冻结作用下砂土水盐运移规律试验研究

2023-12-26王冠华刘睿姝陈寒冰

黑龙江大学工程学报 2023年4期

王冠华，陈末，*，刘睿姝，陈寒冰

(黑龙江大学 a.水利电力学院；b.寒区地下水研究所，哈尔滨 150080)

0 引言

据统计，目前全球永久冻土面积占陆地总面积20%以上，冻土区有着丰富的各种资源，推动人类社会进步发展，但随着在冻土区人类活动日益增加，给冻土区生态造成了威胁[1-3]。总体来说，冻土区与人类社会和经济活动的联系日益密切，但其自身面临的环境压力也在增大。在此背景下，研究冻土中水分、热量和溶质的迁移转化规律，将有助于人们更加合理地开发利用冻土区，对修复维护冻土区环境，实现冻土区在自然、社会和经济的可持续发展起着重要的作用。

诸多学者对溶质在冻融过程中的迁移进行了研究[4-9]，王维真等[10-11]对冻融过程中水、盐运移特性进行了研究。李潇瀚等[12]发现，在受到冻结后土壤中的盐分重新分布，形成了新的固-液-气组合状态。徐学祖等[13]认为冻结深度以下土中盐分在冻结过程中随水分自下而上迁移，并在冰晶体两侧形成一个高浓度带，冻土侧的溶质随未冻水向温度低的一侧移动，而未冻土侧的溶质在浓度梯度的作用下向水分迁移相反方向扩散，造成未冻土上端的含盐量高于平均浓度。Shang J Q等[14]通过室内试验发现，100～750 MHz 频率段的介电常数和土壤电导率可有效地反映金属离子的运移趋势，由土壤溶液的电导率可精确推算土壤溶液的盐分浓度。孙玉龙等[15]利用TDR技术研究了非饱和灌溉下沙壤土溶质浓度变化。Bing H等[16]研究了冻结条件下土壤中水分、溶质的分布，分析了初始含水率对水分和溶质再分布的影响。Watanabe K等[17-18]对冻土中未冻结水量进行了研究，发现溶质主要附在未冻结水中，并随着水分发生相应的迁移。

实验通过TDR传感器测定土壤水分、温度和电导率并推算土壤溶质浓度，在该基础上控制土壤的初始含水率、冻结温度进行室内土柱冻结试验，开展了含盐砂土冻结过程中溶质的迁移试验研究，旨在为寒区盐渍化防治、修复维护冻土区环境等提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 土样

试验土样于9月取自哈尔滨市黑龙江大学呼兰校区。土壤运至实验室后，在室温(20 ℃)下测试土壤的基本物理性质，并获得土壤的基本物理指标。将一部分土壤干燥并分组，对土壤样品进行了基本土壤粒度测试，使用马尔文粒度分析仪重复测量粒度，表明为细砂和粉土(表1)。

表1 土壤基本物理指标

1.2 装置

采用NX-05AS制冷机对实验土柱进行冷冻。冻结装置见图1，冻结装置由有机玻璃制成，总长60 cm，每隔10 cm插入TDR水分探头与温度传感器(图2)。

图1 冻结装置Fig.1 Freezing device

图2 传感器位置示意图Fig.2 Schematic diagram of sensor location

1.3 数据采集

使用VMS-3000-XZJ100-Y环境监测主机和传感器进行数据采集，通过RS485接口上传到监控云平台，实现数据可视化、Excel导出和编辑。该过程包括传感器与数据采集设备的连接、传感器的调试以及监控主机的基本数据参数设置，包括设备搜索链接、网络参数设置和基本通道参数设置。

1.4 实验设计

为了研究冻结状态下土壤中水分和溶质的迁移及土壤初始含水率、冻结温度对迁移的影响，实验共采用12组土样，具体实验条件见表2。

表2 实验条件

1.5 溶液浓度的标定

为了利用TDR传感器所测的温度和电导率来推算溶质浓度，进行了一系列标定试验，标定试验结果见图3。

由图3可见，电导率、浓度和温度3个变量中浓度和温度对电导率存在影响，而浓度与温度间相互独立。可以分成两部分：浓度—电导率、温度—电导率进行相关性检验，检验结果显示浓度、温度和电导率存在显著性相关关系，可进一步做拟合曲线进行回归分析，建立线性回归模型为

Z=aC+bT+c

(1)

式中：Z为电导率；C为浓度；T为温度；a，b，c为线性函数参数。

对线性模型进行拟合，经5次迭代后，模型达到收敛标准，确定了电导率和溶质浓度、温度的对应关系为

Z=62.816C+0.295T+0.74

(2)

2 水分场运移规律分析

2.1 未冻场水分迁移

对土样进行冻结一定时间后，土样可以分为冻结与未冻两个区域。在冻结初期，样品在10 cm处含水率快速下降，随着时间推进含水率下降趋势减缓后渐渐趋于稳定，即使经过160 h冻结，在冻结区域也有一部分液态水存在。这是由于在冻结初期土壤中的液态水快速冷冻凝结成冰，造成冻结区域含水率迅速降低，但随着冻结逐渐深入冻结区域的液态水却不完全消失。在1921年，Bouyoucos G J[19]发现，冻土中的水分不会全部凝结成冰，即使在冻结温度-78 ℃下，也有部分液态水存在于土壤的微小孔隙中[20]，土壤在未冻结时，各深度含水率基本保持一致；随着冻结开始，土壤冻结锋面开始移动，当冻结时间达到20 h时，冻结锋面处于不稳定状态并且在处于逐渐下移中，同时因为水分的冻结，土壤在10 cm深度含水率下降的很快；当冻结时间为80 h时，此时冻结锋面基本达到稳定状态，在土壤10 cm深处，由于在冻结过程中未冻区的水分逐渐向冻结锋面和冻结区迁移，含水率没有发生很大的改变，在20 cm以下的土壤，含水率还在逐步降低，原因是在非稳态冻结锋面变化过程中，未冻结区域的水分逐渐向冻结区域迁移，其自身水分没有得到补充(图4)。

2.2 初始含水率对未冻水场的影响

通过控制初始含水率进行实验，在不同初含水率条件下土样中各深度未冻场含水率见图5。随着初始含水率的增长，各样品在10 cm处达到稳定含水率的时间大致相同，但在含水率变化率上差距很大。当样品初始含水率分别为12%、22%、32%，土样含水率在10 cm处经过冻融后达到的稳定含水率分别为5.7%、5.6%、6.5%，变化率分别为52.5%、74.5%、80%；在20 cm处土样含水率变化规律也大致相同。由此可见，冻结土样未冻水含量的变化率随着土壤初始含水率增长而增长。当初始含水率分别为12%、22%、32%时，冻结锋面稳定时分别下降到15.8 cm、19.3 cm、21.2 cm处(表3)，可见随着初始含水率的增大，冻融锋面逐渐下移。吴礼舟等[21]探究了冻土中影响冻结锋面移动的因素，在影响温度分布及其冻结锋面移动速度的因素中，含水率影响最大，干密度次之，土的类型影响最小，含水率对冻胀量的影响非常显著，含水率越大，冻胀量越大。

图5 不同初始含水率水分变化Fig.5 Moisture change diagram of different initial water content

表3 冻结锋面位置

2.3 冻结温度对未冻水场的影响

通过控制冻结温度进行实验，在不同冻结温度条件下土样中各深度含水率见图6。冻结温度分别为

图6 不同冻结温度水分变化Fig.6 Moisture change diagram at different freezing temperatures

-20 ℃、-25 ℃、-35 ℃时，土壤在10 cm处经冻结到达的稳定含水率分别6.38%、8.5%、3.7%，变化率分别为61.6%、70.1%、83%，随着冻结温度的降低，土样在10 cm处与在20 cm处在冻融后达到的稳定含水率逐渐趋近，冻结锋面随着冻结温度的降低下移并在冻结温度为-35 ℃时，降到20 cm以下，此时土样在10 cm处经冻融后达到的稳定含水率与在20 cm处几乎相同。

由图6可见，冻结土样未冻水含量的变化率随着冻结温度的降低而增长；在冻结区越靠近冷端含水率变化越快，到达稳定含水率所需时间越少。

3 溶质运移规律及分析

3.1 溶质迁移

冻结温度为-20℃含水率为22%的条件下土样NaCl浓度随时间变化见图7。由图7可见，在10 cm处，土样NaCl浓度溶质经过20、40、60、80 h冻融后分别达到0.28、0.345、0.42、0.52 mol·L-1，冻结时间为20 h时，在10 cm处土样NaCl浓度增长近40%，增长的速度很快，这是因为此处靠近冷端，在冻结初始液态水快速凝结成冰，使得土样NaCl浓度在冻结时间为20 h时得到了快速增长；在20 cm处，冻结时间为20 h时，土样NaCl浓度是0.12 mol·L-1，此时溶质浓度小于初始浓度，当冻结时间达到40 h时，土样NaCl浓度大于初始浓度，并且随着冻结时间的增长，NaCl浓度持续增长，原因是在冻结初期该处的水分带着溶质不断向20 cm以上冻融锋面及冻结区域进行迁移，但随着冻融时间的增长冻融锋面不断向下移动，该处获得来自未冻区域溶质的补给导致溶质浓度的增长；在30 cm及以下深度的未冻区，土样NaCl浓度随着冻结时间增长逐渐降低，随着冻结锋面的移动，溶质跟着水分由未冻区不断向冻结区迁移，造成了溶质自下向上进行迁移从而使冻结区的溶质浓度大于未冻区的溶质浓度；在冻土层及冻结锋面附近溶质浓度随着深度的增加而减小，而在未冻区域溶质浓度随着深度的变化则没有表现出明显的溶质分布梯度。在冻土层内部，随着冻结时间的增加，溶质的浓度也逐渐增长，但是增长的速度逐渐变缓，在未冻区域，各深处的溶质浓度缓缓降低，且几乎同步变化，保持一个较小的、几乎恒定的溶质浓度梯度。

3.2 初始含水率和冻结温度对溶质迁移的影响

不同初始含水率下冻结时间为80 h时土样NaCl浓度随时间变化见图8。由图8可见，随着初始含水率增加，冻土层NaCl浓度也增加，更多的水分补给导致更多溶质向冻土层迁移；在实验过程中，随着含水率增加有时出现在冻结区域上端溶质浓度先减小又增加的情况，土样在高含水率NaCl浓度随冻结时间变化见图9。由图9可见，该组土样是在冻结温度-25 ℃，初始含水率42%实验条件下进行。这是因为初始含水率的增加在一定程度上能减小土壤冻结速率，当含水率过大，此时的冻结温度不足以快速冻结靠近冷端的土壤时，较慢的冻结速率为溶质向下迁移提供了时间，这时由于势能的作用，土壤中溶质会伴随水分向下迁移，但随着冻结的深入溶质因为势能的原因向下迁移减少，而且含水率的增长，也使得更多的水分迁移携带更多的溶质迁移进入冻土层，导致最终NaCl迁移量会因为含水率的增加而增加；不同初始含水率下冻结时间为80 h时土样NaCl浓度随时间变化见图10，冻结温度的降低也增加NaCl溶质迁移量。