大孔隙位置對飽和土壤水及溶質運移影響的實驗研究

張瑞鋼，楊 夢，張振坤，湯志恒

(合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230000)

土壤中養分和化學物質會通過優勢流通道快速遷移至深層含水層或地下水，導致土壤和地下水受到嚴重的污染[1]，其中最常見的優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，如土壤結構和質地、初始含水量、土地類型和耕作方式等[3]，而大孔隙結構作為最直接的影響因素，錯綜復雜且能夠顯著改變水及溶質的優先運移過程。綜合國內外研究進展發現，以往對大孔隙結構的研究主要集中在大小、形狀、數量和連通性上[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量)條件下不同位置的研究幾乎沒有涉及。優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觀測；人造大孔隙實驗具有可重復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構進行人為控制，故采用室內人造大孔隙實驗，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優勢流運移的影響，從而為土壤水分及溶質遷移規律、土壤與地下水污染防治提供科學參考。

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壤粘土，土壤機械組成見表1，基本物理性質見表2。

表1 土壤機械組成

表2 土壤物理參數

1.1.2 實驗裝置系統

實驗系統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(內徑194 mm，高450 mm)，內部裝有20 cm高的土樣，土樣頂部鋪有細砂使溶液均勻入滲且減少表面擾動，底部鋪設不同粒徑組成的砂石作為反濾層起到濾水擋土的作用。土柱上端設有連接馬氏瓶的進水口，通過調節馬氏瓶進氣管高度使水位控制在6cm處，下端設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；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的大孔隙位置關系為例進行研究，由于完全分離型為假設條件，故采用1個1 mm大孔隙的實驗數據換算(圖2a)；完全聚集型設置為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生。土柱邊壁用砂紙打磨使內壁和土體的摩擦力增大從而減少邊壁流現象，然后按控制干容重進行裝填。裝填完成后按照設定大孔隙位置插入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，能夠將大孔隙壁土壤顆粒聚合從而穩定人造大孔隙，待土壤充分吸收后將土柱放入水箱中飽和48 h。另設一組無大孔隙的均質土柱作為對照組，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。實驗過程中根據溶質濃度的變化速度5分鐘到1小時收集一次滲濾液，同時記錄時間、水量和溶質濃度，由于電導率與溶液中的離子濃度成正比，因此可用電導率的測量代替Br離子濃度的測量，便于操作的同時也減弱了溶質在土壤中吸附和交換的影響。

2 結果與分析

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，除均質土柱流速較穩定外，其余都有一定程度的波動，是優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出先增大后減小最后到達穩定的特征。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，且聚集型和分離型遠大于其余三種類型，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。優勢流存在于大孔隙周圍一定基質范圍內[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象比聚集型和分離型要弱，可能是因為當多個大孔隙無限聚集形成單個大孔時，相互作用機制轉化為“孔徑尺寸”的作用機制(即因優勢通道孔徑改變引起的優勢流變化)，從實驗結果看，多孔隙相互作用機制對優勢流的影響要遠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)穩定時已與均質土柱流速相當，這與大孔隙的逐漸堵塞有關。

2.2 溶質穿透過程分析

各土柱的溶質穿透曲線如圖4所示，橫坐標為相對孔隙體積(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

從發生在0～1孔隙體積的溶質初始穿透來看，大孔隙土柱穿透曲線前端都會出現一個小“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，表現出與初始出流速度相一致的規律。“凸起”現象反應了溶質的早期穿透，也是優勢流的典型特征之一，大孔隙發育水平越高，溶質越容易直接從大孔隙中出流，“凸起”現象越顯著。P. Kanchanasut[8]在飽和人造大孔土柱中發現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到0.5，在人造裂隙中幾乎瞬時在不到1 min之內相對濃度就能達到0.5，由此可見優勢流通道的存在對初始溶質運移影響很大。本實驗聚集型大孔隙土柱在5分鐘內相對濃度達到0.56(表3)，表現出強烈的早期穿透，說明溶質從優勢流通道中快速遷移，優勢流現象較明顯；分離型和完全聚集型分別在90和194 min時出現溶質穿透，表現出中等程度的優勢流；完全分離型327 min出現初始穿透，優勢流現象較弱。

表3 不同位置大孔隙土柱溶質穿透特征

2.2.2 不對稱和拖尾特征

從圖4中能夠看出溶質穿透曲線存在不同程度的不對稱和拖尾現象，其原因是溶質經過優勢流通道和土壤基質路徑運移時間的差異。前期溶質運移主要是大孔隙結構引起的優勢流起主導作用，基質作用較弱，同時由于橫向水動力彌散作用使水及溶質發生側向入滲到周圍基質中，此時土壤中溶質分布呈現出以大孔隙為中心的輻射狀態。中期階段隨著自來水將大孔隙及大孔隙壁中的溶質淋洗出來使優勢流中的濃度逐漸降低到接近零，但基質中仍然存在一定濃度的溶質，后期基質中溶質的緩慢出流導致溶質穿透曲線出現較長的拖尾特征。另外聚集型大孔隙土柱出現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作用，峰值濃度較高且位置靠前，第二峰值為基質流起主導作用，峰值濃度較低且位置靠后，其余土柱由于優勢流程度較低未表現出明顯的雙峰特征。

2.3 優勢流程度定量分析

優勢流的程度可以通過采用多種數學參數或指標對水或溶質的通量及含量數據進行量化，這些指標一般都可以通過穿透曲線來得到，例如時間矩、延遲因子、反應溶質早期到達趨勢的歸一化5%到達時間和歐拉表觀彌散系數等，都已經被用于評價土地利用、土壤性質和有機碳含量對優勢流程度的影響研究[9]。歸一化5%到達時間被認為是最可靠的穿透曲線形狀參數，其值可以作為優勢流程度的指標[10]。因此本研究選取該指標定量評價優勢流程度，計算過程如下[10]：

是所給出溶質穿透曲線(即溶質平均到達時間)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據中計算出來的。歸一化穿透曲線推導如式(2)所示：

(2)

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

(3)

指標為歸一化溶質到達時間的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%溶質到達時間p0.05見表4，p0.05值越小，優勢流程度越高。

表4 不同位置大孔隙土柱溶質歸一化5%到達時間

從表4可以看出優勢流程度為：聚集型>分離型>完全聚集型>完全分離型>均質，表明大孔隙位置對溶質優勢流運移程度的影響較大。對于非反應性溶質而言，在經過優勢流通道快速遷移的過程中會與周圍土壤基質形成有限的相互影響，并通過內部的多孔介質結構體進行溶質交換，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運移的影響可能與引起溶質在土壤介質中的彌散系數變化有關，若大孔隙間距大于其影響半徑，就表現為獨立的運移過程，與單孔條件具有同樣的彌散系數(如完全分離型)；若小于其影響半徑，大孔隙之間發生復雜的相互影響，就會具有更大的彌散系數，但當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，此時影響優勢流的機制主要與大孔隙直徑相關的水力學參數有關。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經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，并最終使得影響優勢流的主要機制由相互作用影響轉化到單一孔徑影響。綜上認為，大孔隙位置對優勢流影響的關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，以及對這兩個關鍵值進一步探索。

3 結語

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