大孔隙位置對飽和土壤水及溶質(zhì)運移影響的實驗研究

張瑞鋼，楊 夢，張振坤，湯志恒

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230000)

土壤中養(yǎng)分和化學(xué)物質(zhì)會通過優(yōu)勢流通道快速遷移至深層含水層或地下水，導(dǎo)致土壤和地下水受到嚴(yán)重的污染[1]，其中最常見的優(yōu)勢流通道是由植物根系和動物活動形成的大孔隙[2]。影響大孔隙流的因素很多，如土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地、初始含水量、土地類型和耕作方式等[3]，而大孔隙結(jié)構(gòu)作為最直接的影響因素，錯綜復(fù)雜且能夠顯著改變水及溶質(zhì)的優(yōu)先運移過程。綜合國內(nèi)外研究進展發(fā)現(xiàn)，以往對大孔隙結(jié)構(gòu)的研究主要集中在大小、形狀、數(shù)量和連通性上[4]，對位置分布的研究較少，尤其是在相同密度(單位面積下大孔隙的數(shù)量)條件下不同位置的研究幾乎沒有涉及。優(yōu)勢流實驗研究一般基于原狀土和人造大孔隙兩種實驗方法，原狀土實驗接近實際條件，但不能控制條件和重復(fù)觀測；人造大孔隙實驗具有可重復(fù)性但與天然大孔隙分布差異較大[5]。由于本實驗需要對實驗條件及單個大孔隙結(jié)構(gòu)進行人為控制，故采用室內(nèi)人造大孔隙實驗，通過改變相同密度條件下大孔隙位置來研究位置因素對飽和土壤水及溶質(zhì)優(yōu)勢流運移的影響，從而為土壤水分及溶質(zhì)遷移規(guī)律、土壤與地下水污染防治提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 供試土壤

實驗采用安徽省銅陵羊耳山鐵礦場區(qū)壤粘土，土壤機械組成見表1，基本物理性質(zhì)見表2。

表1 土壤機械組成

表2 土壤物理參數(shù)

1.1.2 實驗裝置系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)主要包括定水頭供水裝置馬氏瓶、實驗土柱主體以及人造大孔隙。土柱裝置選用亞克力圓管(內(nèi)徑194 mm，高450 mm)，內(nèi)部裝有20 cm高的土樣，土樣頂部鋪有細(xì)砂使溶液均勻入滲且減少表面擾動，底部鋪設(shè)不同粒徑組成的砂石作為反濾層起到濾水擋土的作用。土柱上端設(shè)有連接馬氏瓶的進水口，通過調(diào)節(jié)馬氏瓶進氣管高度使水位控制在6cm處，下端設(shè)有多孔底板和出流液收集裝置。實驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖

設(shè)置大孔隙位置如圖2所示，大孔隙全部采用1 mm直徑連通型。根據(jù)大孔隙“集中程度”不同，分為完全分離型、分離型、聚集型和完全聚集型。其中完全分離型為分離型的極限類型，即大孔隙之間處于無窮分離互不干擾的狀態(tài)；完全聚集型為聚集型的極限類型，即多個大孔隙聚集到一起形成了一個等效面積相同的大孔隙。本實驗以4個直徑為1 mm的大孔隙位置關(guān)系為例進行研究，由于完全分離型為假設(shè)條件，故采用1個1 mm大孔隙的實驗數(shù)據(jù)換算(圖2a)；完全聚集型設(shè)置為1個2 mm大孔隙(與4個1 mm直徑孔隙面積相等)(圖2d)；分離型與聚集型位置設(shè)置分別如圖2b、2c所示。

圖2 大孔隙位置示意圖

1.2 實驗方法

將風(fēng)干后的供試土壤碾碎過1 mm篩，添加水至12%含水量防止土樣起塵以及減少裂隙的產(chǎn)生。土柱邊壁用砂紙打磨使內(nèi)壁和土體的摩擦力增大從而減少邊壁流現(xiàn)象，然后按控制干容重進行裝填。裝填完成后按照設(shè)定大孔隙位置插入1 mm不銹鋼棒，拔出后往大孔隙中注入一定濃度的聚丙烯酰胺(PAM)[6],PAM是一種高分子水溶性聚合物，能夠?qū)⒋罂紫侗谕寥李w粒聚合從而穩(wěn)定人造大孔隙，待土壤充分吸收后將土柱放入水箱中飽和48 h。另設(shè)一組無大孔隙的均質(zhì)土柱作為對照組，其余實驗條件與大孔隙土柱相同。

實驗開始前用20 L去離子水淋溶降低土壤本底濃度。污染物采用9.53 g/L的NaBr(9.4 mS/cm)溶液，施加方式為一次性脈沖式施加，即實驗開始時施入定水頭所需要的的污染液，后用自來水進行淋溶，入滲方式為6 cm恒定水頭積水入滲。實驗過程中根據(jù)溶質(zhì)濃度的變化速度5分鐘到1小時收集一次滲濾液，同時記錄時間、水量和溶質(zhì)濃度，由于電導(dǎo)率與溶液中的離子濃度成正比，因此可用電導(dǎo)率的測量代替Br離子濃度的測量，便于操作的同時也減弱了溶質(zhì)在土壤中吸附和交換的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 出流速率分析

不同位置大孔隙土柱的出流速率隨時間的變化如圖3所示，除均質(zhì)土柱流速較穩(wěn)定外，其余都有一定程度的波動，是優(yōu)勢流的典型特征之一[2]。

圖3 不同位置大孔隙土柱的單位流速

大孔隙土柱出流速率隨時間的變化都呈現(xiàn)出先增大后減小最后到達(dá)穩(wěn)定的特征。出流初始階段(0～250 min)，單位流速由大到小依次為聚集型、分離型、完全聚集型、完全分離型、均質(zhì)，且聚集型和分離型遠(yuǎn)大于其余三種類型，表明多個大孔隙之間在一定距離范圍內(nèi)存在著較為強烈的相互影響，這種相互作用促進了水流的快速遷移。優(yōu)勢流存在于大孔隙周圍一定基質(zhì)范圍內(nèi)[7]，可能是這個范圍(可稱之為影響半徑)的重疊引起了流速的增加。完全聚集型初期的快速遷移現(xiàn)象比聚集型和分離型要弱，可能是因為當(dāng)多個大孔隙無限聚集形成單個大孔時，相互作用機制轉(zhuǎn)化為“孔徑尺寸”的作用機制(即因優(yōu)勢通道孔徑改變引起的優(yōu)勢流變化)，從實驗結(jié)果看，多孔隙相互作用機制對優(yōu)勢流的影響要遠(yuǎn)大于單一孔徑增加的作用機制。中期階段(250～500 min)大孔隙土柱出流速率都表現(xiàn)出一定程度的降低，尤其是分離型大孔隙土柱，到后期(>500 min)穩(wěn)定時已與均質(zhì)土柱流速相當(dāng)，這與大孔隙的逐漸堵塞有關(guān)。

2.2 溶質(zhì)穿透過程分析

各土柱的溶質(zhì)穿透曲線如圖4所示，橫坐標(biāo)為相對孔隙體積(V/V0)，即出流液體積與有效孔隙體積之比；縱坐標(biāo)為相對濃度(C/C0)，指出流液濃度與施入初始示蹤劑濃度之比。穿透曲線特征指標(biāo)見表3。

圖4 不同位置大孔隙土柱穿透曲線

2.2.1 早期穿透特征

從發(fā)生在0～1孔隙體積的溶質(zhì)初始穿透來看，大孔隙土柱穿透曲線前端都會出現(xiàn)一個小“凸起”(或者穿透峰)，且“凸起”程度由大到小依次為聚集型、分離型、完全聚集型、完全分離型，表現(xiàn)出與初始出流速度相一致的規(guī)律。“凸起”現(xiàn)象反應(yīng)了溶質(zhì)的早期穿透，也是優(yōu)勢流的典型特征之一，大孔隙發(fā)育水平越高，溶質(zhì)越容易直接從大孔隙中出流，“凸起”現(xiàn)象越顯著。P. Kanchanasut[8]在飽和人造大孔土柱中發(fā)現(xiàn)氯離子溶液在施入土體表面8 min出水溶液的相對濃度就達(dá)到0.5，在人造裂隙中幾乎瞬時在不到1 min之內(nèi)相對濃度就能達(dá)到0.5，由此可見優(yōu)勢流通道的存在對初始溶質(zhì)運移影響很大。本實驗聚集型大孔隙土柱在5分鐘內(nèi)相對濃度達(dá)到0.56(表3)，表現(xiàn)出強烈的早期穿透，說明溶質(zhì)從優(yōu)勢流通道中快速遷移，優(yōu)勢流現(xiàn)象較明顯；分離型和完全聚集型分別在90和194 min時出現(xiàn)溶質(zhì)穿透，表現(xiàn)出中等程度的優(yōu)勢流；完全分離型327 min出現(xiàn)初始穿透，優(yōu)勢流現(xiàn)象較弱。

表3 不同位置大孔隙土柱溶質(zhì)穿透特征

2.2.2 不對稱和拖尾特征

從圖4中能夠看出溶質(zhì)穿透曲線存在不同程度的不對稱和拖尾現(xiàn)象，其原因是溶質(zhì)經(jīng)過優(yōu)勢流通道和土壤基質(zhì)路徑運移時間的差異。前期溶質(zhì)運移主要是大孔隙結(jié)構(gòu)引起的優(yōu)勢流起主導(dǎo)作用，基質(zhì)作用較弱，同時由于橫向水動力彌散作用使水及溶質(zhì)發(fā)生側(cè)向入滲到周圍基質(zhì)中，此時土壤中溶質(zhì)分布呈現(xiàn)出以大孔隙為中心的輻射狀態(tài)。中期階段隨著自來水將大孔隙及大孔隙壁中的溶質(zhì)淋洗出來使優(yōu)勢流中的濃度逐漸降低到接近零，但基質(zhì)中仍然存在一定濃度的溶質(zhì)，后期基質(zhì)中溶質(zhì)的緩慢出流導(dǎo)致溶質(zhì)穿透曲線出現(xiàn)較長的拖尾特征。另外聚集型大孔隙土柱出現(xiàn)了明顯的拖尾及雙峰曲線特征，更能對此解釋加以證實，第一峰值為大孔隙流起主導(dǎo)作用，峰值濃度較高且位置靠前，第二峰值為基質(zhì)流起主導(dǎo)作用，峰值濃度較低且位置靠后，其余土柱由于優(yōu)勢流程度較低未表現(xiàn)出明顯的雙峰特征。

2.3 優(yōu)勢流程度定量分析

優(yōu)勢流的程度可以通過采用多種數(shù)學(xué)參數(shù)或指標(biāo)對水或溶質(zhì)的通量及含量數(shù)據(jù)進行量化，這些指標(biāo)一般都可以通過穿透曲線來得到，例如時間矩、延遲因子、反應(yīng)溶質(zhì)早期到達(dá)趨勢的歸一化5%到達(dá)時間和歐拉表觀彌散系數(shù)等，都已經(jīng)被用于評價土地利用、土壤性質(zhì)和有機碳含量對優(yōu)勢流程度的影響研究[9]。歸一化5%到達(dá)時間被認(rèn)為是最可靠的穿透曲線形狀參數(shù)，其值可以作為優(yōu)勢流程度的指標(biāo)[10]。因此本研究選取該指標(biāo)定量評價優(yōu)勢流程度，計算過程如下[10]：

是所給出溶質(zhì)穿透曲線(即溶質(zhì)平均到達(dá)時間)的歸一化時間矩：

(1)

式中：Cout是出流液濃度(g/L)，t是時間(h),m0和m1分別為第0階和第1階時間矩。一般而言，式(1)中的積分是直接從實驗數(shù)據(jù)中計算出來的。歸一化穿透曲線推導(dǎo)如式(2)所示：

(2)

式中：T是通過土壤樣本的有效孔隙體積數(shù)，為T=t/μ1。歸一化累積穿透曲線定義，如式(3)所示：

(3)

指標(biāo)為歸一化溶質(zhì)到達(dá)時間的5%，即p0.05，最終計算如式(4)所示：

Gn(p0.05)=0.05

(4)

通過歸一化處理后不同密度大孔隙土柱前5%溶質(zhì)到達(dá)時間p0.05見表4，p0.05值越小，優(yōu)勢流程度越高。

表4 不同位置大孔隙土柱溶質(zhì)歸一化5%到達(dá)時間

從表4可以看出優(yōu)勢流程度為：聚集型>分離型>完全聚集型>完全分離型>均質(zhì)，表明大孔隙位置對溶質(zhì)優(yōu)勢流運移程度的影響較大。對于非反應(yīng)性溶質(zhì)而言，在經(jīng)過優(yōu)勢流通道快速遷移的過程中會與周圍土壤基質(zhì)形成有限的相互影響，并通過內(nèi)部的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)體進行溶質(zhì)交換，形成一定的“影響半徑”，該行為的主要作用機理為水動力彌散，說明大孔隙間距對溶質(zhì)運移的影響可能與引起溶質(zhì)在土壤介質(zhì)中的彌散系數(shù)變化有關(guān)，若大孔隙間距大于其影響半徑，就表現(xiàn)為獨立的運移過程，與單孔條件具有同樣的彌散系數(shù)(如完全分離型)；若小于其影響半徑，大孔隙之間發(fā)生復(fù)雜的相互影響，就會具有更大的彌散系數(shù)，但當(dāng)大孔隙間距降為零完全聚集到一起形成一個較大的單一孔隙時，這種相互作用就會消失，此時影響優(yōu)勢流的機制主要與大孔隙直徑相關(guān)的水力學(xué)參數(shù)有關(guān)。由以上分析推測，隨大孔隙間距減小到零，大孔隙流相互作用應(yīng)經(jīng)歷先增加后減小最后消失的過程，從而存在某個大孔隙間距的“閾值”成為相互作用程度的拐點，并最終使得影響優(yōu)勢流的主要機制由相互作用影響轉(zhuǎn)化到單一孔徑影響。綜上認(rèn)為，大孔隙位置對優(yōu)勢流影響的關(guān)鍵在于單個大孔隙流的影響半徑以及大孔隙間距的閾值，接下來的研究將對此推測進一步證實，以及對這兩個關(guān)鍵值進一步探索。

3 結(jié)語

通過室內(nèi)人造大孔隙土柱溶質(zhì)運移實驗發(fā)現(xiàn)，相同大孔隙密度條件下大孔隙位置分布對土壤優(yōu)勢流具有明顯的影響。水分出流速率與溶質(zhì)穿透過程都表明土柱優(yōu)勢流程度為：聚集型>分離型>完全聚集型>完全分離型>均質(zhì)。大孔隙位置對優(yōu)勢流影響的關(guān)鍵在于單個大孔隙流的影響半徑及影響優(yōu)勢流作用機制的大孔隙間距閾值，這兩個關(guān)鍵值的確定有待于進一步研究。