土壤潤濕性對土壤優先流形成的影響

郭溫凱　李寧　李一菲　錢天偉

摘要：通過室內土柱試驗研究土壤潤濕性對優先流形成的影響，并采用時間矩方法對試驗結果進行擬合，分析潤濕性對水分運動的影響。同時，采用保守性的示蹤劑曙紅Y染色示蹤來直觀地觀察不同潤濕性土柱中水分運動的特性，特別是優先流的形成。結果表明：普通石英砂柱中沒有形成優先流現象，親水性石英砂在水分運動的前鋒有不明顯的優先流存在，而疏水性石英砂土柱中形成典型的優先流現象。

關鍵詞：改性介質；土壤濕潤性；穿透曲線；優先流

中圖分類號：S152.7 文獻標志碼：A 文章編號：1002—1302（2016）01—0323—03

優先流是指土壤水沿大孔隙、裂隙、蟲穴洞以及作物根系等優先流通道，繞過大部分土壤基質快速通過土壤介質的現象。優先流是一種常見的土壤水分和溶質運移形式，受到包括土壤結構、溫度、質地、水分含量等許多因素的影響，其形成原因復雜多樣，一種眾所周知的簡單情形就是多孔介質中孔隙的隨機分布導致一些較大的孔隙連在一起而形成優勢通道，當水流在重力作用下滲入多孔介質時會傾向于沿著這樣的優勢通道形成優先流。濕潤鋒不穩定性也是優先流在土壤中產生的機制之一，由濕潤鋒的不穩定性引起的優先流通常稱為重力驅動的指狀流。除了不穩定的引力外，穩定毛細管作用力也對濕潤鋒形成擾動，結果也影響指流鋒的大小和速度。由于在土壤中毛細管作用力取決于其接觸角，所以優先流在土壤發展中會受到接觸角的影響。然而，受接觸角影響的優先流很少被人研究。

潤濕是一種表面現象，是指一種流體從固體表面置換成另一種流體的過程。固體表面積不容易改變和表面不均勻，導致物質的潤濕性仍很難確定，實際應用中可用接觸角來衡量。土壤斥水性是指水分不能或很難濕潤土壤顆粒表面的物理現象，具有斥水性的土壤稱為斥水土壤，斥水性土壤水分的下滲過程易出現指流（優先流的一種）。土壤斥水性會導致土壤水分不均勻分布，使水中攜帶的溶質（污染物）更快地進入地下水，加速土壤和地下水污染，同時優先流的形成還會降低土壤持水能力，較快的疏干表層土壤水進而造成提前干旱，加強地表徑流和侵蝕，并影響農藥、殺蟲劑等藥效的充分發揮，減少植物對水分和養分的吸收。

本研究通過化學方法對石英砂進行改性，來模擬潤濕性不同的土壤，并通過示蹤試驗和模擬計算研究潤濕性對土柱中優先流形成的影響，為進一步研究溶質運移動態及風險評價提供科學依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

不同潤濕性石英砂的制備：石英砂過125目篩（粒徑≤0.02 cm），用去離子水洗凈后，放人烘箱中120℃烘干，得到普通石英砂。將處理后石英砂浸于Piranha溶液（98%濃硫酸和30%雙氧水按體積比7：3混合而成）中，水浴加熱（80℃）至溶液無氣泡冒出；取出石英砂用大量去自來水沖洗，直到沖洗水的pH值接近中性為止，再用大量去離子水沖洗，沖洗完后再次放人烘箱中，100℃烘干，即可得到親水性石英砂；將親水性石英砂用十八烷基三氯硅烷（OTS，C₁₈H₃₇C₁₃si）浸泡，使它們的表面硅烷化，制成疏水性石英砂。改性石英砂的潤濕性可通過滴水穿透時間（WDPT）法、乙醇溶液入滲（MED）法以及毛細上升法進行驗證。

經OTS改性后的疏水性石英砂進行WDPT和MED試驗，結果顯示斥水性等級均為極度斥水。由于WDPT和MED的測定結果無法表征材料親水性程度，所以對于親水性的石英砂再用毛細上升法測定接觸角，進一步比較石英砂的親水性。經Piranha溶液浸泡后的石英砂與水的接觸角為17.34°，而未經改性的普通石英砂與水的接觸角為40.25°，說明酸化后的石英砂的潤濕性最強，普通石英砂次之，但兩者均為親水性介質。

1.2試驗方法

1.2.1試驗步驟 分別用親水性石英砂、普通石英砂、疏水性石英砂3種石英砂均勻填充6 cm×30 cm有機玻璃試驗柱，土柱上下均有進出水孔。采用馬氏瓶供去離子水飽和土柱，然后從土柱上端用蠕動泵注入Br-溶液（C_Br=0.17 mmol/L），供液6 h后換去離子水繼續供液，土柱底部采用部分收集器對流出液進行收集。

為了更加清晰觀察水流在土柱中的運動情況，同時進行了染色試驗。分別用親水性石英砂、普通石英砂、疏水性石英砂3種石英砂均勻填充6 cm×30 cm的有機玻璃試驗柱，土柱上下均有進出水孔。采用馬氏瓶供去離子水飽和土柱，調節蠕動泵流速達到穩定狀態（0.25 mL/s）后，向土柱頂部供濃度為5 g/L的曙紅Y示蹤劑溶液5 mL，之后換成去離子水繼續供液1 h后停止供水。試驗結束后將整個土柱剖開，觀測示蹤劑的運動軌跡。

1.2.2測試方法 根據GB/T 23845—2009《無機化工產品中溴化物測定通用方法》測定流出液中Rr-的濃度。（1）繪制標準曲線。依次使用移液槍精確移取0.01 g/L溴化物標準液1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 mL與0.001 g/L溴化物標準液0、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 mL于25 mL容量瓶中，加入0.5 mL乙酸-乙酸鈉緩沖溶液、3滴酚紅溶液，搖勻；隨后準確加入0.4 mL氯胺T溶液，搖勻；1 min后加入0.4 mL硫代硫酸鈉溶液，搖勻；使溶液脫氯，用水稀釋至刻度，搖勻，放置5 min，以試劑空白為參比，于590 nm波長處使用1 cm比色皿測定其吸光度。標準曲線以容量瓶中的溴化物含量為橫坐標，對應吸光度為縱坐標。（2）測定流出液中Rr-的濃度。使用移液槍精確移取10.0 mL流出液于25 mL容量瓶中，隨后加入乙酸-乙酸鈉緩沖溶液、酚紅溶液、氯胺T溶液和硫代硫酸鈉溶液，其加入量與繪制標準曲線溴化物標準液中的投加量一致，然后稀釋至刻度線，測定其吸光度。

2結果與分析

2.1 Br-在3種不同潤濕性土柱中的穿透曲線

從圖1可以看出，疏水性石英砂土柱中溴的穿透速度快于親水性石英砂土柱、普通石英砂土柱；另外，親水性石英砂土柱穿透曲線具有不對稱性和拖尾特征。

2.2時間矩方法

時間矩方法常用于穿透曲線的濃度分析研究，它屬于描述穿透曲線特征的一種統計學方法。時間矩定義如下：

2.3曙紅Y示蹤試驗

為了更好地觀察試驗柱中水流運動的具體路徑，采用曙紅Y染色示蹤，試驗結束后對土柱進行剖分。從圖2可以觀察到普通石英砂沒有形成優先流現象，親水性石英砂的水流運動速度快于普通石英砂，而且在水分運動的前鋒有不明顯的優先流存在；在疏水性石英砂中形成典型的優先流現象。

3結論

從時間矩陣法的計算結果來看，疏水性石英砂穿透時間最短，親水性石英砂的穿透時間最長，疏水性石英砂形成了優先流現象，親水性石英砂沒有形成明顯的優先流。結合曙紅Y染色示蹤的試驗結果可以發現，普通石英砂沒有形成優先流，親水性石英砂的水流運動速度快于普通石英砂，而且在水分運動的前鋒有不明顯的優先流存在，與穿透曲線結果不符，這可能是由于親水性石英砂柱子中形成了死孔隙，導致一部分水以較快速度流過土柱，同時死孔隙中的溶質又與可動區存在溶質擴散，這種可動與不可動區域間的溶質交換導致穿透曲線的拖尾和不對稱；同時，疏水性石英砂形成典型的優先流現象，其柱中水流速相對其他2類石英砂柱也明顯更快。