粉煤灰場復墾地層狀土壤水分變化

摘要：應用土柱試驗研究不同覆土厚度粉煤灰處置場復墾土壤水分運動特征，并基于研究區干濕年份的氣象數據進行土壤剖面年含水量變化的相似模擬，以探討此種特殊土壤剖面在極端氣候條件下的持水能力，為復墾土壤植物栽種時的田間水分管理提供理論依據和技術支持。結果表明，低地下水位（-300 cm）條件下，干旱與潮濕年份的復墾土壤整個剖面各監測斷面的含水量相差0.10 cm3/cm3左右，表層土壤的含水量變化幅度更大，干旱年份較長時間在0.20 cm3/cm3以下，潮濕年份基本都保持在0.20～0.30 cm3/cm3，雨季甚至會超過0.30 cm3/cm3；當地下水位較高（-115 cm）時，由于粉煤灰基質的水分吸持能力較強，整個粉煤灰層的含水量在相當長的時期內保持在近飽和狀態，表層土壤的含水量也超過沙壤土的田間含水量，即使是在干旱年份也存在此現象。

關鍵詞：土壤水分；復墾；土柱試驗；粉煤灰場

中圖分類號：TD88 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）20-4898-05

Moisture Movement of Stratified Soil in Reclamation Land of Fly Ash Disposal Sites

YU Jia-he，CHEN Xiao-yang，YAN Jia-ping，YANG Xiu-fang，TAN Hai-yang，LIU Ying

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， Anhui， China）

Abstract： Soil column experiments were conducted to study the moisture movement characteristics in soil of reclamation land in fly ash disposal sites with different thickness of covering soil. Based on the meteorological data of the research area， the annual changes of moisture content in the reclaimed soil profile were simulated to explore moisture holding capacity of the particular soil profile under extreme weather conditions and provide theoretical proofs and technical supports for field water management of the reclamation soils when plants are to be cultivatal. The results showed that under low groundwater table condition （-300 cm）， the difference of moisture content at various monitoring sections of the reclaimed soil profiles between dry and wet year was about 0.10 cm3/cm3. The difference in surface soil was bigger when the water content of surface soil was below 0.20 cm3/cm3 in dry years. The water content of surface soil was maintained at 0.20～0.30 cm3/cm3 in wet years and could be higher than 0.30 cm3/cm3 during rainy season. Under high groundwater table （-115 cm） condition， water content in fly ash layer remained at nearly saturated state for a long time owing to strong moisture sorption ability of fly ash. The water content of surface soil also exceeded that of sandy loam， even in dry years.

Key words： soil moisture； reclamation； soil column experiment； fly ash disposal sites

煤炭開采與燃燒利用直接引發兩大環境負效應——采煤塌陷和粉煤灰固體廢棄物。粉煤灰由于其特殊的物理、化學特性，在工業和農業領域具有廣闊的應用前景[1-3]。據統計，2005年中國和印度的粉煤灰產量分別為1.00億t和1.12億t，而當年利用率僅分別為45%和38%[4]，大量的粉煤灰尚堆積在粉煤灰場，導致周圍生態環境的二次污染。

將粉煤灰作為基質充填采煤塌陷區或者直接在處置場的粉煤灰上部覆土，重構土壤剖面以培栽植物在技術上是可行的[5]。實際上，我國已存在許多這方面的工程實踐，并且一些專家學者從粉煤灰充填重構土壤的理化性質、肥力和污染物蓄積等方面進行了詳細的研究和報道[6-10]。不可否認的是，由于粉煤灰基質的特殊性，復墾土壤剖面水分運動特征與自然農業土壤存在一定差異，需加強復墾地水分管理，以保證理想的植物生長或作物產量。本研究在現場調查的基礎上，在實驗室建立土柱模型進行模擬試驗，以期獲得不同氣象條件下復墾土壤的水分平衡機理，為粉煤灰處置場復墾土壤的田間水分管理提供理論依據和技術支持。

1 研究區域概況

淮南市位于淮河中游，安徽省中部偏北，地處東經116°21′21\"—117°11′59\"、北緯32°32′45\"—33°01′14\"，屬大陸性暖溫帶半濕潤季風氣候，表現為氣候溫和，雨量適中，日照充足，四季分明，梅雨顯著，過渡性明顯。年平均氣溫為15.3 ℃（1955—2006年氣象資料統計），全年無霜期224 d，太陽輻射年均總量514.3 kJ/cm2，年均降雨量915 mm，年均水面蒸發量790 mm。研究區的粉煤灰處置場位于淮南市東部、淮河以南的上窯鎮。上窯灰場是在淮河、窯河相交的三角洼地建起的，現含有田電灰場、洛河復墾灰場、洛河老灰場、停用灰場和洛河新灰場（圖1），主要用于處置田家庵和洛河兩個燃煤電廠濕法排出的粉煤灰，灰場占地總面積超過400 hm2，總儲量約2 000萬m3。田電灰場和洛河新灰場正在使用，停用灰場正在進行粉煤灰綜合利用，洛河復墾灰場和洛河老灰場現已覆土復墾。

洛河老灰場于1999年停止使用，并在粉煤灰上部覆土，2001年復墾作為農業用地，輪種小麥和黃豆。2010年開始，部分復墾場地改為工業和建筑用地。洛河復墾灰場的建設和使用時間雖稍晚，但情況與洛河老灰場類似。通過研究區現場調查，粉煤灰復墾地表土厚度不均勻，變化范圍為20～50 cm，表土質地為沙壤土，粉煤灰以粉粒為主（約占80%），少有黏粒和細沙。

2 試驗方法

2.1 室內土柱試驗

土柱試驗被用來作為粉煤灰處置場復墾地層狀土壤水分運動的相似模擬。依據研究區復墾土壤剖面的現場調查結果，表土厚度以20～50 cm為主，因此分別設置2種不同的表土厚度（20和35 cm）土柱，每種覆土厚度做3個重復土柱。表層土壤的初始含水量為0.116 9 cm3/cm3，容重為1.450 g/cm3；粉煤灰基質的初始含水量為0.088 4 cm3/cm3，容重為0.884 g/cm3。對于覆土厚度為20 cm的土柱，分別在深度為19、49、79和108 cm處設4個不同的監測斷面，而覆土厚度為35 cm的土柱分別在深度為5、34、64、94和123 cm處建立5個監測斷面。每個監測斷面都放置張力計-傳感系統（Tensiometer-transducer systems，TTS）以測定土水勢，放置時域反射計（Time-domain reflectometry，TDR）以測定土壤體積含水量。

土壤水運動監測系統裝置是由德國UGT公司開發研制的。整個系統主要分為土柱模型、數據采集系統、數據記錄系統和計算機處理軟件系統4個部分。土柱模型為圓柱形，高176 cm，直徑30 cm。底端設有半滲透性膜層，并有接口與地下水位控制裝置相連。所用張力計-傳感系統的型號為Tensio150，數據記錄儀的型號為DL100。試驗分兩個階段進行：第一階段，模擬低地下水位（-300 cm）的情況。每天用蒸餾水灌溉土柱，灌溉量為20 mm/d，直到土壤剖面的體積含水量接近田間持水量，此時土柱底端開始設置吸力泵抽取土壤水分，吸力為10 kPa，繼續用蒸餾水灌溉，灌溉量為20 mm/d。第二階段，增加地下水控制裝置，設置所有土柱的地下水位為

-115 cm（高地下水位），并繼續開始用蒸餾水灌溉，灌溉量仍然為20 mm/d。每階段連續試驗15 d。整個試驗階段，張力計-傳感系統和時域反射計不間斷工作，每小時記錄一組數據。

2.2 土壤水分運動數學模型

對于垂直一維非飽和土壤水分運動的模型，一般應用Rechards方程來描述[11]，方程見公式（1）。

■=■Kh■-■ （1）

式（1）中，θ為體積含水量，單位為cm3/cm3；t為時間，單位為d；z為垂直坐標（向下為正），單位為cm；Kh為不飽和導水率，單位為cm/d；h為土水勢，單位為cm H2O。

由于實驗室溫度恒定在20 ℃左右，土柱頂端未安裝模擬蒸發設備，蒸發作用微弱。因此，在整個試驗階段土壤的蒸發作用被忽略，上邊界條件依據灌溉方式和灌溉量來選擇。對于下邊界條件，在土壤入滲過程模型驗證和模擬時設為入滲鋒面；在模擬年不同氣象條件下土壤水分變化狀況時選擇自由排水或恒定水含量。初始條件以含水量來設定。

2.3 水分運動特征參數測定

土壤和粉煤灰的質地分析應用比重計法，持水曲線、飽和導水率在實驗室里按照測試擾動土水分運動特征參數的方法測定。土壤水吸力的對數值pF為1.0、1.8和2.5時，對應含水量的測量用吸力平板儀；pF為4.2時，對應含水量的測量用壓力膜儀。含水量的最終測試是在烘箱中105 ℃烘干24 h后稱重獲得。同時，用氦氣比重瓶測定固體基質的土粒密度，以近似計算飽和含水量。測試結果應用Van Genuchten的持水曲線經驗公式（公式2）進行擬合，繪制固體基質持水曲線，并估計水分運動參數[12]。另外，用滲透儀測定不同固體基質的飽和導水率，并應用Mualem[13]預測的不飽和土壤導水率經驗公式（公式3）進行擬合。

θh=θr+（θs-θr）/[1+|αh|n]m （2）

Kh=Ks·S■■1-1-S■■■■ （3）

Se=（θh-θr）/（θs-θr） （4）

式（2）-（4）中， θh為土壤含水量，單位為cm3/cm3；θr為殘余含水量，即永久凋萎點，單位為cm3/cm3；θs為飽和含水量，單位為cm3/cm3；Kh為不飽和導水率，單位為cm/s；Ks為飽和導水率，單位為cm/s；Se為有效含水量，單位為cm3/cm3；L為土壤孔隙結構參數（通常取0.5），無量綱；m、n、α為持水曲線形態參數，其中m=1-1/n，無量綱。

3 結果與分析

3.1 復墾土壤層狀土壤剖面結構

通過顆粒分析結果可知，粉煤灰以粉粒為主，沙粒次之，在質地上相當于粉壤土，但與粉壤土又存在明顯區別，主要表現為黏粒偏少，甚至可以忽略。與普通土壤粉粒相比，粉煤灰顆粒的礦物組分不同，比表面積更大。粉煤灰的容重較小，一般為0.80～1.00 g/cm3，而粉壤土通常為1.25～1.50 g/cm3。粉煤灰的孔隙度比粉壤土大，其顆粒比表面積大，吸持水分的能力很強，飽和含水量在0.60 cm3/cm3以上。由于粉煤灰層的田間含水量較高，非飽和導水率往往大于相近質地的粉壤土或沙壤土。

將粉煤灰作為充填基質復墾煤礦塌陷區，或者直接在粉煤灰場覆土復墾，重建的農業土壤剖面與應用粉煤灰作為土壤改良劑不同，此時土壤與粉煤灰層次分明，潛水位以上往往形成土壤剖面的二元結構，即“土壤-粉煤灰”剖面結構。當然，工程實踐中由于煤礦塌陷區地下潛水位的差異，在潛水位較低時（無積水或季節性積水塌陷區）可能形成三元結構，即“土壤-粉煤灰-土壤”剖面結構，但考慮對作物生長產生明顯影響的土壤剖面深度有限，一般為-200 cm左右，研究中設置低地下水位（-300 cm），近似地以二元結構來替代。另外，粉煤灰場一般在使用前都做防滲處理，粉煤灰層與深層土壤或地下水物質能量交換受到限制，但水分在粉煤灰下層積聚形成新的“潛水位”，有時水位還很高，在-100 cm左右，復墾土壤的二元結構也很明顯。概化粉煤灰充填重構土壤剖面，自地面至地下潛水面（潛水位低時為地面至研究土壤剖面底端）土壤剖面劃分為兩層，上層為容重較高，持水能力、孔隙度和導水率均較低的土壤層；下層為容重較低，持水能力、孔隙度和導水率較高的粉煤灰層（圖2）。整個土壤剖面水分循環與轉化趨勢與自然農業土壤相近，但粉煤灰層的理化性質導致運動的連續性變差，表層土壤持水能力變差，供水條件下表土水分快速入滲至粉煤灰層。與之相對應，蒸發條件下粉煤灰層的水分卻很難通過毛管力向上運移，遷移量較小，表現出明顯的“土壤-粉煤灰”界面特征。

3.2 參數率定與模型驗證

前期研究結果顯示，由于質地差異，粉煤灰的田間持水量和飽和含水量均高于復墾地的表土層，殘余含水量基本在0.05～0.08 cm3/cm3，有效水含量為0.40 cm3/cm3。同時，當基質吸力小于10 kPa時，粉煤灰的含水量在0.5 cm3/cm3以上，且飽和滲透率也稍大于上覆土壤。后期研究通過擬合和參數率定，得到了復墾土壤表層土和粉煤灰基質的水分運動特征參數，具體見表1。

以土柱內2種基質的體積含水量模擬值為橫坐標，實測值為縱坐標，繪制散點圖（圖3）。由于繪圖過程中3個監測斷面即可說明問題，因此只保留了3個監測斷面數據，即土柱選取1個監測斷面，粉煤灰選取2個監測斷面。在第一階段試驗的近20 d內，土柱3個監測斷面的含水量變化趨勢與模擬值相似。覆土厚度20 cm和35 cm的相關點均基本圍繞1∶1擬合線分布。第二階段與第一階段試驗結果相近。因此可知Rechards方程可以用來描述類似復墾土壤剖面的水分運動。

3.3 低地下水位復墾土壤剖面水分變化特征

研究區的粉煤灰處置場復墾地在進行冬小麥栽種時，僅種植初期進行灌溉和施肥，中途一般不再灌溉，此時氣象條件顯得尤為重要。通過查閱淮南市近10年的降雨量和蒸發量資料，考察復墾地表層土厚度現狀在極端氣象條件下對整個土壤剖面持水能力的影響，對比資料顯示，淮南市自2001年以來，尚無極端干旱或洪澇災害發生，僅2003年和2004年的月平均降雨量與蒸發量的差值顯著區別于其他年份，其中2003年為潮濕年份，2004年為干旱年份。模擬研究應用的氣象條件數據見表2。

粉煤灰處置場一般選擇在塌陷區或低洼地帶，但在建設之初均做了防止滲濾液下滲處理，導致復墾地的地下水位相對較低。通過相似模擬研究可以看出，當覆土厚度為35 cm、地下水位較低（-300 cm）時，復墾土壤含水量變化明顯受到降雨量和蒸發量的影響（圖4）。干旱年份與潮濕年份的復墾土壤整個剖面各監測斷面的含水量相差0.10 cm3/cm3左右。尤其是表層（-10.0 cm）土壤的含水量變化幅度較大，干旱年份較長時間在0.20 cm3/cm3以下，而濕潤年份基本保持在0.20～0.30 cm3/cm3，雨季甚至會超過0.30 cm3/cm3。此時，覆土厚度與氣象條件相比對田間水分變化的影響微不足道。因此，覆土厚度為20 cm的土壤剖面水分變化趨勢與覆土厚度為35 cm的基本一致。另外，在干旱年份，盡管復墾地表層土壤較薄（20 cm），土壤含水量仍然會保持在0.15 cm3/cm3，能夠滿足植物生長需求。

3.4 高地下水位復墾土壤剖面水分變化特征

濕法排灰的粉煤灰處置場，雖然污水經抽吸、處理后循環利用，但處置場覆土復墾后，能形成區域內粉煤灰層的內澇積水，與高地下水位的復墾土壤水文條件相似。同時，有些礦山企業將粉煤灰綜合利用與煤礦塌陷區治理相結合，基于粉煤灰基質充填重構土壤剖面，當塌陷區地下潛水位較高時，也易形成高地下水位的復墾土壤水文條件。因此，高地下水位時復墾土壤整個剖面水分含量變化情況以及植物有效性研究具有重要意義。

設置高地下水位（-115 cm）進行實驗室相似模擬試驗。研究發現即使灌溉或降水的供水量貧乏（干旱年份），復墾土壤剖面的水分含量也非常高。如覆土厚度為20 cm的復墾土壤剖面（圖5），粉煤灰層自地下水位向上含水量呈連續遞減，但基本都超過了0.60 cm3/cm3，接近飽和含水量0.63 cm3/cm3。而表層沙壤土的含水量也很高，達0.40 cm3/cm3，高于試驗用土壤的田間含水量。這種復墾土壤水文條件有個很重要的特征，即土壤水分變化受降雨量和蒸發量的影響非常小，在粉煤灰基質強毛細管水分垂直向上運輸能力的作用下，表層土壤會源源不斷地得到水分供給，保證植物生長需求。但粉煤灰層的這種“內澇”現象所造成的表土高含水量對植物生長存在負效應，粉煤灰處置場復墾土壤進行植物栽培時，物種的選擇尤為重要。

4 結論

通過現場調查和實驗室相似模擬，Rechards方程能夠很好地被用來描述復墾土壤這種特殊土壤剖面的水分垂直運動。當復墾土壤的地下水位較低（-300 cm）時，土壤含水量變化明顯受到降雨量和蒸發量的影響，此時覆土厚度對田間水分變化的影響非常微弱。在干旱年份，盡管復墾土壤表層土壤較薄（20 cm），土壤含水量仍能夠滿足植物生長需求，主要是因為粉煤灰層較強的持水和毛管水垂直向上運輸能力。但當地下水位較高時（-115 cm），這種強持水和水分運輸能力卻會帶來負效應，使得整個復墾土壤剖面的含水量均常年接近飽和含水量，阻滯植物的生長，即使是在干旱的年份，這種負效應也存在。

參考文獻：

[1] CAO D Z， SELIC E， HERBEL J D. Utilization of fly ash from coal-fired power plants in China[J]. Journal of Zhejiang University Science A，2008，9（5）：681-687.

[2] RIEHL A， ELSASS F， DUPLAY J， et al. Changes in soil properties in a fluvisol （calcaric） amended with coal fly ash[J]. Geoderma，2010，155（1-2）：67-74.

[3] JAYASINHE G Y， TOKASHIKI，Y KINJO K. Recycling of coal fly ash and paper waste to improve low productive red soil in Okinawa，Japan[J]. Clean-Siol，Air，Water，2009，37（9）：687-695.

[4] PANDEY V C， SINGH N. Impact of fly ash incorporation in soil systems[J]. Agriculture， Ecosystems and Environment，2010，136（1-2）：16-27.

[5] 李世英，劉欽德，倪喜民.發電廠粉煤灰充填礦區塌陷坑方案可行性分析[J].煤炭技術，2002，21（10）：73-74.

[6] 胡振琪，戚家忠，司繼濤.粉煤灰充填復墾土壤理化性狀研究[J]. 煤炭學報，2002，27（6）：639-643.

[7] 王 輝，韓寶平，卞正富.充填復墾土壤水分豎直運動模擬研究[J].中國礦業大學學報，2007，36（5）： 690-695.

[8] 董霽紅，卞正富，雷少剛，等.徐州礦區充填復墾土壤特性實驗研究[J].水土保持研究，2008，15（1）： 234-237.

[9] 牟守國，董霽紅，王 輝，等.采煤塌陷地充填復墾土壤呼吸的研究[J]. 中國礦業大學學報，2007，36（5）：663-668.

[10] 胡振琪，魏忠義，秦 萍.塌陷地粉煤灰充填復墾土壤的污染性分析[J].中國環境科學，2004，24（3）：311-315.

[11] JACQUES D， ？譒IM■NEK J， TIMMERMAN A， et al. Calibration of Richards’ and convection-dispersion equations to field-scale water flow and solute transport under rainfall conditions[J]. Journal of Hydrology，2002，259（1）：15-31.

[12] GENUCHTEN V T M. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J]. Soil Science Society of America Journal，1980，44（5）：892-898.

[13] MUALEM Y. A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media[J]. Water Resources Research，1976，12（3）：513-522.