含粉煤灰層土壤水分入滲規律研究

劉媛媛，段喜明，胥凌霄

（山西農業大學林學院，山西太谷030801）

在工業廢渣的排放當中，火力發電所產生的粉煤灰，在干燥狀態下易產生揚塵，對人體健康產生很大的危害[1-2]。粉煤灰的透水性較強，保水能力差，養分貧瘠，重金屬超標，植物在自然狀態下極難生存，極易發生水土流失。目前，粉煤灰的研究主要集中在對粉煤灰滲透性和風蝕性的利用[3-6]，以及粉煤灰中重金屬的利用和養分的恢復[7]等方面，而針對含粉煤灰層狀土的入滲規律的研究則相對較少。

本研究擬通過室內一維定水頭垂直入滲試驗，對于含粉煤灰層土柱在不同容重情況下，按照粉煤灰層在土柱中厚度和位置的不同，研究相應的水分入滲規律，為生態恢復提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所需土壤類型為淡褐土，質地為壤土；粉煤灰選自山西省霍家溝工業公司電廠。試驗前需對供試材料進行風干處理，風干后粉煤灰和供試土壤初始含水率分別為2%和3%。供試土柱的顆粒組成列于表1。

表1 供試土柱的顆粒組成

1.2 試驗方法

本試驗采用室內一維定水頭垂直入滲試驗[8-10]，供水水頭控制在5 cm。盛裝試驗土柱的透明PVC管內徑14.5 cm、高50 cm，其中含粉煤灰層的試驗土柱總高40 cm，試驗裝置如圖1所示。PVC管底部均勻開孔，外包紗布，用于排水、透氣，并防止土柱顆粒流失。在試驗材料處于不同容重（1.2，1.3，1.4g/cm3）情況下，按照粉煤灰不同厚度（4，8，12 cm）裝入PVC管的不同位置（上層、中層、下層）。各層間打毛，使土壤孔隙相連，均質土作為對照。共設27個處理，每個處理重復3次。采用帶刻度馬氏瓶供水，并記錄馬氏瓶中水面高度，前20 min每1 min讀1次數，20～40 min每2 min讀1次數，40～60 min每5 min讀1次數，60 min以后每10 min讀1次數，直至土柱底部滲水為止。

1.3 數據分析

將空白對照設置為0，粉煤灰層位于土柱上部設置為1，中部設置為2，下部設置為3，其余變量均設置為其實際數值，通過IBMSPSS Statistics 22.0軟件對不同容重、粉煤灰層厚度及位置條件下的土壤水分入滲歷時進行相關性分析。

為進一步研究不同容重條件下，粉煤灰層厚度和位置對土柱水分入滲過程的影響，利用IBM SPSS Statistics 22.0軟件對實測數據進行回歸分析，采用通用公式、Horton[11-14]模型和Kostiakov[15]模型對入滲速率變化過程進行擬合。

通用公式表達式如下。

式中，f（t）為入滲速率；a，b為擬合參數，n為經驗常數；t為入滲時間。

Horton模型表達式如下。

式中，f（t）為入滲速率；fc為穩定入滲速率；f0為初始入滲速率；k為經驗常數；t為入滲時間。

Kostiakov模型表達式如下。

式中，f（t）為入滲速率；a為擬合參數，n為經驗常數；t為入滲時間。

2 結果與分析

2.1 含粉煤灰層土柱對土壤累積入滲量的影響

2.1.1 不同粉煤灰厚度對累積入滲量的影響 由圖2可知，當粉煤灰位于土柱上層時，各個厚度的累積入滲量均高于對照。在入滲初期，厚度4 cm時，與厚度8 cm的累積入滲量差異不顯著；但入滲開始60 min以后，厚度4，8 cm的累積入滲量顯著高于厚度12 cm，但厚度12 cm的入滲歷時最長，累積入滲量排序為4 cm＞8 cm＞12 cm。

當粉煤灰位于土柱中層時，在入滲40 min左右較對照出現顯著差異，厚度4，8 cm均低于對照，且厚度4，8 cm間無顯著差異，但顯著小于厚度12 cm的累積入滲量。

當粉煤灰位于土柱下層時，各個厚度的累積入滲量較對照無顯著差異。

2.1.2 不同粉煤灰位置對累積入滲量的影響 由圖2可知，當粉煤灰厚度為4 cm時，上層的累積入滲量均大于對照，且差異顯著，中層和下層的累積入滲量顯著低于對照，但二者差異不顯著。當粉煤灰厚度為8 cm時，上層情況與厚度4 cm的相似，隨著入滲進行，中層的累積入滲量逐漸低于對照。下層較對照差異顯著。當粉煤灰厚度為12 cm時，累積入滲量隨著位置變化不顯著，但中層的累積入滲量較對照略有降低。

2.1.3 不同粉煤灰容重對累積入滲量的影響 由圖2可知，當粉煤灰位于土柱上層時，累積入滲量隨著容重增大而減小，均顯著高于對照。當粉煤灰位于土柱中層時，累積入滲量隨著容重的增大呈現減小趨勢，容重為1.2 g/cm3處理大于對照，容重為1.3 g/cm3處理與對照無顯著差異，容重為1.4 g/cm3處理顯著低于對照。當粉煤灰位于土柱下層時，各個容重的累積入滲量較對照無顯著差異。

2.2 含粉煤灰層對土壤入滲歷時的影響

由表2可知，對含粉煤灰層土柱，粉煤灰層厚度的大小對其水分入滲歷時沒有明顯影響，但粉煤灰層的位置及容重對其水分入滲歷時的影響表現為極顯著。

表2 不同容重條件下粉煤灰層在土柱中的厚度和位置對入滲歷時的顯著性分析

2.3 含粉煤灰層土柱的水分入滲過程模擬

由表3可知，通用公式模型、Horton模型、Kostiakov模型擬合的決定系數大于0.95的占比分別為96.67%，73.33%，93.33%，故通用公式可更好地反映含粉煤灰土柱的水分入滲的變化過程。當粉煤灰位于上層和下層時，Horton模型擬合的決定系數相對較小；當粉煤灰位于中層時，該模型能夠很好地反映水分入滲的變化過程。當容重為1.3 g/cm3，粉煤灰位于土柱中層且厚度為12 cm時，從Kostiakov模型來看，其決定系數僅為0.855，其余處理的決定系數均大于0.9，故該模型也可反映含粉煤灰土柱的水分入滲變化過程，但通用公式模型更佳。

表3 不同條件下含粉煤灰層土柱和對照的水分入滲速率擬合

3 結論與討論

本試驗主要研究的是層狀土壤的入滲過程，試驗材料為土壤與粉煤灰分層組合而成。通過土柱入滲試驗發現，位于土壤上層時，起到增加入滲的作用，可以在水土流失多發地區土壤表面覆蓋介質，增加水分入滲，減少水土流失的危害；而位于土壤中層和下層時，有不同程度的減滲作用，在容易發生水分滲漏的土壤中適當添加，達到增加地表徑流，減少水分入滲的效果，保證地基土體穩定，減少土體發生沉陷的危險。

本試驗中，由于透明PVC管高度較小，試驗土柱高度和內徑有限，無法完全模擬自然土層，導致試驗結果與自然土體有一定誤差，應完善這方面的研究。同時，本試驗設置的土壤類型較為單一，僅研究了山西地區最常見的黃土，土柱分層較少，之后應著重不同類型土壤與介質層組合條件下，多層介質、不同厚度對土壤水分入滲過程的影響。

由于試驗條件的限制，本試驗僅研究了容重、位置和厚度對粉煤灰層狀土的水分入滲過程的影響，粉煤灰的來源以及結構形狀也是造成土壤水分入滲變化的原因，因此，今后還需繼續綜合以上因素，對粉煤灰分層入滲進行深入研究。