川東紅層區支持毛細水帶的鹽分運移規律

李明月，郭 健，許 模，張 強

(成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都610059)

川東紅層區支持毛細水帶的鹽分運移規律

李明月，郭 健，許 模，張 強

(成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都610059)

為治理因庫區地下水水位上升使鹽分上升到地表造成土壤鹽漬化問題，通過室內土柱實驗，以川東某水庫的紅層區低液限黏性膨脹土壤為試驗土樣，采用水分傳感器及開孔取樣進行浸提試驗的方法獲得土壤含水率隨時間和埋深的變化情況及支持毛細帶全鹽量的變化情況，從而分析水分和鹽分在支持毛細水帶中的運移規律。結果表明：濕潤鋒的上升速率隨時間是減緩的，在毛細強烈上升階段埋深越大單點的含水量增長速率越大；由于毛管直徑和粒徑不同，含水率隨埋深增加的變化規律并非線性；鹽分在支持毛細水中的分布是不均勻的，在毛細飽和帶中全鹽量最高，在毛細非飽和帶中全鹽量與埋深呈正相關。

支持毛細帶； 全鹽量； 水分； 運移； 土壤鹽漬化

0 引 言

水庫蓄水后，庫盆周圍和入庫河道兩岸地下水位升高，巖土體被浸潤導致水庫浸沒，可能會引發土壤次生鹽漬化問題。雖然川東地區土壤鹽漬化不像北方干旱地區那么突出，但土壤鹽漬化的威脅始終是存在的，一旦水利措施失當，就會使地下水猛烈抬升而高于其臨界深度，土壤就會有發生鹽漬化的風險。

國內外學者們對毛細水帶的研究大多針對其上升影響因素。劉廣明等用大型土柱對長江河口地區在地下水作用條件下土壤水鹽運移規律進行了深入研究，估計粗粒土毛細上升最大高度的海森公式[1～2]。杜普紅等[3]通過室內試驗研究了毛細水上升高度、含水量及其影響因素。周奇等[4]利用西安黃土進行豎管法試驗模擬出了毛細水上升過程中的含水率分布。劉玄釗等[5]根據室內試驗結果進行反算可大致反映砂土中毛細水的上升最大高度。然而，這類研究往往比較關注毛細水的上升速率和最大上升高度，卻對支持毛細水帶內的鹽分運移規律和分布特征關注較少。另一方面，對地下水淺埋條件下的土壤水鹽動態變化特征研究均是考慮灌溉或降雨影響，如歐陽正平[6]以焉耆盆地典型區為例，探討地下水淺埋深條件下的土壤水鹽動態變化特征，從土壤水分和鹽分兩方面綜合進行考慮，得出適合該區的灌溉制度。張瑜芳等[7]提出了垂向一維均質土壤水分運動的數值模擬在降雨入滲和蒸發條件下的運用。這些分析重在地下水下滲過程中的水分和鹽分重分布，但對因蓄水影響，地下水位抬升而引起鹽分在支持毛細水帶內的運移規律分析不夠，黃石盤水庫位于巴河支流——恩陽河中游河段，屬于紅層地區，并且巖性主要為黏土及砂卵礫石土，具有比較廣泛的代表性，因而本文以川東某水庫的紅層區黏性土壤為試驗土樣，探究水庫蓄水引起地下水水位抬升的條件下鹽分在支持毛細帶中的運移規律，這對鹽漬化的治理具有重要的研究意義。

1 試驗材料與方法

1.1試驗儀器

試驗所用土柱為有機玻璃柱，壁厚5 mm，內徑7 cm，高50 cm。內裝45 cm均勻黏性土壤。在土柱上安裝3個水分傳感器，實時檢測水分動態變化，位置從下往上分別位于土柱-38、-24、-10 cm處；土柱兩側共設10個取樣口，取樣口直徑1 cm，1～10號取樣口依次為-39、-35、-31、-27、-23、-19、-15、-11、-7、-3 cm。裝置的基本組成部分如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意圖

1.2供試土壤及土柱填料

土柱填料取自巴中黃石盤水庫鉆孔深度為1 m的土樣，土壤取回后，去除草根、石頭等雜質，經過風干壓碎，過1.5 mm篩，通過馬爾文激光粒度儀對材料進行顆粒分析，得到土壤理化性質如下：天然含水率ω0=20%，飽和含水率ωsat=38%，密度ρ=2.7 g/cm3，孔隙率n=38.8%，液限ωL=36.4%，塑限ωP=16.2%，自由膨脹率為60%，土的名稱低液限黏土(膨脹土)。

顆粒級配曲線見圖2。

圖2 土樣顆粒級配曲線

采集的土樣運到實驗室后，自然風干，去除雜質過篩后，配水(使土壤初始含水率達到20%)，按土壤密度2.7 g/cm3分層(5cm)裝土，上部40 cm為非飽和均質土壤，底部2 cm裝有粒徑為2～5 mm的砂卵礫石層，模擬地下飽和含水層，兩部分之間墊以彈性較差的薄海綿，以免上層土壤進入砂礫層。

1.3土柱初始含鹽量測定

本試驗采用水土比5∶1浸提[8]，因土壤電導率與含鹽量具有高度相關性[9]，可用電導法測定可溶解性鹽總含量。根據土壤浸出液的電導率和鹽分之間存在系數的轉化關系[10～12]，EC1∶5和土壤全鹽量(St)具有顯著的相關性：

EC1∶5=0.365 8St-0.015 2，r=0.944

(1)

式中：EC1∶5為5∶1水土比土壤浸濾液電導率，mS/cm；St為土壤全鹽量，g/kg[13～14]。

上述公式取于江蘇濱海地區土壤浸出液測得的電導率計算公式[15]，與川東地區的土壤浸出液的電導率是基本相似，因而使用此公式。

土壤水溶性鹽的測定主要分為取樣口土樣水溶性鹽的浸提和測定浸出液電導率。即在水分上升至最大高度且穩定時，在取樣口處取出土樣，稱量取出濕潤土壤樣品的質量m1，將取出土壤放置烘干箱烘干，研磨，過16目篩，得到直徑小于1.25 mm烘干土，其質量為m2。將土壤顆粒放入三角瓶中，以5∶1水土比加去離子水，蓋好瓶塞，在恒溫振蕩機上振蕩3 min，破壞掉毛細管，使得毛細管中的水與去離子水混合，用漏斗濾出上清液再將懸濁土漿搖勻后緩緩倒入，直至過濾出足夠上清液，再將清亮濾液收集至燒杯中，立即用電導率測定儀測定浸出液的EC值，表1即為試驗前土壤樣品中的初始電導率及全鹽量。

表1 初始電導率及全鹽量

溫度：25.3 ℃

實驗數據可以得出土壤支持毛細帶浸出液電導率初始均值為0.30～0.31 mS/cm，試驗土壤的初始全鹽量平均在0.89 g/kg。

1.4浸沒試驗步驟

(1) 模擬液配制。實驗室配得與庫區地下水含有TDS相同的水樣5 L，配制好后測得水樣電導率0.586 mS/cm，鹽分0.3 ng/L，用其將土柱浸沒，定水頭為6 cm。用水分傳感器和水分采集系統來測量土壤的表觀介電常數(ε)，并存儲在水分采集系統，導出相關數據后，通過轉化得到標準曲線，從而計算土壤含水量。

(2) 浸沒土柱。用配置好的水樣將土柱浸沒，定水頭為6 cm。記錄好開始時間后，開始試驗。

(3) 監測點水分。調節水分采集的頻率設置為1次/h，試驗開始前應該提前開啟水分數據采集系統，以期采集含水率的初始數值，確定儀器穩定運行。

(4) 監測點鹽分。方法同1.3，采用水土比5∶1浸提電導法測定可溶解性鹽總含量。

2 浸沒試驗結果與討論

2.1支持毛細水上升過程分析

(1) 毛細水上升速率分析。3個水分傳感器按由下往上的順序記錄從2016年9月20日到2016年9月25日歷時5 d的土柱中土壤水分隨入滲時間的時空變化特征與顯示實時監測的數據，通過標準曲線方程[16]：

(2)

換算得出土壤含水率θ，初始讀數轉化為含水率分別為：19.79 %、20.12 %、20.45 %，所以試驗用土的初始含水率為20 %左右，最終3個水分監測點的含水率分別達到38.42 %、34.90 %、28 %左右，此時傳感器1處為毛細飽和帶，其他處仍然處于非飽和狀態。圖3所示為3個水分傳感器所顯示的含水率變化情況。

圖3 土壤含水率隨時間變化

分析圖3可得出以下結論：初始的水平階段是濕潤鋒向監測點運動的階段，由此可計算出濕潤鋒的上升速度情況：傳感器1距浸沒水位距離s1=6 cm，傳感器2與傳感器1的距離s2=14 cm，傳感器3與傳感器2的距離s3=14 cm，濕潤鋒到達傳感器1～3的時間t1=10 h，t2=24 h，t3=38 h，因而濕潤峰的上升速度依次為：v1=0.6 cm/h，v2=0.58 cm/h，v3=0.37 cm/h。由此可知，濕潤鋒的增長速度是漸緩的。3個水分傳感器的含水量強烈上升階段可顯示出埋深越大含水率的增長速率越大，傳感器1～3的含水量變化率分別為1.8、0.83、0.80。

(2) 毛細水上升高度分析。待水分長時間保持穩定以后，從10個監測點中取出土樣，測出濕土質量m1，烘干土樣之后記錄干土質量m2，進而計算得出具體監測點位的含水率如表2所示。

表2 各監測點位土壤含水率

由表2數據可知，取樣口離浸沒水面越遠含水率越小，在1～3號處的含水率都在38 %左右為毛細飽和帶。從3號往上為毛細非飽和帶，且隨著埋深的增加，水分含量上升。將表2中10個監測點含水率與埋深的關系繪制成圖4。

圖4 各監測點位含水率隨埋深的變化情況

10個點位的含水率隨埋深而增加，但并不是呈線性關系，而是存在一定的跳動，這與毛管直徑的大小和長短以及粒徑的大小有關。

2.2支持毛細帶中鹽分含量分析

在支持毛細水上升到達基本穩定的時間10 h之后，從土柱10個取樣口取出土壤試樣用水土5∶1浸提法測得土壤浸出液的電導率，用式(1)計算得到全鹽量的值，表3、圖5即為全鹽量監測與分析的具體數據及變化情況。

表3 支持毛細帶全鹽增量統計表

溫度：25.3 ℃

圖5 浸沒前后支持毛細帶全鹽量變化情況

由圖5可知，試驗之前支持毛細帶中的全鹽量基本保持一致且隨埋深變化較小，試驗后的全鹽量有明顯變化，整體上是與埋深呈正相關的，且在埋深25～40 cm時增長量最大，試驗前后毛細帶中全鹽量在埋深最高點與最低點相差約0.687 8 g/kg。

由圖6可知，含水率隨埋深的變化非常明顯，與全鹽量隨埋深的變化情況是一致的，即說明水分的分布和鹽分的分布有一定的關系，在含水率最高的部位全鹽量最高，但含水率的變化情況相較于毛細水帶全鹽量的變化情況來說浮動較大。

圖6 浸沒試驗后毛細水帶全鹽量及含水率隨埋深的變化情況

3 結 論

為研究川東紅層區土壤支持毛細帶中鹽分的運移規律，筆者取了巴中黃石盤水庫的土壤樣品進行土柱浸沒試驗，得出了以下結論：

(1) 川東紅層地區的土壤是以顆粒粒徑lt;5 μm與50～5 μm為主的低液限黏性土為典型特征，且自由膨脹率為40%，為低液限黏性膨脹土。

(2) 低液限黏性膨脹土支持毛細帶中土壤濕潤峰的增長速度是隨時間漸緩的，在毛細強烈上升階段埋深越大單點的含水量增長速率越大。待含水率穩定之后的1～3號取樣口的含水率都在38%左右，表明土柱浸沒后存在4 cm高的毛細飽和帶。

(3) 膨脹土浸沒后隨著水分上升鹽分的分布是不均勻的，鹽分與水分的分布有一定的聯系，即在毛細飽和帶中的全鹽量最高，在毛細非飽和帶中的分布是隨埋深的增加而增加。

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ResearchonSaltMovementLawinSupportedCapillaryWaterRegionofRedBedsinEastSichuan

LIMingyue,GUOJian,XUMo,ZHANGQiang

(State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

Soil of reservoir area is submerged due to the water storage in reservoir.Salinity in deep soil will migrate to the surface via the supported capillary water region, and it will cause series of geological environmental problems such as soil salinization.It is necessary to know the salt movement law in supported capillary water region, in order to control the soil salinization caused by the increase of groundwater level in the reservoir area.We have done the laboratory soil column experiment with the sample (low liquid limit clay) in red layer of a reservoir in eastern Sichuan, and we analyzed salt and moisture transport law in supported capillary water region.The results showed that the rate of wetting front decrease by time, and the more depth of single point, the higher growth rate of water content.The distribution of salinity in support capillary water region is inhomogeneous.Concentration of salt in the capillary saturation zone is the highest, and it is positively correlated with depth in the capillary unsaturated zone.

supported capillary water region; total salt content; moisture; transport; soil salinization

TU 448

A

1006-7167(2017)10-0045-04

2017-01-16

四川省教育廳科研項目(17ZB0047)

李明月(1992-)，女，山東博興人，碩士生，主要研究方向為環境工程地質、工程水文地質、水資源開發與保護。Tel.:18782033302；E-mail:869426891@qq.com

郭 健(1984-)，男，四川成都人，講師，主要研究方向為水文地質、工程地質等領域的科研工作。Tel.:13981711984;E-mail:jerry.guo@hotmail.com