重塑鹽漬土凍融循環(huán)條件下鹽分遷移的試驗研究

呂曉佳 徐銘伯 魏旭東 張新雨 王昊洋

(吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130000)

鹽漬土是一系列鹽堿化土壤和其他不同程度鹽化和堿化的土壤的總稱，它們受土壤中鹽堿成分的影響。對鹽漬土的研究始于一個多世紀前，20世紀20年代和30年代，鹽漬土的研究主要集中在土體中鹽分的遷移；20世紀90年代，中國科學院蘭州冰川凍土研究所對土壤凍融研究過程中的水分遷移、鹽分遷移、成冰作用、土體凍脹、鹽脹等進行了一系列深入的研究。吉林省西部地區(qū)處于典型的季節(jié)凍土區(qū)，鹽漬土分布廣泛。該地區(qū)土壤的鹽漬化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成極大的危害，季凍土中水分的遷移還會導致一系列的工程病害，如凍土膨脹。所以有必要對該地區(qū)鹽漬土在凍融循環(huán)條件下的水鹽遷移規(guī)律進行深入研究。

1.研究區(qū)概況

吉林西部位于松嫩平原的西南部，不僅是典型的季凍土區(qū)，又是鹽漬土區(qū)。該地地下水埋藏深度較低，且礦化度較高。該地區(qū)冬季寒冷而漫長，導致土層在凍結(jié)過程中，水分隨溫度梯度而攜帶著鹽分向上遷移；春秋兩季，氣候干燥多風，地表強烈蒸發(fā)，使接近地表的土層形成高濕度梯度，水分再次攜帶鹽分向地表遷移。土體鹽分的兩次上升是導致該地區(qū)土體鹽漬化的重要原因。

2.土樣的物理化學性質(zhì)

本次試驗使用的土樣深度到達80 cm，10~50 cm土層的天然含水率均在23%，50 cm以下天然含水率隨著深度的增加有增大趨勢。40 cm以上土層的天然密度均在1.92 g/cm3左右，40 cm以下土層的天然密度有所降低。除30 cm深度的土樣易溶鹽總量較低，其余深度土樣的易溶鹽總量均大于0.3%，屬于鹽漬土范疇。土體的pH值在7.63~8.45之間，天然狀態(tài)下處于弱堿性。土的有機質(zhì)含量在0.79%~1.36%之間，其中40 cm深度以上有機質(zhì)含量均大于1%，且隨深度增加而增大。

3.試驗方案

3.1 土樣的制備

試驗土為野外距地面40cm的土樣。本次試驗制備了5個高20 cm，直徑5 cm的圓柱形試樣，編號為試樣1、試樣2、試樣3、試樣4和試樣5，試驗期間，分別經(jīng)歷了一次凍結(jié)（不包括融化過程）和一、三、五、七次凍融循環(huán)過程。

3.2 實驗步驟

首先將制備好的試樣兩端密封，放入上部控溫箱，將控溫箱溫度設置為5℃，恒溫靜置24小時，保證在進行凍結(jié)試驗時，土樣從上至下單向凍結(jié)，同時使試樣內(nèi)部水分更均勻。然后將試樣放入隔溫層內(nèi)的通道，將試樣上端仍然保持密封，防止蒸發(fā)，并將下端密封蓋取下，供給取樣點當?shù)氐牡叵滤Ｔ嚇影惭b完畢后，凍結(jié)時將上部控溫箱溫度設定為-15℃，下部控溫箱溫度設定為5℃，保證試樣從上至下單向恒溫凍結(jié)，凍結(jié)時間為48小時；融化時將上部控溫箱溫度設定為5℃，下部控溫箱溫度仍設定為5℃不變，保證試樣從上至下單向恒溫融化，融化時間為24小時，一次凍融循環(huán)時間一共72小時。本次試驗的五個試樣分別經(jīng)歷一次凍結(jié)過程和一、三、五、七次凍融循環(huán)過程，每個試樣在試驗結(jié)束后立即取出分割成厚度為2 cm的土樣切片，用來測定含水率和易溶鹽含量。

4.試驗結(jié)果分析

在凍融循環(huán)之后，特別是在7次凍融循環(huán)之后，在約14cm的深度出現(xiàn)了一層含有更多冰晶的斷層。斷層的形成是由于凍結(jié)初期，凍結(jié)鋒面從土樣頂部不斷向下移動，最終穩(wěn)定在14 cm左右。凍結(jié)鋒面上部的土壤已凍結(jié)，而下部的土壤未凍結(jié)。凍結(jié)鋒面穩(wěn)定后，下部的水分不斷向凍結(jié)鋒面遷移，導致該位置的含水量和冰含量較大，連續(xù)的冰透鏡體切割土體，形成斷層。

由于鹽分的遷移是由水來進行的，因此分析鹽分的遷移規(guī)律應結(jié)合含水量的變化規(guī)律。圖1和圖2分別為在不同凍融循環(huán)后試樣2、3、4、5內(nèi)各深度的含水率和易溶性鹽總量的變化示意圖。從圖中可以看出:第一，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體樣品整體的含水率和易溶鹽總量增加;第二，每個凍融循環(huán)樣品在15 cm深度以下的部分都有明顯的含水率隨深度增加而增加，易溶性鹽總量隨深度增加而減少的變化規(guī)律，在15 cm深度以上，含水率隨深度增加的變化相對穩(wěn)定，易溶性鹽總量隨深度變化表現(xiàn)出不規(guī)律的波動性;第三，每次凍融循環(huán)后，在13 cm處都存在一個高含水率區(qū)，在13 cm和15 cm處存在易溶性鹽含量高濃度區(qū)，在3 cm處存在一個易溶性鹽含量低濃度區(qū)。

圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)土樣內(nèi)各深度含水率變化圖

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)土樣內(nèi)各深度易溶鹽總量變化圖

以第7次凍融循環(huán)后試樣5的含水率和易溶鹽總量的變化為例，分析水鹽遷移規(guī)律。從圖3可以看出，下部土體樣本(12 ~ 20cm)含水率隨遞增的深度而增加、易溶鹽總量隨深度增加而降低，原因是凍結(jié)鋒面穩(wěn)定在14cm，底部的供應的水不斷向凍結(jié)鋒面處遷移，水分運動引起溶質(zhì)對流和機械彌散作用，使易溶性鹽也向凍結(jié)鋒面處移動，同時，補水源地的水溶液與土樣中液相水溶液的濃度差引起的濃度梯度，使土樣中的鹽分不斷向下部水源移動，發(fā)生分子擴散運動。溶質(zhì)對流、機械彌散和分子擴散共同導致12~20 cm土體樣品中易溶鹽總量上高下低。水分含量和易溶鹽總量為13cm深度達到很高的狀態(tài)，這是由于凍結(jié)鋒面穩(wěn)定后，不斷有水分攜帶著鹽分向附近遷移，導致這個位置存在一個高含水率和高鹽濃度區(qū)。土樣中部(4~12 cm)的含水率和易溶鹽總量隨深度變化不大，基本保持穩(wěn)定。頂端的土樣在3cm處，鹽含量明顯降低，因為土體樣本頂端開始凍結(jié)的初期，頂端的水分和鹽分供應只能由土體樣本本身提供，3cm土層中的鹽分遷移到1cm土層中。由于頂端凍結(jié)溫度較低(-15℃)，凍結(jié)鋒面向下移動的速度快于水鹽向上遷移的速度。頂端的土層凍結(jié)得很快。凍結(jié)后，頂端土層的未凍水含量很低。此外，低溫下鹽分溶解度的降低，使得土體樣品下部的鹽分難以補給到3cm深度。

圖3 第七次凍融循環(huán)結(jié)束后土樣含水率與易溶鹽總量隨深度變化曲線

5.結(jié)論

5.1 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土樣整體的含水率和易溶鹽總量都升高。

5.2 單向凍結(jié)作用使水分向頂部冷端方向遷移；單向融化作用會使土樣上部正融土的水分向下遷移，底端供給的水分向上遷移。凍結(jié)和融化作用都會使土樣底端供給的水源向上大量遷移。

5.3 土樣在凍結(jié)鋒面穩(wěn)定處附近出現(xiàn)一個水分和鹽分的聚集帶，此位置的含水率和易溶鹽總量均高于相鄰的上下土層。