黃河下游淤背區膨潤土保水層試驗研究

關鍵詞：淤背區；土壤改良；膨潤土；保水性；黃河下游

中圖分類號：Ｓ１５７；ＴＶ８８２．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０５．０１４

引用格式：張依茹，黃波，王紅雷，等．黃河下游淤背區膨潤土保水層試驗研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（５）：６５－６８，７５．

堤防加固是黃河下游防洪工程建設的重要內容之一，也是保障下游防洪安全的主要措施［１］ 。在淤背區種植適生林（生態林）具有顯著的經濟及生態效益，為滿足植樹生長條件，在放淤固堤工程建設中普遍會鋪設一層０．２ ｍ 厚的黏土保水層（黏粒含量大于１５％），以提高淤區保水保肥能力。但近年來，出現土場難找、土料短缺以及取土場對土地及環境破壞等情況，造成放淤固堤工程中保水層施工用土難的問題越來越突出［２］ 。膨潤土是一種黏土巖，具有較強的吸水性、膨脹性、吸附性、分散性和黏著性等一系列優良理化性質。崔自治等［３－４］ 發現膨潤土能明顯降低土壤的滲透性，對砂土抗滲性能的改善尤為明顯。孫夢媛等［５］ 發現施用膨潤土后的土壤保水能力提高，而且具有長效性。湯家喜等［６］ 發現單施或者混施不同用量的膨潤土均可顯著改善風沙土土壤理化性質。評價土壤保水持水性的優劣應從多方面綜合考慮，ＴＯＰＳＩＳ 是一種優秀的多屬性評價方法，以ＴＯＰＳＩＳ 為例分析學術評價的多屬性評價相關問題具有良好的代表性［７］ 。考慮到在確定指標權重時運用熵權法更加客觀準確，因此利用熵權法改進ＴＯＰＳＩＳ 評價方法對不同膨潤土保水層設計方案進行評價。本次試驗選取膨潤土作為保水材料，在黃河山東德州河段的淤背區進行現場試驗，對不同試驗區０．８ ｍ 深度的土壤含水率變化和樹株生長情況進行動態監測和分析，以期尋找經濟合理的淤背區改良方案。

１試驗區概況和試驗方法

１．１試驗區概況

試驗區位于黃河下游德州段淤背區，其沿大堤軸線方向寬度為４５ ｍ，垂直方向長度為８０ ｍ，屬暖溫帶半濕潤季風氣候區，年均氣溫為１４． ３ ℃，年均降水量為５４７．５ ｍｍ。

１．２膨潤土摻入比預試驗

分別取淤區沙土、蓋頂土和試驗所需膨潤土進行土樣分析，結果見表１。沙土土樣中顆粒組成以沙粒為主，沙粒含量高達９１．０％，黏粒含量僅為４．３％；蓋頂土黏粒含量為２７．３％，土質較好。

采用環刀法制備膨潤土與沙土不同摻入比土樣，進行滲透試驗。按照表２ 的摻入比進行土樣配制，將土樣灑水并均勻攪拌至最優含水率，人工擊實填至環刀內，進行變水頭滲透試驗，測定滲透系數ｋ。綜合考慮實際施工條件及成本控制，膨潤土建議摻入比確定為１２％（與１０ｃｍ 厚淤砂的質量比）。

１．３試驗方案

把試驗區劃分成３ 個小區，采用完全隨機區組設計，每個試驗小區為１５ ｍ×８０ ｍ 的矩形，膨潤土施用量均為２０ ｋｇ／ ｍ^２，蓋頂土厚度為５０ ｃｍ。試驗小區Ａ１：將膨潤土均勻攤鋪在淤沙表面，采用小型旋耕機進行充分混合，旋耕深度為１０～１５ ｃｍ，壤土蓋頂；試驗小區Ａ２：將膨潤土均勻攤鋪在淤沙表面，膨潤土平均厚度約１．５ ｃｍ，壤土蓋頂；對照小區ＣＫ１：不施加膨潤土，壤土蓋頂。

試驗區為淤筑完成尚未蓋頂的淤背區，首先通過推土機對淤沙層進行碾壓平整，在Ａ１ 和Ａ２ 平整好的淤沙層上進行放線和分格以保證膨潤土的施用量均勻，方格規格為１５ ｍ×１５ ｍ，通過鏟車配合人工將膨潤土均勻攤鋪在方格中，然后輕度壓實。Ａ１ 中使用旋耕機將膨潤土和下層淤沙進行充分混合以形成膨潤土－沙土混合保水層，最后對整個試驗區進行蓋頂（見圖１）。保水層鋪設及觀測管埋設于２０１９ 年１２ 月完成，２０２０ 年春季種植楊樹苗以進行生長性觀測試驗，樹株行間距為３ ｍ，株間距為２ ｍ。

１．４監測項目及方法

各深度土壤含水率的測定采用ＴＲＩＭＥ－ＰＩＣＯ－ＩＰＨ土壤水分儀進行，每個試驗小區埋設兩個測量管，管長１００ ｃｍ，埋入深度９０ ｃｍ，對試驗區０～８０ ｃｍ 深度范圍內（每１０ ｃｍ 為一個監測深度）土壤含水率進行連續監測，并視降雨情況進行隨機加測。植被生長情況通過樹高、胸徑、地徑和植被覆蓋率等指標進行評估，樹高、胸徑和地徑均在樹苗種植后每隔３ 個月測量一次，樹高由桿尺測定，胸徑和地徑由胸徑尺測定，植被覆蓋度在樹苗種植后１ ａ 進行監測，由無人機獲取的可見光影像進行監測計算，在設定合適航線進行拍攝后，運用Ｐｉｘ４Ｄｍａｐｐｅｒ和Ａｒｃｇｉｓ 軟件對影像資料進行處理，通過試算尋找合適閾值，根據閾值統計像元個數得出。

２監測結果

２．１試驗區降水情況

分析試驗區近１ ａ 的降水監測結果（見圖２）可知，全年的降水量分布不均且波動性大，降水主要集中在４—９ 月（約占全年降水總量的７８％），其中８ 月降水量達到峰值，降水會對試驗區的土壤水分變化產生影響，從而影響到土壤含水率的監測和植被生長情況。

２．２膨潤土對土壤含水率的影響

各試驗小區土壤含水率的垂直變化情況見圖３。膨潤土對土壤含水率的影響，總體表現為隨著土層深度增加，各小區不同月份土壤含水率的差異均呈先增大后減小再增大的趨勢，土壤含水率在０～３０ ｃｍ 深度達到峰值，在３０～５０ ｃｍ 深度逐漸下降到最低點，６０～７０ ｃｍ 深度再次上升。

將混合、薄鋪小區和對照小區進行對比可知，膨潤土保水層的布設對于保水情況有明顯改善，混合方案和薄鋪方案的土壤平均含水率分別提高了２％ ～７％和３％～１１％。在３０～４０ ｃｍ 深度薄鋪小區濕潤鋒的移動速度最慢，同時，在５０ ｃｍ 深度以上的土壤中，薄鋪小區平均土壤含水率較對照小區提高４％～１２％，上部土壤顯示較高的持水力。在３０～５０ ｃｍ 深度，薄鋪小區土壤含水率迅速下降，其原因是土壤中的水分遇到了純膨潤土保水層，被迅速吸收，起到了攔蓄緩釋的作用。對照小區土壤含水率緩慢下降，土壤中的水分遇到最底部的沙土，沙土層持水能力弱，無法儲存水分，但是深層的水分蒸發緩慢，少量水分又能在底部被儲存。在５０ ｃｍ 深度以下，混合小區土壤含水率呈現先升高后降低的趨勢，說明按摻入比設置的膨潤土保水層仍具有一定的保水效果，但上部水分沒有能夠更好地保存下來，說明其持水能力較弱。

多組監測數據表明，土壤中膨潤土通過自身的吸水性吸收大量水分并將水分滯蓄在表層土中，減緩水分向深層遷移的速度。混合小區的表層含水率較薄鋪小區低，在較深土層中滯蓄效果不明顯，說明混合方案可以改善沙土的持水能力，但是整體保水持水性仍不如膨潤土薄鋪方案。

２．３膨潤土對植被生長情況的影響

植被生長情況直觀反映土壤水肥狀況，利用ＳＰＳＳ軟件對植被生長指標進行顯著性分析，結果見表３。３個小區的樹高和植被覆蓋度有顯著差異，對照小區與混合小區植被的胸徑和地徑差異不顯著。薄鋪小區成活樹苗的樹高、地徑、胸徑和植被覆蓋度等多個方面都優于混合和對照小區，說明薄鋪保水層能更好地保持土壤水分和肥力，創造更適合植被生長的環境。同時，楊樹為淺根性速生樹種，主要水平營養吸收根系呈輻射狀向四周延伸，試驗區樹槽深度為５０ ｃｍ，正是膨潤土所在的深度，膨潤土的吸水性使其緩慢向下垂直釋放水分，能讓土壤水有效且更為持久地為楊樹根系提供充足的水分。

３熵權－ＴＯＰＳＩＳ綜合評價

ＴＯＰＳＩＳ法是根據有限的評價對象與理想化目標的接近程度進行排序的方法，是在現有的對象中進行相對優劣的評價，其操作較為客觀、簡便［８］ 。熵權法是一種客觀賦權方法，相對于其他定權方法，計算步驟較為簡單，可以有效利用指標數據，較大程度排除主觀因素的影響［９］ 。本研究選取土壤含水率、土壤平均滲透速率、樹高、胸徑、地徑、植被覆蓋度和經濟成本作為評價指標。

由表５ 可以看出，膨潤土保水層方案中綜合效益評價結果為：薄鋪方案＞混合方案＞壤土方案（對照方案），主要原因是薄鋪的純膨潤土保水層比沙土－膨潤土混合保水層的保水持水性更佳，在土壤平均含水率相近的情況下，保證水分可以長時間儲存在土壤中，從而使土壤環境更適宜于植被生長，同時植被在一定程度上降低了土壤水分的流失速度，總體上薄鋪方案為最優方案。

４結論

（１）試驗結果表明，選取膨潤土這一材料進行保水層布設對于有效提升黃河下游淤背區的土壤持水能力是可行的，膨潤土保水層可使表層土壤的平均含水率提高４％～１２％，改善土壤理化性質，增強土壤持水的穩定性，減小季節間的波動幅度，樹株的各項生長指標相較于對照組明顯提升。另外，膨潤土在山東地區儲量豐富，價格適中，通過現場試驗和成本對比分析，適用性、經濟性良好，具有顯著的經濟效益和生態效益。

（２）各個試驗段的監測結果和ＴＯＰＳＩＳ綜合評價結果表明，對于黃河下游新建淤背區的土壤改良效果，薄鋪方案＞混合方案＞壤土方案，即薄鋪方案可以獲得更佳的保水效益，同時在后期的持水性上也顯示出較大優勢，逐步提高了土壤水分的供應與保蓄能力，結合施工和經濟性綜合考慮，薄鋪方案施工成本較低，綜合效益最佳。

在樹種選擇方面，本研究選擇了速生楊樹，在后期的試驗中建議通過選擇不同的樹種對不同膨潤土保水層方案進行對比與評價。

【責任編輯 許立新】