松嫩平原分散性粘土分布與形成機理研究

龍顯助 戴春勝 孫飚 張洪志

（黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院 黑龍江哈爾濱 150080）

1 簡述

20世紀初期美國水土保持局土壤學者，提出土壤中高鈉離子是產(chǎn)生分散土的主要原因，也是許多建筑物造成沖蝕、管涌事故的根源。30年代中期土壤學文獻提出并承認分散性粘土的概念。直到60年代澳大利亞和美國等國一些土壩由于分散性粘土管涌造成破壞和垮壩，才廣泛的認識到分散性粘土研究的重要性。

我國首次發(fā)現(xiàn)分散性粘土對工程破壞是黑龍江省興建引嫩工程期間，為解決大慶石油工業(yè)生產(chǎn)、生活與農(nóng)田灌溉用水的需要，70年代開始興建北部引嫩、中部引嫩和南部引嫩工程，簡稱“三引”工程。1979年發(fā)現(xiàn)南部引嫩工程的南引水庫17號壩出現(xiàn)雨水淋蝕的洞穴10多處，到1980年淋蝕洞穴已發(fā)展到300多處，直接影響工程的安全。為此，黑龍江省水利勘測設(shè)計院（黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院的前身），組織了分散性粘土研究組，從1981年開始，收集了國內(nèi)外資料，結(jié)合南部引嫩工程的實際，對分散性粘土進行了研究。

本文結(jié)合北部引嫩擴建、中部引嫩和南部引嫩工程近期研究，對松嫩平原分散性粘土的分布及形成機理做進一步的分析。

2 研究區(qū)分散性粘土的分布

研究區(qū)位于黑龍江省西部松嫩平原嫩江干流左側(cè)烏裕爾河、雙陽河、安肇新河與肇蘭新河流域境內(nèi)，行政區(qū)包括富裕、大慶（市區(qū)）、林甸、杜蒙、肇州、肇源、肇東、安達等8個區(qū)縣的全部，訥河、明水、依安、青崗4個縣的部分地區(qū)，幅員面積約4.5萬km2，是國家石油工業(yè)、農(nóng)牧漁生產(chǎn)基地。區(qū)內(nèi)存在干旱、鹽堿、洪澇、風蝕等自然災(zāi)害，由于三引工程的建設(shè)與不斷完善，引、蓄、用與蓄、滯、泄水利工程已形成網(wǎng)絡(luò)體系，改變了60年代中期前自然封閉的狀態(tài)，為擴大引嫩工程發(fā)展灌溉防治土壤鹽漬化創(chuàng)造了條件。

分散性粘土與鹽堿化土壤密切相關(guān)，與蘇打堿土、蘇打鹽土、鹽化、堿化草甸土呈復(fù)區(qū)分布，由北向南，由東向西呈逐漸增加趨勢。南部引嫩工程區(qū)鹽漬化土壤分布面積大，分散性土分布較集中，北部引嫩工程區(qū)較輕，中部引嫩工程介于二者之間。

2.1 中部引嫩至龍虎泡水庫引水干渠（八支干）分散土分布

上世紀90年代對中部引嫩工程進行擴建，在東升水庫進水處建設(shè)分水閘，從閘開始至龍虎泡水庫新建引水干渠（八支干），引水干渠全長97.1km，從1993年11月至12月進行分散土調(diào)查研究，在野外進行分散土簡易試驗并取樣進行室內(nèi)試驗，取樣的密度控制在間距500m左右，并適當選取剖面點，共取分散土樣90個，土壤樣16個，同時取水樣6個。對分散土分布重點渠段 4km+600m——70km+700m 12個渠段調(diào)查89處，分散土55處，占總調(diào)查處的63.3%，平均分散度 63.3%；非分散土處占總調(diào)查處的38.20%。分散度平均為19.05%。

2.2 北部引嫩總干渠分散性土分布

尼爾基水庫建成后，黑龍江省于2009年啟動引嫩擴建骨干一期，北部引嫩總干渠開始擴建。黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，對北引總干渠分散性土的分布進行了研究。

烏裕爾河以北段，長 89.74km。對 12處堤段進行調(diào)查研究，分散性土共計長9900m，占總長的 11.03%，其中堤體 6處長 3500m；堤基 2處長1000m；堤基、堤體2處長4900m；其它處長500m。

烏裕爾河以南段，長 113.47km。此段為平原區(qū)，地形地貌較單一，但鹽漬化土壤與分散性土分布面積較大，分散性土總長71726m，占總長的 63.2%；其中堤體 8處，長 8147m；堤基14處，長9685m，堤基、堤體17處長53894m。

3 分散性粘土形成機理分析

3.1 地質(zhì)地貌與水文氣象

3.1.1 地質(zhì)地貌

研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造屬新華夏系第二沉降帶，是在中生代坳陷盆地的基礎(chǔ)上發(fā)育起來的沖積、湖積、冰水堆積物和風積物。沉積層上多為粘性土，以下為砂或砂礫石，在近嫩江干流左岸亦有風積沙丘的分布。

本區(qū)地貌的特征是北、東部為小興安嶺的南和西麓，地勢較高，海撥高度在250～300m，水土流夫嚴重。南部、西部地勢較低，海拔一般140～220m。大致以訥河——依安——安達——肇東連線為界，東部以高平原為主，西部以低平原為主。在林甸——大慶——安達——肇州——肇源一帶，地勢低平，泡沼較多，是鹽漬化土壤與泡沼以及分散性土集中分布區(qū)。

3.1.2 水文氣象

研究區(qū)河流主要有嫩江支流的烏裕爾河和雙陽河兩條天然河流，匯入林甸，杜蒙境內(nèi)已無河床，南部明青高地，地面逕流通過低平原自然水線于肇州、肇源即嫩江左側(cè)的河漫灘，與北面烏裕爾與雙陽河匯集，形成自然的封閉區(qū)，靠自然蒸發(fā)滲漏平衡，為形成鹽漬化沼澤化土壤創(chuàng)造了條件。

本區(qū)屬半干旱季節(jié)性凍土區(qū)，降雨量時空分布不均，豐水年年均降雨量550mm以上，干旱年在 300mm左右，蒸發(fā)量為降雨量的 2～3倍，年內(nèi)降雨量集中在 6～8三個月，年內(nèi)土壤鹽分積累主要在春、秋二季，雨季形成積鹽與淋鹽交替期，與土壤結(jié)凍與融凍潛水位的土壤水鹽密切相關(guān)。

3.2 顆粒分析試驗研究

分散性土的分散機理是與土顆粒表面的電化學性質(zhì)自然有直接的關(guān)系，分散性粘土均屬粘質(zhì)土壤。南部引嫩17號壩5個土壤樣物理性粘粒小于0.01mm，占66.4%；大于0.01mm占33.6%，以重壤質(zhì)為主。北部引嫩總干渠對現(xiàn)有的堤體、堤基0.5～5.5m取的43組土樣進行顆粒分析，均采用篩法（d＞0.075mm）和甲種比重計法（d＜0.075mm）聯(lián)合測定土樣的顆粒級配。由土樣（常規(guī)）的級配曲線，43組土樣分屬重壤土11.63%、重粉質(zhì)壤土11.62%、砂質(zhì)粘土11.63%、粉質(zhì)粘土37.21%和粘土27.91%組成。

3.3 粘土礦物成分與相對含量

在土的固相成分中，粘土礦物成分是影響分散性的重要條件，也是這次研究的重點，試驗研究點較多，范圍也較廣，僅對區(qū)域南部的南引水庫16、17、18、19與21等5個壩與17號壩以及位于北部的北引總干渠擴建段不同地點，根據(jù)人工2μ m土粒進行X射線分析，將礦物成分與含量分別概述如下：

3.3.1 南部引嫩壩粘土礦物成分與含量

八十年代已建成的16、18、19、21等4個壩共 9個試驗資料：蒙脫石 28.92%；伊利石51.23%，而不具備分散的高嶺石僅占 19.84%，對 17號壩不同距離壩體蒙脫石 40%；伊利石24%，二者共計64%，說明均為分散性土較為嚴重分布區(qū)（見表1）。

試驗單位：中國水科院巖土所完成為<2μ部分礦物含量（%）。

3.3.2 北部引嫩總干渠堤體、堤基粘土礦物成分與含量

北部引嫩總干渠從嫩江進水閘到紅旗泡水庫總長245km。2011年對43處不同渠段進行了粘土礦物成分與含量的試驗研究，其中烏北段3處，烏南渠段4處，總干渠7處。試驗研究表明，伊利石/蒙脫石平均含量70.09%；伊利石15.94%；高嶺石6.22%；綠泥7.51%，混層比伊利石/蒙脫石46.82%。以上土樣中礦物成分中不含蒙脫石，但是含有較多的伊利石/蒙脫石混層礦物，且伊利石/蒙脫石混層中蒙脫石含量約為 50%，故具有產(chǎn)生分散性的內(nèi)在因素。

3.4 鈉吸附比（SAR）

SAR是以孔隙水溶液中Na+離子與Ca2+、Mg2+離子比值大小判定土的分散性，其計算公式如下：

試驗方法：測出土的碟式液限含水率，將土樣加去離子至碟式液限含水率附近，放置24小時以上，用真空泵吸取孔隙水溶液用原子吸收光譜測定K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量，試驗結(jié)果與SAR計算值見表3。南部引嫩Na+含量93.05%；TDS52.79me/L；北部引嫩總干Na+含量59.09%；SAR11.74%（見表2）。

表1 南部引嫩工程壩粘土礦物成分與含量分析成果表

表2 孔隙水中陽離子含量與TDS值

3.5 交換性鈉離子百分含量（ESP）測定

ESP的含義為存在于粘土礦物結(jié)構(gòu)層的交換性Na離子占交換性陽離子總量的百分比，其計算公式如下：

離子交換總量（CEC）是用常規(guī)醋酸銨法測定，交換性 離子含量測定是先用50℃的50%酒精淋洗樣品，然后用pH=9的醋酸銨——氫氧化銨溶液淋洗，在原子吸收光譜上測交換性的含量。根據(jù)美國與澳大利亞經(jīng)驗，土樣的ESP值大于10屬于分散性土；ESP值在10-7屬于過渡型土料；ESP值小于7屬于非分散性土。根據(jù)北部引嫩總干渠43個土樣測定：分散性土18個占41.9%；非分散性土16個占37.2%，過渡型土9個占20.9%。

3.6 研究區(qū)地面、地下水化學類型與鈉離子占陽離子總量

研究期間對區(qū)內(nèi)地面水與典型灌區(qū)地下水以及深層地下水質(zhì)進行了研究，凡鹽漬化土壤（即分散土分布區(qū)），均屬蘇打類型水質(zhì)，北部引嫩地面水 Na+離子含量 56.09%、3個水庫為46.98%；中部引嫩水庫 Na+離子含量 31.33%；南部引嫩水庫 17號壩 Na+離子含量最高為74.55%。嫩江原水Na+離子含量最小只有17%。

本區(qū)地下水 Na+離子含量北引典型灌區(qū)平均 38.55%，城市供水自來水 5個縣平均 Na+離子含量為62.75%（井深100-200m左右）。以深層溫泉水Na+離子含量最高，林甸縣2個溫泉水平均為99.23%（970m以下），可見，Na+vf離子含量是研究區(qū)分散性土分布面大形成的內(nèi)在因素（見表3）。成果資料全部由黑龍江省水文地質(zhì)工程地察院實驗室完成。

表3 研究區(qū)地面、地下水質(zhì)陽離子總量與Na+占總量百分率表

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)分散性粘土集中在蘇打草甸鹽土、草甸堿土、鹽化、堿化草甸土、草甸沼澤土中，與碳酸鹽草甸黑鈣土呈復(fù)區(qū)區(qū)域分布，松嫩低平原分布較為集中。北部引嫩工程區(qū)烏北渠段分散土主要在 42km與 75km，其他地域為非分散性土，烏南渠段分散性土分布在42km以下至106km渠段，其他處為非分散性土或過渡型土。

（2）由于富含伊利石、鈉蒙脫石，分散性粘土均呈膨脹性（濕膨脹、干收縮），但膨脹土不一定都是分散性土，主要取決于粘土礦物的成分與含量，如粘土礦物是鈉蒙脫石或伊利石占優(yōu)勢則呈分散性，而高嶺石占主導(dǎo)則一般無分散性。

（3）研究區(qū)低平原處大部分地面、地下水化學類型以蘇打水為主，鈉離子含量占陽離子總量以區(qū)內(nèi)地下水與滯洪區(qū)最高，林甸縣的溫泉水鈉離子含量可高達99.23%；地面水以南引17號壩最高為74.55%，中引水庫31.33%，北引水庫56.29%。高含量鈉離子的存在是本區(qū)分散性粘土形成的內(nèi)在因素，鈉離子含量與分散土分布和強度存在密切關(guān)系。開展鈉離子富含區(qū)水、土分布與礦物研究，對分散土利用和工程建設(shè)有重要意義。

1 王觀平, 柯榮. 黑龍江省南部引嫩工程分散性粘土試驗研究. 黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院, 1987.3.

2 劉彥君, 龍顯助等. 北部引嫩工程對環(huán)境影響與水土資源保護措施研究. 中國科學技術(shù)出版社, 1999.5.

3 彭旭明, 龍顯助等. 北部引嫩工程沖刷淤積與土壤鹽漬防治措施. 中國農(nóng)業(yè)科學出版社, 2009.3.

4 北部引嫩總干渠工程地質(zhì)勘察報告(第一冊). 黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院巖土工程處. 2010.12.

5 北引總干渠擴建一期工程分散性土試驗報告. 中國水利水電科學研究院巖土所. 2012.4.