè)出濕土質(zhì)量m1，烘干土樣之后記錄干土質(zhì)量m2，進(jìn)而計(jì)算得出具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的含水率如表2所示。

表2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位土壤含水率

由表2數(shù)據(jù)可知，取樣口離浸沒(méi)水面越遠(yuǎn)含水率越小，在1～3號(hào)處的含水率都在38 %左右為毛細(xì)飽和帶。從3號(hào)往上為毛細(xì)非飽和帶，且隨著埋深的增加，水分含量上升。將表2中10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率與埋深的關(guān)系繪制成圖4。

圖4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位含水率隨埋深的變化情況

10個(gè)點(diǎn)位的含水率隨埋深而增加，但并不是呈線性關(guān)系，而是存在一定的跳動(dòng)，這與毛管直徑的大小和長(zhǎng)短以及粒徑的大小有關(guān)。

2.2支持毛細(xì)帶中鹽分含量分析

在支持毛細(xì)水上升到達(dá)基本穩(wěn)定的時(shí)間10 h之后，從土柱10個(gè)取樣口取出土壤試樣用水土5∶1浸提法測(cè)得土壤浸出液的電導(dǎo)率，用式(1)計(jì)算得到全鹽量的值，表3、圖5即為全鹽量監(jiān)測(cè)與分析的具體數(shù)據(jù)及變化情況。

表3 支持毛細(xì)帶全鹽增量統(tǒng)計(jì)表

溫度：25.3 ℃

圖5 浸沒(méi)前后支持毛細(xì)帶全鹽量變化情況

由圖5可知，試驗(yàn)之前支持毛細(xì)帶中的全鹽量基本保持一致且隨埋深變化較小，試驗(yàn)后的全鹽量有明顯變化，整體上是與埋深呈正相關(guān)的，且在埋深25～40 cm時(shí)增長(zhǎng)量最大，試驗(yàn)前后毛細(xì)帶中全鹽量在埋深最高點(diǎn)與最低點(diǎn)相差約0.687 8 g/kg。

由圖6可知，含水率隨埋深的變化非常明顯，與全鹽量隨埋深的變化情況是一致的，即說(shuō)明水分的分布和鹽分的分布有一定的關(guān)系，在含水率最高的部位全鹽量最高，但含水率的變化情況相較于毛細(xì)水帶全鹽量的變化情況來(lái)說(shuō)浮動(dòng)較大。

圖6 浸沒(méi)試驗(yàn)后毛細(xì)水帶全鹽量及含水率隨埋深的變化情況

3 結(jié) 論

為研究川東紅層區(qū)土壤支持毛細(xì)帶中鹽分的運(yùn)移規(guī)律，筆者取了巴中黃石盤水庫(kù)的土壤樣品進(jìn)行土柱浸沒(méi)試驗(yàn)，得出了以下結(jié)論：

(1) 川東紅層地區(qū)的土壤是以顆粒粒徑lt;5 μm與50～5 μm為主的低液限黏性土為典型特征，且自由膨脹率為40%，為低液限黏性膨脹土。

(2) 低液限黏性膨脹土支持毛細(xì)帶中土壤濕潤(rùn)峰的增長(zhǎng)速度是隨時(shí)間漸緩的，在毛細(xì)強(qiáng)烈上升階段埋深越大單點(diǎn)的含水量增長(zhǎng)速率越大。待含水率穩(wěn)定之后的1～3號(hào)取樣口的含水率都在38%左右，表明土柱浸沒(méi)后存在4 cm高的毛細(xì)飽和帶。

(3) 膨脹土浸沒(méi)后隨著水分上升鹽分的分布是不均勻的，鹽分與水分的分布有一定的聯(lián)系，即在毛細(xì)飽和帶中的全鹽量最高，在毛細(xì)非飽和帶中的分布是隨埋深的增加而增加。

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ResearchonSaltMovementLawinSupportedCapillaryWaterRegionofRedBedsinEastSichuan

LIMingyue,GUOJian,XUMo,ZHANGQiang

(State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

Soil of reservoir area is submerged due to the water storage in reservoir.Salinity in deep soil will migrate to the surface via the supported capillary water region, and it will cause series of geological environmental problems such as soil salinization.It is necessary to know the salt movement law in supported capillary water region, in order to control the soil salinization caused by the increase of groundwater level in the reservoir area.We have done the laboratory soil column experiment with the sample (low liquid limit clay) in red layer of a reservoir in eastern Sichuan, and we analyzed salt and moisture transport law in supported capillary water region.The results showed that the rate of wetting front decrease by time, and the more depth of single point, the higher growth rate of water content.The distribution of salinity in support capillary water region is inhomogeneous.Concentration of salt in the capillary saturation zone is the highest, and it is positively correlated with depth in the capillary unsaturated zone.

supported capillary water region; total salt content; moisture; transport; soil salinization

TU 448

A

1006-7167(2017)10-0045-04

2017-01-16

四川省教育廳科研項(xiàng)目(17ZB0047)

李明月(1992-)，女，山東博興人，碩士生，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境工程地質(zhì)、工程水文地質(zhì)、水資源開(kāi)發(fā)與保護(hù)。Tel.:18782033302；E-mail:869426891@qq.com

郭 健(1984-)，男，四川成都人，講師，主要研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)、工程地質(zhì)等領(lǐng)域的科研工作。Tel.:13981711984;E-mail:jerry.guo@hotmail.com