潜水矿化度对毛细水上升高度的制约特征研究

刘佩贵,李 勇,尚熳廷,潘继隆

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

地下水矿化度是影响一个地区特别是干旱区生态系统健康的重要限制因素。地下水系统中的水分通过潜水蒸发进入毛细管输送[1],矿化度过高,地下水中无机盐易上升到土壤与植物根系中,堵塞土壤中毛细管道,引发土壤盐渍化与植被衰败枯萎[2-4]。文献[5-6]通过室内试验开展了不同矿化度潜水的粉质黏土与砂性土毛细水上升试验,表明不同粒径分布条件下控制毛细水上升的主要因素不同,同时盐离子随着高盐度潜水进入包气带土壤,导致土壤结构发生改变。毛细水上升高度计算方面,文献[7]假定土体建立理想毛管模型,推导出土体内毛细水上升高度预测公式;文献[8-9]采用参数方程计算毛细水上升高度,研究周期性水位波动对毛细带水分分布的影响。已有的相关研究成果提高了毛细水上升高度计算结果的精度,为深刻揭示或探究干旱地区或干旱年份毛细水上升规律以及与植物生长[10]、土面蒸发[11]、土壤盐渍化[12]等的关系提供了有力的科学依据。但影响毛细水上升规律的因素较多,如土壤结构[13-16]、土壤类型[17-18]、水盐含量[19-20]、压实度[21]、地下水埋深[22-23]、气象因素[24]等,现有的研究大多集中在单一类型的土壤,且基本未考虑试验过程中毛细水上升速率的变化。为此本文通过构建毛细水上升物理试验装置,开展不同矿化度、不同土壤类型下的毛细水上升试验,探讨矿化度对不同粒径土壤类型毛细水上升高度的影响机制,剖析试验初期与全试验周期毛细水上升速率变化特征,为科学确定地下水生态水位、有效治理土壤盐渍化问题提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验装置

为研究矿化度对砂性土与砂质壤土的毛细水上升规律的影响,本试验设计了一套室内土柱模拟装置,如图1所示。装置主体由亚克力管、刻度尺、盛水托盘、补水装置、支架组成,亚克力管长1 500 mm,内径50 mm,厚度3 mm;试验时土柱垂直插入盛水托盘中,并按设定时间记录数据。

图1 试验装置

试验期间随着土柱内毛细水上升高度的增加,托盘内的水位将会降低,为保证潜水水位埋深恒定不变,根据水量连通原理设计了一个补水装置。将550 g/L补水瓶进行改装(补水瓶的容积大于盛水托盘水量的消耗量),瓶口开一个30°的缺口,深度在15 mm左右,装满水后倒扣在盛水托盘水面上,并固定在支架上,在一个大气压作用下瓶口与液面齐平。若盛水托盘中水位下降,则补水瓶中的水在重力作用下自由补充到盛水托盘中,等托盘中液面回到原来高度,瓶口与液面空隙被封闭,补水停止。

1.2 试验方案与方法

本试验重在探讨不同土壤类型下矿化度对毛细水上升高度的影响,为了便于比对分析试验结果,在合肥工业大学土壤实验室进行了土柱模拟试验,试验土样分别经取样、烘干、筛分后,选取中砂、细砂、粉砂、砂质壤土4种均质试验材料。

根据美国农业部土壤质地划分标准,砂质壤土的颗粒组成分别为砂粒70%、粉粒20%和黏粒10%。所有试验均在自然环境下进行,室温25 ℃左右。

结合前期开展的多次对比试验,得到淡水与微咸水、咸水在毛细水上升高度及规律总体上差别微小,为提高数据分析的合理性和可靠度,本次在确定矿化度时选取了盐水和卤水,淡水作为对照试验。

根据文献[25],采用NaCl分别配制矿化度为0.8、15.0、50.0 g/L 3个不同大小的地下水溶液,与土壤类型组合,本次共设置12组试验对比方案,试验方案和参数见表1所列。

表1 试验方案及参数

采用分层装填方案装填试验柱,装填前称量试验柱质量,装填时每隔25 cm进行一次压实,压实采用压实锤按照砂性土与砂质壤土天然密度进行锤实,装填深度合计100 cm,共进行4次压实,装填完成后再称质量,验算装入土样质量后计算密度是否符合要求,若符合,则静置12 h再启用。

试验开始前先将所有试验柱固定,再将盛水托盘从底部抬升至浸没试验柱9 cm,随后固定补水瓶,当浸没试验柱内土壤含水率达到饱和,土壤

水上升至盛水托盘液面时开始计时。前30 min内每隔1 min读取均匀布设在试验柱外壁的3条刻度尺高度数据;30～60 min每隔5 min记录1组数据;1～12 h每隔1 h记录1组数据;24～72 h每隔24 h记录1组数据。取3条刻度尺数据的平均值,平均值减去浸没深度即为该时刻毛细水上升高度。

2 结果与分析

试验期间对土的粒度与矿物成分、水溶液化学成分及浓度、压实度、温度、渗透系数等影响因子进行统一性控制。同时,为了排除试验随机因素影响,试验过程中随机选了中砂0.8 g/L组进行重复试验。试验结果表明该组重复试验结果良好,偏差较小,随机影响效果不显著,认为本试验数据是可靠的。

2.1 相同粒径不同矿化度毛细水上升差异

根据试验观测数据得到了3个不同潜水矿化度下,中砂、细砂、粉砂、砂质壤土的毛细水上升高度,如图2所示。

图2 各试验组毛细水上升高度曲线

从图2a可以看出，矿化度为0.8、15.0、50.0 g/L时,中砂组1 min毛细水上升高度分别为4.1、4.1、3.5 cm;最大毛细上升高度(hmax)分别为32.5、31.3、30.2 cm,矿化度为50.0 g/L时毛细水上升速率减缓,最大毛细上升高度也较矿化度为0.8 g/L时减小了2.3 cm,毛细上升高度减小幅度达7.1%。

从图2b可以看出,细砂组1 min毛细水上升高度分别为4.0、4.7、4.7 cm;hmax分别为50.4、48.6、48.7 cm。矿化度由15.0 g/L增大至50.0 g/L,矿化度增大了3.33倍,而1 min内的毛细水上升速率和hmax增加幅度不明显,但与矿化度为0.8 g/L相比,hmax分别降低了1.8、1.7 cm,降低幅度为3.5%、3.4%。对比中砂组,1 min内上升速率增加。

从图2c可以看出,粉砂组1 min毛细水上升高度分别为1.1、1.2、0.9 cm;hmax分别为72.3、76.4、76.0 cm。矿化度为15.0、50.0 g/L的hmax较矿化度为0.8 g/L时分别增加了4.1、3.7 cm,增加幅度分别达5.7%、5.1%。

从图2d可以看出,砂质壤土组1 min毛细水上升高度分别为0.2、0.2、0 cm,hmax分别为59.0、60.2、58.6 cm,毛细水上升高度变化规律与粉砂组相似,均表现为随着矿化度的升高,最大毛细水上升高度呈先增大后降低的现象。统计相同粒径不同矿化度的毛细水上升高度，见表2所列。

中砂矿化度越高,1 min内上升高度越小,hmax越小;细砂的hmax受矿化度制约特征与中砂具有相似性,但随着粒径变小,在1 min内的上升速率变化出现矿化度升高,上升速率增加的特点,同时15.0 g/L与50.0 g/L在hmax上接近重合;对于粉砂与砂质壤土,矿化度升高,1 min内毛细水上升速率较小,hmax随着矿化度升高先增大后降低。以上试验结果表明,矿化度对毛细水上升的速率与高度均存在明显制约作用,这种制约作用是通过改变土壤具有的水势实现的。

表2 不同矿化度毛细水上升高度 单位:cm

对试验数据进行拟合得到,砂性土与砂质壤土的毛细水上升高度h与时间t在72 h全试验周期内均呈对数函数关系,见表3所列。已有的研究成果中多用幂函数(h=atb)来刻画[5,26-27],但本试验采用三参数对数函数拟合R2均在0.98以上,拟合精度较高。以矿化度为0.8 g/L的细砂组为例,幂函数与对数函数拟合结果如图3所示,1 h时对数函数与幂函数拟合的残差分别为0.041、-1.530;48 h时残差分别为-0.378、-0.799;72 h时残差分别为0.351、-0.452。拟合对比结果表明，对数函数拟合结果在试验前期与后期拟合效果均优于幂函数。

表3 各试验组毛细水上升曲线拟合函数

图3 细砂0.8 g/L组幂函数与对数函数拟合对比

2.2 相同矿化度不同粒径毛细水上升差异

矿化度相同时,不同粒径砂性土与砂质壤土毛细上升曲线如图4所示。从图4可以看出,相同矿化度时,毛细水最大上升高度由大到小依次为粉砂、砂质壤土、细砂、中砂,但不同粒径砂性土与砂质壤土的毛细上升规律呈现不同的特征。矿化度为0.8 g/L时,粉砂、砂质壤土、细砂、中砂的hmax分别为72.3、59.0、50.4、32.5 cm。粉砂、砂质壤土、细砂的hmax与中砂的高度差分别为39.8、26.5、17.9 cm,是中砂毛细水最大上升高度的122.5%、81.5%、55.1%;矿化度增大至15.0 g/L时,粉砂、砂质壤土、细砂、中砂的hmax分别为76.4、60.2、48.6、31.3 cm,粉砂、砂质壤土、细砂的毛细水最大上升高度与中砂的高度差分别为45.1、28.9、17.3 cm,是中砂毛细水最大上升高度的144.1%、92.3%、55.3%;矿化度为50.0 g/L时,粉砂、砂质壤土、细砂、中砂的hmax分别为76.0、58.6、48.7、30.2 cm,粉砂、砂质壤土、细砂的hmax与中砂的高度差分别为45.8、28.4、18.5 cm,是中砂毛细水最大上升高度的151.6%、94.0%、61.3%。综上可以得到,不同粒径的砂性土与砂质壤土在相同矿化度下的最大毛细水上升高度相差较大。

对图4的毛细水上升曲线求一阶导数，得到不同土壤类型的毛细上升速率曲线,取试验前60 min的速率如图5所示。砂性土与砂质壤土的毛细水上升速率变化趋势为先迅速降低、后平缓降低、最终趋于0的特征,但不同粒径的砂性土与砂质壤土亦有其不同点,细砂试验初期的上升速率最快,然后是中砂,这2种粒径的砂性土初期上升速率在2～3 cm/min之间。其次是粉砂,初期上升速率在0.6～1.2 cm/min之间。最后是砂质壤土,初期上升速率在0.2～0.5 cm/min之间。细砂的初期上升速率大于中砂,分析原因可能是由于试验细砂与中砂的粒径相差较小,导致较高的基质势增大了毛细水上升速率,但是中砂的毛细水上升速率衰减较快。粒径越大,砂性土毛细水上升速率衰减越快,速率趋于0的时间最短,砂质壤土中黏粒、粉粒的存在会制约毛细水的上升速率,导致毛细上升速率初期小且速率曲线更为平缓,趋于0的时间更长。

图4 不同土壤类型毛细水上升曲线

图5 不同土壤类型0～60 min毛细水上升速率曲线

矿化度为0.8、15.0、50.0 g/L时,中砂组在试验初期最大毛细水上升速率分别为2.4、2.4、2.7 cm/min,细砂组分别为2.4、2.9、3.3 cm/min。毛细水上升速率变化呈矿化度增大、毛细水初期上升速率随之增大、同时衰减越快的特征。粉砂和砂质壤土由于粒径小、土壤结构复杂,毛细水速率波动变化较大。计算基于粉砂样本总体方差分别为0.058 67、0.077 86、0.047 93,砂质壤土样本总体方差分别为0.008 13、0.006 51、0.006 27。对比各样本方差数据,粉砂的速率波动随着矿化度增大呈先增大、后减小趋势,而砂质壤土速率波动随矿化度增大而减小。

2.3 影响机制分析

土水势包括基质势、重力势、溶质势、温度势、气压势等势能[28-32]。试验柱内的毛细水运动受能量梯度驱使,水分运动速度较小,可忽略动能影响;本试验在室内25 ℃左右的环境中进行,室温影响以及土壤中的温度变化微小,忽略温度、室内气压及土体气压的影响;试验柱内不存在半透膜,溶质势可以忽略。故矿化度对毛细水上升的影响机制分析主要从重力势与基质势2个方面展开[33]。

当土壤类型为中砂时,矿化度对毛细水上升的影响主要表现为重力势的改变。潜水矿化度越大,密度越大,毛细水具有的重力势能就越大,毛细水上升需克服的重力做功就越多。中砂由于粒径相对较大,孔隙率大,毛细水上升过程中克服的阻力相对较小,导致中砂毛细水上升速率初期速率较大,但衰减最快,在矿化度影响下,毛细水最大上升高度减小。

当土壤类型为细砂时,矿化度对毛细水上升的影响表现为重力势和基质势的改变。随着矿化度升高,15.0、50.0 g/L在1 min上升高度相同,比0.8 g/L处高了0.7 cm,这是由于尽管15.0、50.0 g/L处的毛细水重力势能大,但由于试验初期基质势占据主导作用,导致1 min的毛细水上升高度高于0.8 g/L组。但随着毛细水不断上升,重力势逐渐起主导作用,致使试验结束时毛细水最大上升高度低于0.8 g/L。

当土壤类型为粉砂时,1 min上升高度在0.9～1.2 cm之间,上升高度明显低于中砂与细砂组,这是由于所采用的试验砂粒径均为200目、杂质少、纯度高,导致孔隙率小,阻力增大,极小的粒径对毛细水上升产生了阻碍作用。毛细水最大上升高度由大到小依次为15.0、50.0、0.8 g/L,分析原因是由于在此粒径下,随着毛细水上升,盐分在颗粒壁积聚,致使毛细管道直径减小,对毛细水产生了很强的“基质吸力”,基质势高,重力势作用相对降低,表现为矿化度增大至15.0 g/L时毛细水上升高度大于0.8 g/L组。试验结束后,取粉砂样置于高倍显微镜下观察,粉砂不同矿化度取样照片如图6所示。对比图6a、图6b可以看出,0.8 g/L组存在较多孔隙(白色区域),盐分可以通过孔隙向上传输。当矿化度增大至15.0 g/L时,有盐分析出现象,盐分附着在部分孔隙通道表面,减小了孔隙通道直径,此时毛细水基质势增强。矿化度继续增大至50.0 g/L时,析出的盐分增多,从图6c可以看出,土体中部分孔隙通道被盐分完成填满,孔隙被堵塞,重力势增大,毛细水上升高度受到抑制,毛细水上升高度表现出50.0 g/L组小于15.0 g/L组。

图6 粉砂不同矿化度取样照片

当土壤类型为砂质壤土,矿化度为0.8、15.0 g/L时,1 min上升高度均为0.2 cm,50.0 g/L时毛细水上升高度几乎为0,明显低于其他3组砂性土的上升高度,这主要是由于砂质壤土的土壤结构不同于砂性土,存在10%的黏粒与20%的粉粒,导致砂质壤土的透水性变弱,随着毛细水上升,土壤含水率增大,土壤黏结,增大了土壤的不透水性。毛细水最大上升高度由大到小依次为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质势,但重力势的影响随着矿化度升高不断增大,且在后期趋于主导地位。

3 结 论

本文基于室内试验开展了矿化度对毛细水上升规律与制约特征的研究,试验结果表明,矿化度对土壤毛细水上升的高度与速率均存在明显的制约作用,产生制约作用的原因主要是在于不同土壤的重力势、基质势不同。具体表现为粒径越大的土壤,矿化度越高,毛细水上升高度越小,初期上升速率越大,但速率衰减越快;粒径越小、结构更复杂的土壤,毛细水速率波动变化随矿化度的变化而变化。矿化度、土壤粒径与结构对均质砂性土与砂质壤土毛细水上升的影响起主要控制作用。

毛细水上升高度与时间可以用三参数对数函数关系表示,其拟合精度优于幂函数。上升速率方面,砂性土粒径越大,毛细水上升速率衰减越快,速率趋于0的时间最短。同时,砂质壤土中黏粒、粉粒的存在会影响毛细水的上升速率,导致毛细上升速率不仅在初期慢且速率曲线波动较大,趋于0的时间更长。

粒径越小,基质势的作用强,在小粒径范围内存在明显的特征表现。内部孔隙越小,毛细管力越大,毛细润湿峰上移迅速,同样时间间隔内,上升距离较大,且在试验结束时的高度也远远高于大粒径土壤毛细水上升高度;粒径越大,重力势表现更加明显,尤其在试验后期,重力的影响作用不可忽略，本次试验矿化度范围在0.8～50.0 g/L之间,且只选择了3种矿化度试验,根据后续试验和模拟的初步结果,矿化度的影响存在一个阈值,确定阈值大小将是进一步的研究方向。