斥水剂对湿陷性黄土持水性能的影响

2020-08-03张科

广东水利水电 2020年7期

张科

(惠州市绿景水土保持咨询服务有限公司，广东惠州 516001)

我国西北、黄河中游分布广泛的湿陷性黄土，遭遇浸水后在饱和自重压力或者附加压力作用下，破坏土体原有结构。浸水、附加压力是黄土湿陷发生的必要条件，黄土湿陷具有突变性、非连续性和不可逆性等特征[1]。随着社会飞速发展，黄土湿陷性成为制约我国西北、黄河中游地区发展的重要难题。

伊犁位于我国西北，伊犁黄土是典型的风积黄土，具有密度小，含水小，饱和度小等特点，黄土分布范围广。由于其湿陷性强烈，容易遭受水流冲刷造成水土流失和雨水下渗，易在降雨入渗、污水排放、地下水变化等作用下破坏建筑物[2]。因此，研究湿陷性黄土的持水性能、饱和含水率对于防止水土流失和工程建设非常重要。

目前关于高分子化合物对土壤持水能力的影响研究较多，单志杰[3]研究发现EN-1固化剂可以降低土壤持水能力，刘月梅等[4]研究了EN-1离子固化剂对黄土持水、供水等水分特征的影响，结果表明：固化剂降低了土壤的持水能力。王银涛等研究表明：随着HEC掺量的增加，黄土持水性降低，比水容量逐渐减小；HEC对黄土强度有一定的增强作用。周采景等[5]研究发现有机物质的类型和含量对土壤持水能力有影响，一般水中含有一定量的有机物质可以提高土壤持水能力。林辉等[6]研究了斥水剂作用下土壤物理性质变化规律试验研究。吴珺华等[7]研究了斥水剂对非饱和土壤抗剪强度的影响。杨邦杰等[8]研究了斥水性土壤及其引起的土壤退化问题。商艳玲等[9]研究了再生水灌溉斥水土壤斥水性变化规律。目前关于斥水性土壤的研究主要集中在土壤学[10]与农业科学领域[11]和水利工程等领域。但是土壤亲水性是引起边坡失稳[12]、地表变形[13]、渗透破坏等[14，15]现象的主要原因之一。因此，有必要研究斥水剂对湿陷性黄土持水、供水特征的影响规律，对于防止水土流失和生态保护是十分有必要的。

本研究采用室内模拟试验，以新疆伊犁昭苏县特克斯河的风积黄土为研究对象，通过在黄土中添加斥水剂，研究斥水剂含量、土壤含水率对湿陷性黄土持水性能、比水容重和累积蒸发量的影响规律，可为斥水剂应用于湿陷性黄土生态防护和水土保持提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为新疆伊犁昭苏县特克斯河的Ⅳ级阶地的风积黄土，具有“密度小，含水小，饱和度小；黄土分布厚度大(黄土厚度大于30 m)，孔隙比大”等特点，土样呈土黄色，土质从上到下质地均匀。取深度为0～2.5 m内的原状土，将试样混合均匀后测试其基本物理性质。试验土样基本物理性质指标见表1所示，试验所用斥水剂为二甲基二氯硅烷[(CH3)2SiCL]。

表1 黄土基本物理性质指标

1.2 试验设计与试验方法

室内土壤物理试验温度控制在21℃左右，蒸发试验控制温度为28℃～32℃，供试土壤经风干后过2 mm筛网备用。设置5个不同斥水剂处理、4个不同土壤含水率处理和1个对照处理，即将斥水剂(g)与湿陷性黄土(g)分别按0、1%、1.5%、2%、2.5%、3%的不同质量比混合(以干土质量计算)，标记为CK(对照组)、K1、K1.5、K2、K2.5、K3；土壤含水率(体积含水率)设置为7.8%、10.0%、15.0%、20.0%、25.0%，分别记作θ(对照含水率)、θ10、θ15、θ20、θ25。

试验采用完全随机分组试验设计方法，测定斥水剂对不同含水率湿陷性黄土持水性能的影响规律，每个处理设3个重复。

1) 土壤持水性能的测定

将加入斥水剂的黄土按设计含水率分层装入有机玻璃管(高为14 cm，内径为10.5 cm)中，装土高度为10 cm，玻璃管上端用塑料薄膜密封，在室温条件下养护10 d后，使用离心法测定土壤水吸力。

离心法所使用的离心机为日产CR21G型高速冷冻离心机，温度为20℃，其转速和离心时间见表2所示，离心速度由低到高，每次离心后称重(离心盒+含重)，结束后烘干土样并称重，通过计算不同土壤水吸力下的含水量拟合土壤水分特征曲线。

表2 不同水吸力下离心机转速和时间

2) 土壤饱和导水率的测量

将不同处理黄土分层装入有机玻璃管(玻璃管高×内径：25 cm×10.5 cm，壁厚0.5 cm)中，装土高度为5 cm，玻璃管底部用纱布(200目)封闭，利用塑料薄膜密封有机玻璃管上端，室温养护10 d，采用定水头法测定黄土饱和导水率[5]。

3) 对土壤水分蒸发的影响

将不同处理黄土分层装入有机玻璃管(同上)中，装土高度为20 cm，室温养护10 d，将玻璃管下端浸入水中，充分吸水48 h后，排除重力水后将试样放入人工气候室中，每天称量试样重量，通过试样重量变化计算黄土的累积蒸发量。

1.3 数据处理

利用Excel对数据进行处理和绘图，应用SPSS软件进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 斥水剂对土壤水分特征曲线的影响

通常利用土壤水分特征曲线表征土壤水吸力和土壤含水量之间的关系，土壤持水能力通过曲线高低表示(即a值大小)[16-17]。黄土中添加斥水剂养护10 d后，用环刀取样并利用自然蒸发法测定土壤水分特征曲线，然后利用Gardner模型进行拟合(经验方程θ=aS-b)，拟合方程和参数如表3所示。研究表明[5]a值可以反映土壤持水能力的强弱，b值反映土壤水势降低的快慢。

从表3可以看出，不同含水率条件下，土壤水吸力和含水率之间均符合Gardner模型关系，与黄土中是否添加斥水剂无关，相关系数均达到极显著水平(P<0.01)。

表3 土壤水分特征曲线拟合参数

不同含水率条件下，各处理a值总体小于对照组(CK)a值。当土壤含水率为10%时，a值随着斥水剂含量的增加而逐渐减小，但是，当斥水剂含量为3%时，a值增大；当土壤含水率为15%、20%和25%条件下，斥水剂含量在1%～2.5%范围内时，a值随着斥水剂含量的增大逐渐减小，当斥水剂含量大于2.5%时，a值会逐渐增大。添加斥水剂能够降低黄土的持水能力，但随着斥水剂含量的增加先减小后增大。当斥水剂含量为1%～2.5%时，由于斥水剂的斥水作用引起土壤吸水能力下降，同时土壤孔隙水、毛管水含量降低，从而导致黄土持水能力下降；当斥水剂含量超过2.5%后，土壤中膜状水开始流失，土壤过于干燥最终土壤持水能力逐渐增强。

土壤含水率与水吸力之间均符合Gardner模型关系，当土壤水吸力较低时，各处理土壤水分特征曲线比较陡直，表明土壤水分下降速率较快，但是，当土壤水吸力逐渐增大曲线变化逐渐趋于平缓，随土壤水吸力增大土壤含水量逐渐降低。

从a值变化情况可以看出(见表3)，土壤中添加斥水剂后，曲线斜率绝对值总体比对照组小(土壤流失水分的能力对照组低)。说明在黄土中添加一定量的斥水剂后，会对湿陷性黄土的持水能力造成一定的影响。通过对土壤水分特征曲线分析可知，在土壤含水率相同条件下，土壤持水能力随着斥水剂含量的增加先减小后增加，即a值先减小后增大，当添加1%～2.5%的斥水剂时，土壤持水能力随斥水剂含量增加逐渐降低，当斥水剂含量大于2.5%时，土壤持水能力逐渐增大。当土壤水吸力相同时，土壤含水率越大土壤水分饱和度越大，水分特征曲线变化越平缓，说明随土壤含水率的增大土壤水分特征曲线变化越平缓。

2.2 斥水剂对土壤比水容重的影响

土壤水分特征曲线只能反映土壤持水能力，可以通过土壤比水容量C(θ)(表达式为：来表示土壤水分有效性，比水容量表示土壤可释放或储存水量能力的强弱，是指单位基质势变化所引起的土壤含水率的变化，其值为土壤水分特征曲线斜率，可以通过水分特征曲线方程计算。土壤供水能力一般由a×b值和(b+1)值综合决定，土壤失水速度有b+1表示。a×b值越大土壤耐旱性能越强；(b+1)值越大土壤失水越快(比水容量变化越大)[5]。

从表3中可以看出，当黄土中添加斥水剂后各处理的供水能力(a×b)均小于对照组，但是当斥水剂含量为2.5%时，相比对照组其他处理间差异显著性不明显；在不同含水率条件下，土壤供水能力随斥水剂含量增加现减小后增大，但土壤失水速度变化与对照组差异不大。说明黄土中添加1%～2.5%的斥水剂后降低了土壤的供水能力。

图1为斥水剂含量对黄土比水容重的影响。图1(a)为土壤含水率为15%时，斥水剂含量对比水容重的影响，从图1(a)中可以看出，添加斥水剂后，各处理土壤比水容重大于对照组，当土壤水吸力小于4 MPa时，各处理间差异明显，随着土壤吸力的增大，各处理间的差异逐渐变小；当土壤水吸力相同时，比水容重随斥水剂含量的增加先增大后减小。当斥水剂含量为2.5%时，比水容重整体高于其他处理。在不同含水率条件下，斥水剂含量对黄土比水容重的影响变化规律相同，都随斥水剂含量的增加先增大后减小，当斥水剂含量为2.5%时对土壤比水容重影响最大。

图1(b)为斥水剂含量为1.5%时，土壤含水率对比水容重的影响为例进行分析。图1(b)和图1(a)的变化趋势基本相同，当土壤水吸力相同时，比水容重随土壤含水率的升高先增大后减小。当土壤含水率为20%时，比水容重达到最大。黄土中添加斥水剂降低了土壤的供水能力，土壤供水能力随斥水剂含量、含水率的增加先增大后减小，当斥水剂含量为2.5%、土壤含水率为20%时，对黄土供水能力的影响最大(其供水能力最强)。

(a)斥水剂含量对比水容重的影响

2.3 斥水剂对黄土饱和导水率的影响

通过土壤饱和导水率可以反映土壤入渗性能、土壤透气性和溶质迁移性能。土壤饱和导水率主要受土壤颗粒组成、有机质含量等的影响。研究斥水剂对土壤饱和导水率的影响对湿陷性黄土地区的生态环境防护具有重要意义。土壤饱和导水率利用定水头法测定(养护10 d)。斥水剂含量对土壤饱和导水率的影响见图2所示。

从图2可以看出，不同处理条件下，土壤饱和导水率在0.21～0.52 mm/min范围内。当土壤含水率相同时，土壤饱和含水率随斥水剂含量增加表现为减小先后增大的变化趋势。斥水剂含量小于2.5%时，饱和导水率随斥水剂含量的增加逐渐减小，斥水剂含量为2.5%时，土壤饱和导水率达到最小，当斥水剂含量对2.5%后饱和导水率会逐渐增大；各处理条件下，其饱和导水率均低于对照组(CK)，且差异显著(P<0.05)。有前面分析可知，随斥水剂含量增加土壤持水能力先减小后增大，当土壤水持水能力下降时其饱和导水率下降。饱和导水率土壤水持水能力的增加而增加。随当斥水剂含量相同时，土壤含水率对饱和含水率的影响也表现为随含水率增大先减小后增大的变化趋势，当含水率为20%时，土壤饱和导水率最小。土壤饱和导水率随着斥水剂含量、含水率的增加先增加后降低，当斥水剂含量为2.5%、含水率为20%时土壤饱和导水率最小。

图2 斥水剂对土壤饱和导水率的影响

2.4 斥水剂对土壤水分累积蒸发量的影响

图3为添加斥水剂后对土壤水分累积蒸发量的影响。通过计算不同时段黄土的蒸发量，可以得到不同时段黄土水分累积蒸发量。从图中可以看出，在不同含水率条件下，添加斥水剂土壤累积蒸发量随时间变化规律和对照组相同，斥水剂并不会改变黄土的蒸发规律，但是各处理土壤累积蒸发量均高于对照组，添加斥水剂会加快黄土水分蒸发。不同处理条件下，在前20 h内黄土蒸发速度较快，蒸发时间大于20 h后，黄土蒸发速度逐渐变小。不同斥水剂含量处理下，各处理间黄土累积蒸发量差异不显著；当斥水剂含量为2.5%时，黄土累积蒸发量最大。斥水剂含量相同时，黄土累积蒸发量随含水率的增加先增大后减小，黄土含水率为25%时累积蒸发量最大，不同含水率处理间土壤累积蒸发量变化规律不显著。