斥水劑對濕陷性黃土持水性能的影響

張 科

(惠州市綠景水土保持咨詢服務有限公司，廣東 惠州 516001)

我國西北、黃河中游分布廣泛的濕陷性黃土，遭遇浸水后在飽和自重壓力或者附加壓力作用下，破壞土體原有結構。浸水、附加壓力是黃土濕陷發生的必要條件，黃土濕陷具有突變性、非連續性和不可逆性等特征[1]。隨著社會飛速發展，黃土濕陷性成為制約我國西北、黃河中游地區發展的重要難題。

伊犁位于我國西北，伊犁黃土是典型的風積黃土，具有密度小，含水小，飽和度小等特點，黃土分布范圍廣。由于其濕陷性強烈，容易遭受水流沖刷造成水土流失和雨水下滲，易在降雨入滲、污水排放、地下水變化等作用下破壞建筑物[2]。因此，研究濕陷性黃土的持水性能、飽和含水率對于防止水土流失和工程建設非常重要。

目前關于高分子化合物對土壤持水能力的影響研究較多，單志杰[3]研究發現EN-1固化劑可以降低土壤持水能力，劉月梅等[4]研究了EN-1離子固化劑對黃土持水、供水等水分特征的影響，結果表明：固化劑降低了土壤的持水能力。王銀濤等研究表明：隨著HEC摻量的增加，黃土持水性降低，比水容量逐漸減小；HEC對黃土強度有一定的增強作用。周采景等[5]研究發現有機物質的類型和含量對土壤持水能力有影響，一般水中含有一定量的有機物質可以提高土壤持水能力。林輝等[6]研究了斥水劑作用下土壤物理性質變化規律試驗研究。吳珺華等[7]研究了斥水劑對非飽和土壤抗剪強度的影響。楊邦杰等[8]研究了斥水性土壤及其引起的土壤退化問題。商艷玲等[9]研究了再生水灌溉斥水土壤斥水性變化規律。目前關于斥水性土壤的研究主要集中在土壤學[10]與農業科學領域[11]和水利工程等領域。但是土壤親水性是引起邊坡失穩[12]、地表變形[13]、滲透破壞等[14，15]現象的主要原因之一。因此，有必要研究斥水劑對濕陷性黃土持水、供水特征的影響規律，對于防止水土流失和生態保護是十分有必要的。

本研究采用室內模擬試驗，以新疆伊犁昭蘇縣特克斯河的風積黃土為研究對象，通過在黃土中添加斥水劑，研究斥水劑含量、土壤含水率對濕陷性黃土持水性能、比水容重和累積蒸發量的影響規律，可為斥水劑應用于濕陷性黃土生態防護和水土保持提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為新疆伊犁昭蘇縣特克斯河的Ⅳ級階地的風積黃土，具有“密度小，含水小，飽和度小；黃土分布厚度大(黃土厚度大于30 m)，孔隙比大”等特點，土樣呈土黃色，土質從上到下質地均勻。取深度為0～2.5 m內的原狀土，將試樣混合均勻后測試其基本物理性質。試驗土樣基本物理性質指標見表1所示，試驗所用斥水劑為二甲基二氯硅烷[(CH3)2SiCL]。

表1 黃土基本物理性質指標

1.2 試驗設計與試驗方法

室內土壤物理試驗溫度控制在21℃左右，蒸發試驗控制溫度為28℃～32℃，供試土壤經風干后過2 mm篩網備用。設置5個不同斥水劑處理、4個不同土壤含水率處理和1個對照處理，即將斥水劑(g)與濕陷性黃土(g)分別按0、1%、1.5%、2%、2.5%、3%的不同質量比混合(以干土質量計算)，標記為CK(對照組)、K1、K1.5、K2、K2.5、K3；土壤含水率(體積含水率)設置為7.8%、10.0%、15.0%、20.0%、25.0%，分別記作θ(對照含水率)、θ10、θ15、θ20、θ25。

試驗采用完全隨機分組試驗設計方法，測定斥水劑對不同含水率濕陷性黃土持水性能的影響規律，每個處理設3個重復。

1) 土壤持水性能的測定

將加入斥水劑的黃土按設計含水率分層裝入有機玻璃管(高為14 cm，內徑為10.5 cm)中，裝土高度為10 cm，玻璃管上端用塑料薄膜密封，在室溫條件下養護10 d后，使用離心法測定土壤水吸力。

離心法所使用的離心機為日產CR21G型高速冷凍離心機，溫度為20℃，其轉速和離心時間見表2所示，離心速度由低到高，每次離心后稱重(離心盒+含重)，結束后烘干土樣并稱重，通過計算不同土壤水吸力下的含水量擬合土壤水分特征曲線。

表2 不同水吸力下離心機轉速和時間

2) 土壤飽和導水率的測量

將不同處理黃土分層裝入有機玻璃管(玻璃管高×內徑：25 cm×10.5 cm，壁厚0.5 cm)中，裝土高度為5 cm，玻璃管底部用紗布(200目)封閉，利用塑料薄膜密封有機玻璃管上端，室溫養護10 d，采用定水頭法測定黃土飽和導水率[5]。

3) 對土壤水分蒸發的影響

將不同處理黃土分層裝入有機玻璃管(同上)中，裝土高度為20 cm，室溫養護10 d，將玻璃管下端浸入水中，充分吸水48 h后，排除重力水后將試樣放入人工氣候室中，每天稱量試樣重量，通過試樣重量變化計算黃土的累積蒸發量。

1.3 數據處理

利用Excel對數據進行處理和繪圖，應用SPSS軟件進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 斥水劑對土壤水分特征曲線的影響

通常利用土壤水分特征曲線表征土壤水吸力和土壤含水量之間的關系，土壤持水能力通過曲線高低表示(即a值大小)[16-17]。黃土中添加斥水劑養護10 d后，用環刀取樣并利用自然蒸發法測定土壤水分特征曲線，然后利用Gardner模型進行擬合(經驗方程θ=aS-b)，擬合方程和參數如表3所示。研究表明[5]a值可以反映土壤持水能力的強弱，b值反映土壤水勢降低的快慢。

從表3可以看出，不同含水率條件下，土壤水吸力和含水率之間均符合Gardner模型關系，與黃土中是否添加斥水劑無關，相關系數均達到極顯著水平(P<0.01)。

表3 土壤水分特征曲線擬合參數

不同含水率條件下，各處理a值總體小于對照組(CK)a值。當土壤含水率為10%時，a值隨著斥水劑含量的增加而逐漸減小，但是，當斥水劑含量為3%時，a值增大；當土壤含水率為15%、20%和25%條件下，斥水劑含量在1%～2.5%范圍內時，a值隨著斥水劑含量的增大逐漸減小，當斥水劑含量大于2.5%時，a值會逐漸增大。添加斥水劑能夠降低黃土的持水能力，但隨著斥水劑含量的增加先減小后增大。當斥水劑含量為1%～2.5%時，由于斥水劑的斥水作用引起土壤吸水能力下降，同時土壤孔隙水、毛管水含量降低，從而導致黃土持水能力下降；當斥水劑含量超過2.5%后，土壤中膜狀水開始流失，土壤過于干燥最終土壤持水能力逐漸增強。

土壤含水率與水吸力之間均符合Gardner模型關系，當土壤水吸力較低時，各處理土壤水分特征曲線比較陡直，表明土壤水分下降速率較快，但是，當土壤水吸力逐漸增大曲線變化逐漸趨于平緩，隨土壤水吸力增大土壤含水量逐漸降低。

從a值變化情況可以看出(見表3)，土壤中添加斥水劑后，曲線斜率絕對值總體比對照組小(土壤流失水分的能力對照組低)。說明在黃土中添加一定量的斥水劑后，會對濕陷性黃土的持水能力造成一定的影響。通過對土壤水分特征曲線分析可知，在土壤含水率相同條件下，土壤持水能力隨著斥水劑含量的增加先減小后增加，即a值先減小后增大，當添加1%～2.5%的斥水劑時，土壤持水能力隨斥水劑含量增加逐漸降低，當斥水劑含量大于2.5%時，土壤持水能力逐漸增大。當土壤水吸力相同時，土壤含水率越大土壤水分飽和度越大，水分特征曲線變化越平緩，說明隨土壤含水率的增大土壤水分特征曲線變化越平緩。

2.2 斥水劑對土壤比水容重的影響

土壤水分特征曲線只能反映土壤持水能力，可以通過土壤比水容量C(θ)(表達式為：來表示土壤水分有效性，比水容量表示土壤可釋放或儲存水量能力的強弱，是指單位基質勢變化所引起的土壤含水率的變化，其值為土壤水分特征曲線斜率，可以通過水分特征曲線方程計算。土壤供水能力一般由a×b值和(b+1)值綜合決定，土壤失水速度有b+1表示。a×b值越大土壤耐旱性能越強；(b+1)值越大土壤失水越快(比水容量變化越大)[5]。

從表3中可以看出，當黃土中添加斥水劑后各處理的供水能力(a×b)均小于對照組，但是當斥水劑含量為2.5%時，相比對照組其他處理間差異顯著性不明顯；在不同含水率條件下，土壤供水能力隨斥水劑含量增加現減小后增大，但土壤失水速度變化與對照組差異不大。說明黃土中添加1%～2.5%的斥水劑后降低了土壤的供水能力。

圖1為斥水劑含量對黃土比水容重的影響。圖1(a)為土壤含水率為15%時，斥水劑含量對比水容重的影響，從圖1(a)中可以看出，添加斥水劑后，各處理土壤比水容重大于對照組，當土壤水吸力小于4 MPa時，各處理間差異明顯，隨著土壤吸力的增大，各處理間的差異逐漸變小；當土壤水吸力相同時，比水容重隨斥水劑含量的增加先增大后減小。當斥水劑含量為2.5%時，比水容重整體高于其他處理。在不同含水率條件下，斥水劑含量對黃土比水容重的影響變化規律相同，都隨斥水劑含量的增加先增大后減小，當斥水劑含量為2.5%時對土壤比水容重影響最大。

圖1(b)為斥水劑含量為1.5%時，土壤含水率對比水容重的影響為例進行分析。圖1(b)和圖1(a)的變化趨勢基本相同，當土壤水吸力相同時，比水容重隨土壤含水率的升高先增大后減小。當土壤含水率為20%時，比水容重達到最大。黃土中添加斥水劑降低了土壤的供水能力，土壤供水能力隨斥水劑含量、含水率的增加先增大后減小，當斥水劑含量為2.5%、土壤含水率為20%時，對黃土供水能力的影響最大(其供水能力最強)。

(a)斥水劑含量對比水容重的影響

2.3 斥水劑對黃土飽和導水率的影響

通過土壤飽和導水率可以反映土壤入滲性能、土壤透氣性和溶質遷移性能。土壤飽和導水率主要受土壤顆粒組成、有機質含量等的影響。研究斥水劑對土壤飽和導水率的影響對濕陷性黃土地區的生態環境防護具有重要意義。土壤飽和導水率利用定水頭法測定(養護10 d)。斥水劑含量對土壤飽和導水率的影響見圖2所示。

從圖2可以看出，不同處理條件下，土壤飽和導水率在0.21～0.52 mm/min范圍內。當土壤含水率相同時，土壤飽和含水率隨斥水劑含量增加表現為減小先后增大的變化趨勢。斥水劑含量小于2.5%時，飽和導水率隨斥水劑含量的增加逐漸減小，斥水劑含量為2.5%時，土壤飽和導水率達到最小，當斥水劑含量對2.5%后飽和導水率會逐漸增大；各處理條件下，其飽和導水率均低于對照組(CK)，且差異顯著(P<0.05)。有前面分析可知，隨斥水劑含量增加土壤持水能力先減小后增大，當土壤水持水能力下降時其飽和導水率下降。飽和導水率土壤水持水能力的增加而增加。隨當斥水劑含量相同時，土壤含水率對飽和含水率的影響也表現為隨含水率增大先減小后增大的變化趨勢，當含水率為20%時，土壤飽和導水率最小。土壤飽和導水率隨著斥水劑含量、含水率的增加先增加后降低，當斥水劑含量為2.5%、含水率為20%時土壤飽和導水率最小。

圖2 斥水劑對土壤飽和導水率的影響

2.4 斥水劑對土壤水分累積蒸發量的影響

圖3為添加斥水劑后對土壤水分累積蒸發量的影響。通過計算不同時段黃土的蒸發量，可以得到不同時段黃土水分累積蒸發量。從圖中可以看出，在不同含水率條件下，添加斥水劑土壤累積蒸發量隨時間變化規律和對照組相同，斥水劑并不會改變黃土的蒸發規律，但是各處理土壤累積蒸發量均高于對照組，添加斥水劑會加快黃土水分蒸發。不同處理條件下，在前20 h內黃土蒸發速度較快，蒸發時間大于20 h后，黃土蒸發速度逐漸變小。不同斥水劑含量處理下，各處理間黃土累積蒸發量差異不顯著；當斥水劑含量為2.5%時，黃土累積蒸發量最大。斥水劑含量相同時，黃土累積蒸發量隨含水率的增加先增大后減小，黃土含水率為25%時累積蒸發量最大，不同含水率處理間土壤累積蒸發量變化規律不顯著。

(a)7.8%含水率

3 結語

1) 不同含水率條件下，土壤水吸力和含水率之間均符合Gardner模型關系，和黃土中斥水劑含量無關，相關系數均達到極顯著水平(P<0.01)。斥水劑能夠降低黃土的持水能力，但隨著斥水劑含量的增加先減小后增大，隨土壤含水率的增大土壤水分特征曲線變化越平緩。

2) 黃土中添加斥水劑降低了土壤的供水能力，土壤供水能力隨斥水劑含量、含水率增加呈現先增大后減小的變化趨勢，當斥水劑含量為2.5%、土壤含水率為20%時，對黃土供水能力的影響最大。

3) 黃土中添加斥水劑后，土壤飽和導水率隨著斥水劑含量、含水率的增加先增加后降低，當斥水劑含量為2.5%、含水率為20%時土壤飽和導水率最小：黃土水分累積蒸發量也表現出相同變化規律，添加斥水劑會加快黃水水分蒸發。