充填結構包氣帶水分運動參數試驗研究

何曉文，許光泉，李青青

(1.淮南聯合大學化學工程系，安徽 淮南 232038;2.安徽理工大學地球與環境學院，安徽 淮南 232001)

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土壤、粉煤灰、煤矸石均取自淮南煤礦塌陷復墾區，0～50 cm為土壤層，50 cm以下為粉煤灰或煤矸石充填層。在樣品采集過程中，利用直徑為50 mm、高50 mm的環刀取不同深度的土壤、粉煤灰、煤矸石，測定不同剖面物質的容重，見表1、表2。樣品自然風干后，經過孔徑為4.5 mm的篩網，選用粒徑小于4.5 mm的土壤、煤矸石，然后備用;粉煤灰粒徑小于1 mm，不需篩選。試驗前需去除土壤樣品中的草葉、樹根、石子等雜物，然后破碎、研磨、篩分后備用。

表1 不同深度土壤－粉煤灰充填結構包氣帶容重

表2 不同深度土壤－煤矸石充填結構包氣帶容重

1.2 試驗方法

根據野外采樣測定的實際容重，將土壤、粉煤灰、煤矸石裝填至相應的容重狀態，并采用吸力平板法標定三種物質的含水率與吸力的關系，并采用最小二乘法擬合獲得水分特征曲線;利用非飽和導水率儀測定土壤和充填物質的非飽和導水率;并根據相應的數學方法計算其容水度和水分擴散度。

2 充填結構包氣帶水分運動參數的測定

2.1 水分特征曲線

2.1.1 試驗原理

吸力平板是由一定粒度的石英砂或高嶺土壓實制成的，平板內存在的微小孔隙具有較強的持水性能。在平板下部施加小于最大孔隙的毛細管力的吸力時，水分能夠通過孔隙通過平板，空氣則被阻隔不能通過。若吸力平板上放置飽和的試樣，試樣孔隙中的一部分水分通過吸力平板向下滲流，直到試樣的持水力與吸力相等時，達到平衡。逐漸增大吸力，記錄每次施加的吸力值，并稱量每次達到平衡時試樣的重量，即可得到一系列待測物質吸力值與含水量的對應值，繪制水分特征曲線，試驗裝置見圖1、圖2。

2.1.2 試驗結果

從 2011年 8月25日至2011年9月30日，歷時35 d，利用石英砂吸力平板及高嶺土吸力平板標定了不同容重的土壤、粉煤灰、煤矸石樣品的水分特征曲線，如圖 3、4、5所示。同時，選用Ven Genuchten經驗模型(式1)進行數值計算，由于計算量較大，采用迭代法對參數進行求解，并獲得滿足精度要求的參數和水分特征曲線方程，見表3。

圖1 石英砂吸力平板裝置

圖2 高嶺土吸力平板裝置

式中:θ為土壤體積含水量(cm3/cm3);θr為殘余含水量，(cm3/cm3);θs為飽和含水率，(cm3/cm3);h為壓力水頭(cm);α為進氣值的倒數，水分特征方程曲線的形狀參數;n為孔徑分布指數，水分特征曲線的形狀參數，。

表3及圖3、4、5表明:土壤、粉煤灰、煤矸石的水分特征曲線與擬合曲線均具有較好的相關性;由于三種物質的質地、結構等不同，其水分特征曲線的差異性較顯著;而容重對土壤和充填物質的影響效果并不明顯，同一物質不同容重的水分特征曲線相近。

表3 充填結構包氣帶水分運動模型參數取值

圖3 土壤水分特征曲線

圖4 粉煤灰水分特征曲線

圖5 煤矸石水分特征曲線

2.2 非飽和導水率

2.2.1 試驗原理

非飽和導水率是含水率或基質勢的非線性函數，根據公式(2)計算。試驗裝置(見圖6)的一端封閉，作為密封面，另一端面上分布有均勻的小孔，作為蒸發面。蒸發面的有孔蓋用以控制蒸發速率，使蒸發保持相對穩定，存在于土壤、粉煤灰、煤矸石的孔隙中的水分從密封面向蒸發面流動。

式(2)中:K為導水率，cm/h;ΔW為兩次稱重差，g;L為兩個張力計之間的距離，cm;Δt為兩次測量的時間間隔，h;=(y1+y2)/2，y1、y2為第一次、第二次測量時兩張力計吸力差，cmH20;A為環刀的截面面積。為兩次測量的平均吸力，cmH20

非飽和導水率K值相對應的吸力值S為:

式(3)中:Sai、Sai+1為為一個張力計兩次測得的吸力值，cmH20;Sbi、Sbi+1為為另一個張力計兩次測得的吸力值，cmH20;H為張力計陶土頭中心至傳感器咀的距離，cm。

圖6 非飽和導水率測定裝置

2.2.2 試驗結果

利用以上試驗裝置得到的不同容重的土壤、粉煤灰、煤矸石的非飽和導水率曲線見圖7、8、9。并且采用 Ven Genuchten經驗模型(式4)，通過有限差分法進行計算，擬合獲得非飽和導水率與吸力的關系曲線以及特征方程，其中，土壤、粉煤灰、煤矸石的非飽和導水率曲線方程分別為:K(θ)=0.590 2－0.1192、K(θ )= 317 6. 12－0.8353、K(θ )=0.038 2－0.1312。

試驗結果表明:采用最小二乘法對非飽和導水率曲線進行非線性擬合，R2值在0.9以上，擬合效果較好;土壤、粉煤灰、煤矸石的非飽和導水性能差別很大，三種物質的非飽和導水率從大到小依次為:粉煤灰 ＞煤矸石 ＞土壤;而容重對非飽和導水率的影響依然不顯著。

圖7 土壤非飽和導水率曲線

圖8 粉煤灰非飽和導水率曲線

圖9 煤矸石非飽和導水率曲線

2.3 容水度

2.3.1 試驗原理

容水度是水分特征曲線上任一含水率 θ的斜率，根據試驗得到的土壤、粉煤灰、煤矸石水分特征曲線，并對擬合得到的特征方程求導，計算出容水度C(θ)。

式中:θ(見表3)為土壤、粉煤灰、煤矸石的水分特征曲線方程。根據式(5)推導出土壤、粉煤灰、煤矸石的容水度曲線方程分別為:C(θ)= － 0.000 25θ－13.72、C(θ)= － 0.10.74θ－4.588、C(θ)= － 0.023θ－9.89。

2.3.2 試驗結果

如表4所示，土壤、粉煤灰、煤矸石的容水度差別較大。當含水率小于0.4 cm3/cm3時，容水能力為煤矸石最強，土壤次之，粉煤灰的容水性能最弱;當含水率在 0.4～0.6 cm3/cm3之間時，煤矸石的容水能力仍為最強，但粉煤灰次之，土壤的容水性能最弱;而當含水率在0.6 cm3/cm3以上時，容水能力為粉煤灰最強，煤矸石次之，土壤的容水性能仍最弱，甚至接近于零。

表4 充填結構包氣帶物質的容水度

2.4 水分擴散度

2.4.1 試驗原理

水分擴散度是在不計重力影響的條件下，水流通量與含水量梯度的比值，亦即單位含水量梯度下的土壤水流通量。不飽和土壤水的擴散度是非飽和導水度K(θ)和比水容重 C(θ)的比值:

2.4.2 試驗結果

由式(6)計算得土壤、粉煤灰、煤矸石的水分擴散率特征方程分別為:D(θ)=236 0.8θ13.6、D(θ)=295.73θ3.7527、D(θ)=1.66θ9.7588，三種物質在不同含水率條件下的水分擴散度見表5。

表5 充填結構包氣帶物質的水分擴散度

表5表明:土壤、粉煤灰、煤矸石的水分擴散度相差極大。當含水率小于0.3 cm3/cm3時，水分擴散度由大到小依次為:粉煤灰 ＞煤矸石 ＞土壤;當含水率在 0.3～0.8 cm3/cm3之間時，水分擴散度由大到小依次為:粉煤灰 ＞土壤＞煤矸石;當含水率大于0.8 cm3/cm3時，水分擴散度由大到小依次為:土壤 ＞粉煤灰 ＞煤矸石。其次，隨含水率逐漸增大，水分擴散度也逐漸增大。

3 結語

以粘質土壤、粉煤灰、煤矸石為研究對象，通過室內試驗分別測定了三種物質的水分特征曲線和非飽和導水率，并采用Ven Genuchten模型進行數值計算，推算出容水度、水分擴散度方程。結果表明，同一物質在不同容重條件下的水分特征曲線差別不大;非飽和導水率與吸力呈冪函數關系，并隨著吸力值的增大而減小;在相同吸力下三種物質的容水度大小大致為:煤矸石＞粉煤灰＞土壤;在非飽和條件下，水分擴散率的大小基本為:粉煤灰 ＞土壤 ＞煤矸石。此外，通過對比實測值與計算值，二者的吻合程度較高，表明Ven Genuchten模型適用于粉煤灰、煤矸石的水分運動參數求取。

［1］雷志棟，楊詩秀，謝森傳.土壤水動力學［M］.北京:清華大學出版社.1988:158～162.

［2］Rawls W.J.，Gish T.J.，Brankensiek D.L.1991. Estimating soil water retention from soil physical properties and characteristics.Adv Soil Sic，16:213～234.

［3］Ven Genuchten MTH，Lei ji FJ.1992.Indirect Methods for estimating the hydraulic Properties of Unsaturated Soil.California:University of California Press:1～14.

［4］雷志棟，胡和平，楊詩秀.土壤水科學研究進展與評述［J］.水科學進展.1999，3(10):311 ～318.

［5］邵愛軍，沈榮開.一種確定原狀土壤非飽和水力傳導度的方法［J］.土壤學報.2000，(3):419 ～423.

［6］池寶亮，黃學芳，張冬梅等.點源地下滴灌土壤水分運動數值模擬及驗證［J］.農業工程學報.2005，21(3):56～59.

［7］程竹華，張佳寶，徐紹輝.黃維海平原三種土壤中優勢流現象的試驗研究［J］.土壤學報.1999，36(2):154～161.

［8］劉思義，梁國慶，邢文剛等.粘土夾層土壤結構水分運動的實驗研究［J］.土壤學報.1992，29(l):109 ～112.

［9］付微，邵明安，黃明斌.神府東勝煤田復墾區土壤入滲特性的試驗研究［J］.水土保持學報.2008，22(3):14～17.

［10］溫明霞，邵明安，周蓓蓓.馬家塔露天煤礦不同土地利用類型的土壤水分入滲過程研究［J］.水土保持研究.2009，16(4):170～179.

［11］王輝，韓寶平，卞正富.充填復墾土壤水分豎直運動模擬研究［J］.中國礦業大學學報.2007，36(5):690 ～695.

［12］楊建鋒，李慶寶等.地下水潛埋區土壤水分運動參數田間測定方法探討［J］.水文地質與工程地質.2000，1(1):1～3.

［13］劉福漢，王遵親.潛水蒸發條件下不同質地剖面的土壤水分運動［J］.土壤學報.1993，30(2):173～180.

［14］邱勝彬，張江輝.淺析土壤質地和結構對潛水蒸發的影響［J］.水土保持學報.1996，3(3):30 ～41.

［15］呂春娟，路瓊.礦區復墾植被土壤涵養水源功能的研究［J］.水土保持學報.2009，23(3):184 ～188.

［16］董加瑞，王昂生.毛細作用下土壤水分擴散特性研究及試驗［J］.北京大學學報(自然科學版).1998，34(1):50 ～57.