非飽和土基質吸力對溶質Br-垂向遷移影響試驗研究

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(1.寧夏公路勘察設計院有限責任公司，寧夏銀川750001；2.成都理工大學，地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川成都610059)

包氣帶土壤中溶質遷移過程是一個復雜多變的過程，受諸多因素影響，如土壤組成、溶質特性、土壤環境及其時空變異性等因素的影響[1]。土壤本身的特性是影響溶質遷移的一個基本因素，包括土壤基質吸力(含水率等因素影響)、顆粒成分、土中固液氣比例等[2]。大量研究表明，包氣帶土壤基質吸力受土壤質地、土壤含水量、密實程度和土中礦物成分等多個因素影響[3-6]。因此，在非飽和土溶質遷移研究中，土壤基質吸力的存在不可忽視，對溶質的遷移與分布影響研究意義較大。

目前，非飽和帶中污染物的遷移規律及影響因素的研究仍相對滯后，尤其是降雨條件下污染物在非飽和土中遷移的試驗研究還十分有限[7]。Grifoll 和Cohen[8]利用包氣帶中水氣兩相流動原理，建立了一維溶質運移方程，采用隱式有限差分法分析了包氣帶降雨和蒸發條件下溶質遷移規律。Marshall 等[9]通過建立一維非飽和土保守性溶質遷移模型，研究了隨機降雨入滲環境下溶質濃度的變化。王福利[10]運用一維土柱試驗，研究降雨過程中污染物運移規律時，發現溶質遷移的深度與降雨量的大小密不可分。王超[11]借助數值模型，分析了包氣帶分層土中溶質遷移與轉化過程，研究表明土中溶質的遷移與轉化規律與土層分層特性關系。李洪等[12]將有機物苯作為溶質，概化模擬了土壤淋溶過程中有機污染物的一維縱向運移。

本文在前人多年的研究基礎上[3-13]，秉承著由淺及深的漸進理念，將水文地質學與土壤學有機結合起來，從非飽和土壤某一特性(基質吸力)和化學性質相對穩定的溶質Br-出發，采用室內非飽和土柱試驗，對不同土壤質地和初始含水率所對應的基質吸力特性而引起的水流入滲與溶質遷移的變化規律分析，致力于土壤基質吸力對污染性溶質縱向遷移的影響，進一步揭示非飽和帶溶質遷移機理。

1 材料與設計

1.1 試樣與試驗系統

供試土樣取自成都平原黏土和岷江支流河漫灘砂土，在天然狀態下風干，碾碎，去除雜質，分別過18、270目篩(泰勒標準篩制)，制備不同顆粒級配的土樣[14]。根據中國土類質地劃分方案[15]，配制3種類型土樣，粉黏土、砂壤土和細砂土，其理化性質見表1，參照GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》測試。

試驗系統由土柱(有機玻璃制)、供液設備和數據采集設備3部分組成。土柱高60 cm，內徑15 cm；供液設備為自制“針頭式”定流量設備，由蠕動泵持續供水，提供均勻、穩定降雨；檢測設備為PC終端、基質勢數據采集器和基質勢傳感器(陶土頭進氣值>100 kPa)，均為實驗室自制設備，其中基質勢數據采集器是通過基質勢傳感器傳遞電流信息，將負壓值轉換為電流值被采集記錄，每30 min采集一次，傳感器經過標定后即可還原計算出土壤基質吸力值。

表1 試驗土樣基本參數

注：w為回填土初始含水率，ws為飽和含水率

1.2 試驗設計與過程

在室內進行垂向土柱連續降雨入滲模擬試驗，控制土壤質地(表1)和初始含水率(以砂壤土為介質)的土柱結構。制備3種質地試樣，分別為粉黏土、砂壤土和細砂土，并控制砂壤土的不同含水率條件因素，調節兩種含水率(自然含水率4.25 g/g)和10±0.5%(g/g)的含水率土壤進行試驗。

在土樣回填時，控制不同質地土壤的容重。土柱高度60 cm，最底部5 cm填充大顆粒砂礫石，依次是粒級稍小的砂石，放置一5 mm透水石，起固定透水作用；然后自下而上控制其容重依次回填供試土樣，每5 cm回填一次，擊實力量遞減，避免土壤分層現象；在最上部5 cm土柱回填時，放置一5 mm透水石，其上均勻撒上試驗樣品，上部繼續回填砂礫石，粒徑逐漸增大，緩減入滲過程中土體變形。待土柱回填完，靜置一周時間后開始試驗。試驗中，土柱由上到下分別在埋深15、30、45 cm處取樣測試Br-濃度(在空間尺度上，一般以取樣點2剖面為研究對象)，基質勢傳感器布孔分別埋置在12、22、35和50 cm處(上密下疏原則)，試驗裝置系統見圖1。

圖1 土柱試驗裝置系統

以0.05 mol/L NaBr溶液為示蹤溶劑，將200 ml溶劑一次性均勻噴灑在土柱表層后進行連續降雨淋溶實驗，降雨量控制在15 mm/12 h，檢測土壤中Br-隨降雨入滲的在縱向剖面上的溶質濃度遷移變化，直到土柱飽水后停止試驗。在降雨過程中，實時觀測濕潤鋒位置，在土柱不同埋深剖面處取樣測試，每次取樣2 g土樣，按土水比1∶25放入100 ml錐形瓶中，并在恒溫震蕩箱(25℃)中以220 r/min震蕩3 h，靜置12 h后用定性濾紙和水相濾膜(0.22 μm)制備試樣，用離子色譜儀(861 Advanced compact IC型)進行Br-濃度測試。

2 結果與分析

2.1 土壤基質吸力時空變化特征

在非飽和土中，保持在土壤中的水分受兩種吸力作用，其一是基質吸力，其二是滲透吸力，而土中水勢的測定主要是基質勢的測定問題[14]。基質吸力作為非飽和土所固有的一種應力，分析不同條件下的基質吸力變化對研究水分入滲和溶質遷移規律都有著積極作用。

2.1.1不同質地下的基質吸力變化

由于土壤不同質地的降雨入滲能力各不相同，粉黏土、砂壤土和細砂土的濕潤鋒分別在試驗歷時約230、170和130 h后到達土柱底部，此時土柱尚未充分飽和，故繼續降雨淋溶直到試驗進行280 h后結束試驗。

通過對3種不同質地的土柱進行連續降雨試驗發現，在時間尺度上，土壤基質吸力均隨降雨歷時而呈小幅度增加后大幅度減小到穩定的變化規律。圖2中，在降雨試驗前期，分別在前90、35和25 h時間段內為3種質地土壤(由黏到砂，下同)基質吸力的增長期，最大值分別達84.07、74.48和68.65 kPa，該過程歷時較短且未受土壤含水率變化影響。在降雨中土中孔隙被水填充，水對孔隙中的氣的代替驅趕使得土中氣一部分溢出土表層，一部分向下遷移，從而“降雨濕潤鋒未至而氣先達”，導致土壤基質吸力(孔隙氣壓力與孔隙水壓力之差)在短時間內波動性增長，在砂性土中吸力增長幅度明顯，黏性土中吸力波動顯著，這與其孔隙結構和土中氣密切相關，同時也是通常研究中所忽略的地方，即沒有考慮土中氣壓的影響；在試驗中期，分別在90～180、35～145和25～105 h時間段內為3種土壤基質吸力的聚降期。在試驗后期，分別在180、145和105 h后為3種土壤基質吸力的波動-穩定期。由于降雨下滲完全，土壤中水-氣分布較穩定，土中基質吸力波動不大，相對穩定。

圖2 連續降雨條件下不同質地土壤基質吸力的歷時曲線

在空間尺度上，不同時段各埋深剖面處的基質吸力也不盡相同，總體而言，埋深淺的剖面受降雨影響變化明顯，而埋深較深處的基質吸力相對穩定且較淺層更大。圖3中，在試驗前期，隨著降雨入滲，土壤淺層(埋深10～25 cm)基質吸力變化明顯，尤其是滲透性較強的砂壤土和細砂土，分別增加了8.42、13.12 kPa，這是由于土壤表層土中氣向下遷移使得埋深20 cm處的氣壓波動，致使土中吸力增加，而滲透性差的粉黏土變化甚微。在試驗中期，隨著降雨持續入滲，土壤淺層含水率增大，基質吸力減小幅度較大，尤其是粉黏土最為顯著，埋深從10～40 cm，吸力減小約49 kPa；在試驗后期，土柱降雨入滲充分，基質吸力穩定。

a) 前期

b) 中期

c) 后期圖3 不同時段3種質地土壤基質吸力垂向變化曲線

2.1.2不同初始含水率下的基質吸力變化

研究不同含水率條件下，砂壤土的基質吸力變化特征。圖4中，低含水率的基質吸力變化可分為“快速上升—聚降—平穩”3個過程，而較高含水率的吸力表現為“波動—下降—平穩”3個過程。在試驗前期，即前35 h(w0=4.6%)和前60 h(w0=10.0%)含水率，較高含水率的土壤受降雨而呈波動性微變化，沒有低含水率的吸力變化幅度大，主要原因是高含水率土壤中的孔隙氣壓較低，受降雨影響不大；在試驗中期，分別在低含水率的35～145 h和高含水率的60～210 h時間段內，低含水率的基質吸力減小速度和幅度都比高含水率的更大，這是由于不同含水率條件下土壤入滲能力不同，低含水率的初始基質吸力(下降時刻的吸力)約是高含水率的1.67倍，所以土壤對作用更強烈，表現為降雨入滲更快，這也導致土壤基質吸力迅速減小；在試驗后期，即在試驗145 h和210 h后(低含水率和較高含水率)，土壤中降雨入滲充分，土中基質吸力較穩定。

圖4 連續降雨條件下不同初始含水率下土壤基質吸力的歷時曲線

圖5中，在土壤垂向不同埋深剖面上，兩種含水率的土壤基質吸力在不同埋深處的空間變異性各異。在試驗前期，低含水率條件下淺層土剖面表現為吸力隨埋深加深而增大，而較高含水率的吸力變化不大；在試驗中期，兩種含水率土壤的基質吸力均隨埋深加深而增大，變化值分別達30.75、30.02 kPa，這與降雨入滲關系密切；在試驗后期，降雨入滲完全，高含水率的土壤基質吸力變化較低含水率的更大，埋深由淺到深增大約5.20 kPa，總體變化幅度不大，整個垂向空間上的吸力較為穩定。

a) 前期

b) 中期

c) 后期圖5 不同時段2種初始含水率的土壤基質吸力垂向變化曲線

2.2 Br-垂向遷移與土壤基質吸力的關系分析

2.2.1簡化理論分析

在非飽和土數值分析中，以土-水基本特征方程和土壤溶質遷移規律基本方程為理論依據，也就需要聯立偏微分方程組來求解，然而目前仍未獲得這樣方程組的解吸解，一般僅通過數值方法進行求解，不利于定量分析土壤溶質遷移特征和量變間函數關系。為此，根據土壤溶質遷移的對流彌散理論推求了簡單且便于應用的土壤溶質濃度分布近似計算公式[13,16]。

由非飽和土溶質遷移的對流彌散理論可知，溶質遷移的實質為水動力彌散和溶質對流擴散的共同作用，其中溶質遷移通量的方程可簡寫為：

(1)

式中Q——溶質通量；j——土壤含水通量，并有j=vθ；v——土壤孔隙水分平均流速；θ——體積含水率；c——溶質體積平均濃度；z——土層深度；D——彌散系數，并有D=λv，λ——彌散度。這樣式(1)變為：

(2)

其中，cj(Q/j)為溶質平均濃度。為了分析非飽和土溶質遷移規律，假設溶質通量濃度與體積平均濃度為一次函數關系，有cj=kc，則：

(3)

令土柱表層為基準坐標點，向下正值增大，對式(3)進行積分有：

(4)

式中，c0為z=0時的平均溶質濃度。β=(1-k)，它反映了土體中水分運動特征、溶質與土體骨架相互作用等對溶質遷移的綜合影響。由于λ為某種土體的特定常數，K為水分運動系數，土體中累積入滲量表征著水分運動規律，并且試驗中可得，因此假設β=bedI，式中b和d為系數參數，I為累積入滲量，則式(4)變為：

c=c0eβz=c0ebedIz

(5)

式(5)表示某一時刻土柱剖面上，溶質遷移濃度隨深度的變化特征。

2.2.2基質吸力對Br-垂向遷移影響分析

通過試驗得出，在同一降雨條件下，不同質地和不同初始含水率的土壤中Br-溶質遷移能力各不相同，表現為同一時刻同一埋深處的Br-濃度不同。分析其內因，不同條件下土壤中的基質吸力大小不一，對溶質Br-垂向遷移的“吸力”作用也不盡相同。圖6中，在連續降雨淋溶中，各類土壤中Br-濃度隨土壤基質吸力變化的曲線。由圖可知， 在不同質地土柱試驗中，隨著土壤含水率的增加，基質吸力不斷減小，在低吸力(小于20 kPa)段內Br-濃度隨土壤基質吸力的減小而聚降，而在較高吸力段上(大于20 kPa)，Br-濃度隨基質吸力的減小呈增大的趨勢。在不同含水率條件下，低含水率土壤Br-濃度隨基質吸力的減小呈“先增大而后急劇減小” 的運動趨勢；而在較高含水率土壤中，Br-濃度隨基質吸力的減小呈負相關曲線。

a) 粉黏土

b) 細砂土

c) 砂壤土(4.6%)

d) 砂壤土(10.0%)圖6 同一剖面上Br-濃度隨基質吸力的變化

基質吸力是非飽和土壤固有的一種屬性，對Br-在土壤中的垂向遷移和分布規律影響較大。在3種質地土壤中，由細砂土到粉黏土，土壤黏粒成分遞減，在連續降雨中土壤中的入滲能力遞減(含水能力遞增)，土壤基質吸力逐漸減小，使得Br-濃度隨吸力的減小而變化，影響了Br-在土壤中的遷移和分布。在較高含水率條件下，土壤的初始基質吸力較小，入滲驅動力小，水分下滲緩慢，導致土壤基質吸力減小緩慢，從而影響Br-在土壤中的遷移和分布，使得Br-在土壤中遷移緩慢，在同一剖面上持續累積。因此，土壤基質吸力對降雨入滲和Br-溶質遷移能力的關系密切且復雜，其研究內容還有待進一步細化和深化。

3 結語

a) 在連續降雨條件下，土壤基質吸力變化呈“上升—聚降—平穩”的變化過程，其中上升期是受土中氣壓波動影響，這是以往研究所忽略的一點。

b) 運用土壤溶質遷移的簡化理論，較好地擬合了在不同時刻Br-溶質遷移隨土壤埋深的變化情況，尤其表現在土壤后期的Br-溶質隨降雨淋溶的減小過程，建議推廣此簡單實用的理論公式。

c) 在不同初始條件下，土壤的基質吸力不盡相同，這對Br-溶質遷移和分布影響較大。一般而言，在連續淋溶降雨下，隨著土壤含水率的增加，土壤基質吸力減小，Br-濃度分布隨基質吸力的減小呈一定的變化規律。

d) 土壤基質吸力的影響因素較多，而本文只研究了土壤質地和初始含水率條件下的變化特征，缺乏各種因素多樣與多重性研究；另外，Br-溶質監測取樣技術有待提高，這也是非飽和土壤中溶質實時取樣監測的一個亟待改進的問題。