劉媛媛，段喜明，胥凌霄

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西太谷030801）

在工業(yè)廢渣的排放當(dāng)中，火力發(fā)電所產(chǎn)生的粉煤灰，在干燥狀態(tài)下易產(chǎn)生揚(yáng)塵，對(duì)人體健康產(chǎn)生很大的危害[1-2]。粉煤灰的透水性較強(qiáng)，保水能力差，養(yǎng)分貧瘠，重金屬超標(biāo)，植物在自然狀態(tài)下極難生存，極易發(fā)生水土流失。目前，粉煤灰的研究主要集中在對(duì)粉煤灰滲透性和風(fēng)蝕性的利用[3-6]，以及粉煤灰中重金屬的利用和養(yǎng)分的恢復(fù)[7]等方面，而針對(duì)含粉煤灰層狀土的入滲規(guī)律的研究則相對(duì)較少。

本研究擬通過(guò)室內(nèi)一維定水頭垂直入滲試驗(yàn)，對(duì)于含粉煤灰層土柱在不同容重情況下，按照粉煤灰層在土柱中厚度和位置的不同，研究相應(yīng)的水分入滲規(guī)律，為生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所需土壤類型為淡褐土，質(zhì)地為壤土；粉煤灰選自山西省霍家溝工業(yè)公司電廠。試驗(yàn)前需對(duì)供試材料進(jìn)行風(fēng)干處理，風(fēng)干后粉煤灰和供試土壤初始含水率分別為2%和3%。供試土柱的顆粒組成列于表1。

表1 供試土柱的顆粒組成

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用室內(nèi)一維定水頭垂直入滲試驗(yàn)[8-10]，供水水頭控制在5 cm。盛裝試驗(yàn)土柱的透明PVC管內(nèi)徑14.5 cm、高50 cm，其中含粉煤灰層的試驗(yàn)土柱總高40 cm，試驗(yàn)裝置如圖1所示。PVC管底部均勻開(kāi)孔，外包紗布，用于排水、透氣，并防止土柱顆粒流失。在試驗(yàn)材料處于不同容重（1.2，1.3，1.4g/cm3）情況下，按照粉煤灰不同厚度（4，8，12 cm）裝入PVC管的不同位置（上層、中層、下層）。各層間打毛，使土壤孔隙相連，均質(zhì)土作為對(duì)照。共設(shè)27個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。采用帶刻度馬氏瓶供水，并記錄馬氏瓶中水面高度，前20 min每1 min讀1次數(shù)，20～40 min每2 min讀1次數(shù)，40～60 min每5 min讀1次數(shù)，60 min以后每10 min讀1次數(shù)，直至土柱底部滲水為止。

1.3 數(shù)據(jù)分析

將空白對(duì)照設(shè)置為0，粉煤灰層位于土柱上部設(shè)置為1，中部設(shè)置為2，下部設(shè)置為3，其余變量均設(shè)置為其實(shí)際數(shù)值，通過(guò)IBMSPSS Statistics 22.0軟件對(duì)不同容重、粉煤灰層厚度及位置條件下的土壤水分入滲歷時(shí)進(jìn)行相關(guān)性分析。

為進(jìn)一步研究不同容重條件下，粉煤灰層厚度和位置對(duì)土柱水分入滲過(guò)程的影響，利用IBM SPSS Statistics 22.0軟件對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，采用通用公式、Horton[11-14]模型和Kostiakov[15]模型對(duì)入滲速率變化過(guò)程進(jìn)行擬合。

通用公式表達(dá)式如下。

式中，f（t）為入滲速率；a，b為擬合參數(shù)，n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；t為入滲時(shí)間。

Horton模型表達(dá)式如下。

式中，f（t）為入滲速率；fc為穩(wěn)定入滲速率；f0為初始入滲速率；k為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；t為入滲時(shí)間。

Kostiakov模型表達(dá)式如下。

式中，f（t）為入滲速率；a為擬合參數(shù)，n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；t為入滲時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 含粉煤灰層土柱對(duì)土壤累積入滲量的影響

2.1.1 不同粉煤灰厚度對(duì)累積入滲量的影響 由圖2可知，當(dāng)粉煤灰位于土柱上層時(shí)，各個(gè)厚度的累積入滲量均高于對(duì)照。在入滲初期，厚度4 cm時(shí)，與厚度8 cm的累積入滲量差異不顯著；但入滲開(kāi)始60 min以后，厚度4，8 cm的累積入滲量顯著高于厚度12 cm，但厚度12 cm的入滲歷時(shí)最長(zhǎng)，累積入滲量排序?yàn)? cm＞8 cm＞12 cm。

當(dāng)粉煤灰位于土柱中層時(shí)，在入滲40 min左右較對(duì)照出現(xiàn)顯著差異，厚度4，8 cm均低于對(duì)照，且厚度4，8 cm間無(wú)顯著差異，但顯著小于厚度12 cm的累積入滲量。

當(dāng)粉煤灰位于土柱下層時(shí)，各個(gè)厚度的累積入滲量較對(duì)照無(wú)顯著差異。

2.1.2 不同粉煤灰位置對(duì)累積入滲量的影響 由圖2可知，當(dāng)粉煤灰厚度為4 cm時(shí)，上層的累積入滲量均大于對(duì)照，且差異顯著，中層和下層的累積入滲量顯著低于對(duì)照，但二者差異不顯著。當(dāng)粉煤灰厚度為8 cm時(shí)，上層情況與厚度4 cm的相似，隨著入滲進(jìn)行，中層的累積入滲量逐漸低于對(duì)照。下層較對(duì)照差異顯著。當(dāng)粉煤灰厚度為12 cm時(shí)，累積入滲量隨著位置變化不顯著，但中層的累積入滲量較對(duì)照略有降低。

2.1.3 不同粉煤灰容重對(duì)累積入滲量的影響 由圖2可知，當(dāng)粉煤灰位于土柱上層時(shí)，累積入滲量隨著容重增大而減小，均顯著高于對(duì)照。當(dāng)粉煤灰位于土柱中層時(shí)，累積入滲量隨著容重的增大呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，容重為1.2 g/cm3處理大于對(duì)照，容重為1.3 g/cm3處理與對(duì)照無(wú)顯著差異，容重為1.4 g/cm3處理顯著低于對(duì)照。當(dāng)粉煤灰位于土柱下層時(shí)，各個(gè)容重的累積入滲量較對(duì)照無(wú)顯著差異。

2.2 含粉煤灰層對(duì)土壤入滲歷時(shí)的影響

由表2可知，對(duì)含粉煤灰層土柱，粉煤灰層厚度的大小對(duì)其水分入滲歷時(shí)沒(méi)有明顯影響，但粉煤灰層的位置及容重對(duì)其水分入滲歷時(shí)的影響表現(xiàn)為極顯著。

表2 不同容重條件下粉煤灰層在土柱中的厚度和位置對(duì)入滲歷時(shí)的顯著性分析

2.3 含粉煤灰層土柱的水分入滲過(guò)程模擬

由表3可知，通用公式模型、Horton模型、Kostiakov模型擬合的決定系數(shù)大于0.95的占比分別為96.67%，73.33%，93.33%，故通用公式可更好地反映含粉煤灰土柱的水分入滲的變化過(guò)程。當(dāng)粉煤灰位于上層和下層時(shí)，Horton模型擬合的決定系數(shù)相對(duì)較?。划?dāng)粉煤灰位于中層時(shí)，該模型能夠很好地反映水分入滲的變化過(guò)程。當(dāng)容重為1.3 g/cm3，粉煤灰位于土柱中層且厚度為12 cm時(shí)，從Kostiakov模型來(lái)看，其決定系數(shù)僅為0.855，其余處理的決定系數(shù)均大于0.9，故該模型也可反映含粉煤灰土柱的水分入滲變化過(guò)程，但通用公式模型更佳。

表3 不同條件下含粉煤灰層土柱和對(duì)照的水分入滲速率擬合

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)主要研究的是層狀土壤的入滲過(guò)程，試驗(yàn)材料為土壤與粉煤灰分層組合而成。通過(guò)土柱入滲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，位于土壤上層時(shí)，起到增加入滲的作用，可以在水土流失多發(fā)地區(qū)土壤表面覆蓋介質(zhì)，增加水分入滲，減少水土流失的危害；而位于土壤中層和下層時(shí)，有不同程度的減滲作用，在容易發(fā)生水分滲漏的土壤中適當(dāng)添加，達(dá)到增加地表徑流，減少水分入滲的效果，保證地基土體穩(wěn)定，減少土體發(fā)生沉陷的危險(xiǎn)。

本試驗(yàn)中，由于透明PVC管高度較小，試驗(yàn)土柱高度和內(nèi)徑有限，無(wú)法完全模擬自然土層，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與自然土體有一定誤差，應(yīng)完善這方面的研究。同時(shí)，本試驗(yàn)設(shè)置的土壤類型較為單一，僅研究了山西地區(qū)最常見(jiàn)的黃土，土柱分層較少，之后應(yīng)著重不同類型土壤與介質(zhì)層組合條件下，多層介質(zhì)、不同厚度對(duì)土壤水分入滲過(guò)程的影響。

由于試驗(yàn)條件的限制，本試驗(yàn)僅研究了容重、位置和厚度對(duì)粉煤灰層狀土的水分入滲過(guò)程的影響，粉煤灰的來(lái)源以及結(jié)構(gòu)形狀也是造成土壤水分入滲變化的原因，因此，今后還需繼續(xù)綜合以上因素，對(duì)粉煤灰分層入滲進(jìn)行深入研究。