非饱和土基质吸力对溶质Br-垂向迁移影响试验研究

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(1.宁夏公路勘察设计院有限责任公司，宁夏银川750001；2.成都理工大学，地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059)

包气带土壤中溶质迁移过程是一个复杂多变的过程，受诸多因素影响，如土壤组成、溶质特性、土壤环境及其时空变异性等因素的影响[1]。土壤本身的特性是影响溶质迁移的一个基本因素，包括土壤基质吸力(含水率等因素影响)、颗粒成分、土中固液气比例等[2]。大量研究表明，包气带土壤基质吸力受土壤质地、土壤含水量、密实程度和土中矿物成分等多个因素影响[3-6]。因此，在非饱和土溶质迁移研究中，土壤基质吸力的存在不可忽视，对溶质的迁移与分布影响研究意义较大。

目前，非饱和带中污染物的迁移规律及影响因素的研究仍相对滞后，尤其是降雨条件下污染物在非饱和土中迁移的试验研究还十分有限[7]。Grifoll 和Cohen[8]利用包气带中水气两相流动原理，建立了一维溶质运移方程，采用隐式有限差分法分析了包气带降雨和蒸发条件下溶质迁移规律。Marshall 等[9]通过建立一维非饱和土保守性溶质迁移模型，研究了随机降雨入渗环境下溶质浓度的变化。王福利[10]运用一维土柱试验，研究降雨过程中污染物运移规律时，发现溶质迁移的深度与降雨量的大小密不可分。王超[11]借助数值模型，分析了包气带分层土中溶质迁移与转化过程，研究表明土中溶质的迁移与转化规律与土层分层特性关系。李洪等[12]将有机物苯作为溶质，概化模拟了土壤淋溶过程中有机污染物的一维纵向运移。

本文在前人多年的研究基础上[3-13]，秉承着由浅及深的渐进理念，将水文地质学与土壤学有机结合起来，从非饱和土壤某一特性(基质吸力)和化学性质相对稳定的溶质Br-出发，采用室内非饱和土柱试验，对不同土壤质地和初始含水率所对应的基质吸力特性而引起的水流入渗与溶质迁移的变化规律分析，致力于土壤基质吸力对污染性溶质纵向迁移的影响，进一步揭示非饱和带溶质迁移机理。

1 材料与设计

1.1 试样与试验系统

供试土样取自成都平原黏土和岷江支流河漫滩砂土，在天然状态下风干，碾碎，去除杂质，分别过18、270目筛(泰勒标准筛制)，制备不同颗粒级配的土样[14]。根据中国土类质地划分方案[15]，配制3种类型土样，粉黏土、砂壤土和细砂土，其理化性质见表1，参照GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》测试。

试验系统由土柱(有机玻璃制)、供液设备和数据采集设备3部分组成。土柱高60 cm，内径15 cm；供液设备为自制“针头式”定流量设备，由蠕动泵持续供水，提供均匀、稳定降雨；检测设备为PC终端、基质势数据采集器和基质势传感器(陶土头进气值>100 kPa)，均为实验室自制设备，其中基质势数据采集器是通过基质势传感器传递电流信息，将负压值转换为电流值被采集记录，每30 min采集一次，传感器经过标定后即可还原计算出土壤基质吸力值。

表1 试验土样基本参数

注：w为回填土初始含水率，ws为饱和含水率

1.2 试验设计与过程

在室内进行垂向土柱连续降雨入渗模拟试验，控制土壤质地(表1)和初始含水率(以砂壤土为介质)的土柱结构。制备3种质地试样，分别为粉黏土、砂壤土和细砂土，并控制砂壤土的不同含水率条件因素，调节两种含水率(自然含水率4.25 g/g)和10±0.5%(g/g)的含水率土壤进行试验。

在土样回填时，控制不同质地土壤的容重。土柱高度60 cm，最底部5 cm填充大颗粒砂砾石，依次是粒级稍小的砂石，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试土样，每5 cm回填一次，击实力量递减，避免土壤分层现象；在最上部5 cm土柱回填时，放置一5 mm透水石，其上均匀撒上试验样品，上部继续回填砂砾石，粒径逐渐增大，缓减入渗过程中土体变形。待土柱回填完，静置一周时间后开始试验。试验中，土柱由上到下分别在埋深15、30、45 cm处取样测试Br-浓度(在空间尺度上，一般以取样点2剖面为研究对象)，基质势传感器布孔分别埋置在12、22、35和50 cm处(上密下疏原则)，试验装置系统见图1。

图1 土柱试验装置系统

以0.05 mol/L NaBr溶液为示踪溶剂，将200 ml溶剂一次性均匀喷洒在土柱表层后进行连续降雨淋溶实验，降雨量控制在15 mm/12 h，检测土壤中Br-随降雨入渗的在纵向剖面上的溶质浓度迁移变化，直到土柱饱水后停止试验。在降雨过程中，实时观测湿润锋位置，在土柱不同埋深剖面处取样测试，每次取样2 g土样，按土水比1∶25放入100 ml锥形瓶中，并在恒温震荡箱(25℃)中以220 r/min震荡3 h，静置12 h后用定性滤纸和水相滤膜(0.22 μm)制备试样，用离子色谱仪(861 Advanced compact IC型)进行Br-浓度测试。

2 结果与分析

2.1 土壤基质吸力时空变化特征

在非饱和土中，保持在土壤中的水分受两种吸力作用，其一是基质吸力，其二是渗透吸力，而土中水势的测定主要是基质势的测定问题[14]。基质吸力作为非饱和土所固有的一种应力，分析不同条件下的基质吸力变化对研究水分入渗和溶质迁移规律都有着积极作用。

2.1.1不同质地下的基质吸力变化

由于土壤不同质地的降雨入渗能力各不相同，粉黏土、砂壤土和细砂土的湿润锋分别在试验历时约230、170和130 h后到达土柱底部，此时土柱尚未充分饱和，故继续降雨淋溶直到试验进行280 h后结束试验。

通过对3种不同质地的土柱进行连续降雨试验发现，在时间尺度上，土壤基质吸力均随降雨历时而呈小幅度增加后大幅度减小到稳定的变化规律。图2中，在降雨试验前期，分别在前90、35和25 h时间段内为3种质地土壤(由黏到砂，下同)基质吸力的增长期，最大值分别达84.07、74.48和68.65 kPa，该过程历时较短且未受土壤含水率变化影响。在降雨中土中孔隙被水填充，水对孔隙中的气的代替驱赶使得土中气一部分溢出土表层，一部分向下迁移，从而“降雨湿润锋未至而气先达”，导致土壤基质吸力(孔隙气压力与孔隙水压力之差)在短时间内波动性增长，在砂性土中吸力增长幅度明显，黏性土中吸力波动显著，这与其孔隙结构和土中气密切相关，同时也是通常研究中所忽略的地方，即没有考虑土中气压的影响；在试验中期，分别在90～180、35～145和25～105 h时间段内为3种土壤基质吸力的聚降期。在试验后期，分别在180、145和105 h后为3种土壤基质吸力的波动-稳定期。由于降雨下渗完全，土壤中水-气分布较稳定，土中基质吸力波动不大，相对稳定。

图2 连续降雨条件下不同质地土壤基质吸力的历时曲线

在空间尺度上，不同时段各埋深剖面处的基质吸力也不尽相同，总体而言，埋深浅的剖面受降雨影响变化明显，而埋深较深处的基质吸力相对稳定且较浅层更大。图3中，在试验前期，随着降雨入渗，土壤浅层(埋深10～25 cm)基质吸力变化明显，尤其是渗透性较强的砂壤土和细砂土，分别增加了8.42、13.12 kPa，这是由于土壤表层土中气向下迁移使得埋深20 cm处的气压波动，致使土中吸力增加，而渗透性差的粉黏土变化甚微。在试验中期，随着降雨持续入渗，土壤浅层含水率增大，基质吸力减小幅度较大，尤其是粉黏土最为显著，埋深从10～40 cm，吸力减小约49 kPa；在试验后期，土柱降雨入渗充分，基质吸力稳定。

a) 前期

b) 中期

c) 后期图3 不同时段3种质地土壤基质吸力垂向变化曲线

2.1.2不同初始含水率下的基质吸力变化

研究不同含水率条件下，砂壤土的基质吸力变化特征。图4中，低含水率的基质吸力变化可分为“快速上升—聚降—平稳”3个过程，而较高含水率的吸力表现为“波动—下降—平稳”3个过程。在试验前期，即前35 h(w0=4.6%)和前60 h(w0=10.0%)含水率，较高含水率的土壤受降雨而呈波动性微变化，没有低含水率的吸力变化幅度大，主要原因是高含水率土壤中的孔隙气压较低，受降雨影响不大；在试验中期，分别在低含水率的35～145 h和高含水率的60～210 h时间段内，低含水率的基质吸力减小速度和幅度都比高含水率的更大，这是由于不同含水率条件下土壤入渗能力不同，低含水率的初始基质吸力(下降时刻的吸力)约是高含水率的1.67倍，所以土壤对作用更强烈，表现为降雨入渗更快，这也导致土壤基质吸力迅速减小；在试验后期，即在试验145 h和210 h后(低含水率和较高含水率)，土壤中降雨入渗充分，土中基质吸力较稳定。

图4 连续降雨条件下不同初始含水率下土壤基质吸力的历时曲线

图5中，在土壤垂向不同埋深剖面上，两种含水率的土壤基质吸力在不同埋深处的空间变异性各异。在试验前期，低含水率条件下浅层土剖面表现为吸力随埋深加深而增大，而较高含水率的吸力变化不大；在试验中期，两种含水率土壤的基质吸力均随埋深加深而增大，变化值分别达30.75、30.02 kPa，这与降雨入渗关系密切；在试验后期，降雨入渗完全，高含水率的土壤基质吸力变化较低含水率的更大，埋深由浅到深增大约5.20 kPa，总体变化幅度不大，整个垂向空间上的吸力较为稳定。

a) 前期

b) 中期

c) 后期图5 不同时段2种初始含水率的土壤基质吸力垂向变化曲线

2.2 Br-垂向迁移与土壤基质吸力的关系分析

2.2.1简化理论分析

在非饱和土数值分析中，以土-水基本特征方程和土壤溶质迁移规律基本方程为理论依据，也就需要联立偏微分方程组来求解，然而目前仍未获得这样方程组的解吸解，一般仅通过数值方法进行求解，不利于定量分析土壤溶质迁移特征和量变间函数关系。为此，根据土壤溶质迁移的对流弥散理论推求了简单且便于应用的土壤溶质浓度分布近似计算公式[13,16]。

由非饱和土溶质迁移的对流弥散理论可知，溶质迁移的实质为水动力弥散和溶质对流扩散的共同作用，其中溶质迁移通量的方程可简写为：

(1)

式中Q——溶质通量；j——土壤含水通量，并有j=vθ；v——土壤孔隙水分平均流速；θ——体积含水率；c——溶质体积平均浓度；z——土层深度；D——弥散系数，并有D=λv，λ——弥散度。这样式(1)变为：

(2)

其中，cj(Q/j)为溶质平均浓度。为了分析非饱和土溶质迁移规律，假设溶质通量浓度与体积平均浓度为一次函数关系，有cj=kc，则：

(3)

令土柱表层为基准坐标点，向下正值增大，对式(3)进行积分有：

(4)

式中，c0为z=0时的平均溶质浓度。β=(1-k)，它反映了土体中水分运动特征、溶质与土体骨架相互作用等对溶质迁移的综合影响。由于λ为某种土体的特定常数，K为水分运动系数，土体中累积入渗量表征着水分运动规律，并且试验中可得，因此假设β=bedI，式中b和d为系数参数，I为累积入渗量，则式(4)变为：

c=c0eβz=c0ebedIz

(5)

式(5)表示某一时刻土柱剖面上，溶质迁移浓度随深度的变化特征。

2.2.2基质吸力对Br-垂向迁移影响分析

通过试验得出，在同一降雨条件下，不同质地和不同初始含水率的土壤中Br-溶质迁移能力各不相同，表现为同一时刻同一埋深处的Br-浓度不同。分析其内因，不同条件下土壤中的基质吸力大小不一，对溶质Br-垂向迁移的“吸力”作用也不尽相同。图6中，在连续降雨淋溶中，各类土壤中Br-浓度随土壤基质吸力变化的曲线。由图可知， 在不同质地土柱试验中，随着土壤含水率的增加，基质吸力不断减小，在低吸力(小于20 kPa)段内Br-浓度随土壤基质吸力的减小而聚降，而在较高吸力段上(大于20 kPa)，Br-浓度随基质吸力的减小呈增大的趋势。在不同含水率条件下，低含水率土壤Br-浓度随基质吸力的减小呈“先增大而后急剧减小” 的运动趋势；而在较高含水率土壤中，Br-浓度随基质吸力的减小呈负相关曲线。

a) 粉黏土

b) 细砂土

c) 砂壤土(4.6%)

d) 砂壤土(10.0%)图6 同一剖面上Br-浓度随基质吸力的变化

基质吸力是非饱和土壤固有的一种属性，对Br-在土壤中的垂向迁移和分布规律影响较大。在3种质地土壤中，由细砂土到粉黏土，土壤黏粒成分递减，在连续降雨中土壤中的入渗能力递减(含水能力递增)，土壤基质吸力逐渐减小，使得Br-浓度随吸力的减小而变化，影响了Br-在土壤中的迁移和分布。在较高含水率条件下，土壤的初始基质吸力较小，入渗驱动力小，水分下渗缓慢，导致土壤基质吸力减小缓慢，从而影响Br-在土壤中的迁移和分布，使得Br-在土壤中迁移缓慢，在同一剖面上持续累积。因此，土壤基质吸力对降雨入渗和Br-溶质迁移能力的关系密切且复杂，其研究内容还有待进一步细化和深化。

3 结语

a) 在连续降雨条件下，土壤基质吸力变化呈“上升—聚降—平稳”的变化过程，其中上升期是受土中气压波动影响，这是以往研究所忽略的一点。

b) 运用土壤溶质迁移的简化理论，较好地拟合了在不同时刻Br-溶质迁移随土壤埋深的变化情况，尤其表现在土壤后期的Br-溶质随降雨淋溶的减小过程，建议推广此简单实用的理论公式。

c) 在不同初始条件下，土壤的基质吸力不尽相同，这对Br-溶质迁移和分布影响较大。一般而言，在连续淋溶降雨下，随着土壤含水率的增加，土壤基质吸力减小，Br-浓度分布随基质吸力的减小呈一定的变化规律。

d) 土壤基质吸力的影响因素较多，而本文只研究了土壤质地和初始含水率条件下的变化特征，缺乏各种因素多样与多重性研究；另外，Br-溶质监测取样技术有待提高，这也是非饱和土壤中溶质实时取样监测的一个亟待改进的问题。