积水深度对含大孔隙土柱水流与溶质运移影响的试验研究_张瑞钢.pdf

：积积水水深深度度对对含含大大孔孔隙隙土土柱柱水水流流与与溶溶质质运运移移影影响响的的试试验验研研究究张瑞钢，张振坤，王万林，汤志恒，还小翔（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥；蚌埠投资集团有限公司，安徽 蚌埠；华东冶金地质勘查研究院，安徽 合肥）摘要土壤表面积水深度是影响大孔隙优势流过程的重要因素，本文利用含单个 孔径圆柱形填充粗砂的人造大孔隙和对照均质壤粘土土柱，选取 、四组积水深度，开展饱和条件下的渗流与 离子示踪试验。通过分析水分与溶质出流的时间动态及其在出流面的空间分布特征，探究积水深度对含大孔隙饱和土壤的水流及溶质优势流运移的影响。结果表明，土柱平均流速随积水深度的增加以非线性关系更快的增加；溶质穿透曲线表现为双峰特征，且随积水深度增加，第一峰更早穿透而第二峰出现更晚且更平缓；空间上表现为随积水深度增加，水流与溶质向大孔隙及附近集中，优势流占比增加。关键词大孔隙流；溶质穿透曲线；人造大孔隙；积水深度中图分类号 文献标识码文章编号 （）收稿日期 基金项目安徽省重点研究和开发计划项目（）；华东冶金地勘局科创基金（）作者简介张瑞钢（），男，山西朔州人，讲师，研究方向：土壤与地下水污染防治。，（o o ，o oo，；o ，；o oo oo，）：o o o o o oo o o ，o o o o oo o o o ，o o，oo ooo o o o oo o o o o oo，o o o o o o，o ，o o o o o o o；o o o o，o ；o oo oo，ooo o o ：oo o；o o；oo；优势流也称非均匀流，是土壤中常见、重要，但又难于被捕捉和描述的水流运动和溶质运移形式。优势流形成因素众多，而土壤大孔隙是形成优势流的众多因素中最重要和最活跃的因素。大孔隙通常仅占土壤总孔隙体积的一小部分，但其为入渗水及溶质提供了快速通过土壤介质的通道。对大孔隙优势流作用及其影响因素的研究主要有大孔隙结构、土壤质地、土地利用类型、初始含水量、水及溶质施加方式等方面。其中积水深度作为上边界条件对水分入渗与溶质运移过程具有重要影响，目前的相关研究集中在蓄水坑灌溉、农业射灌等农业灌溉入渗方面的非饱和过程；对饱和条件下的规律关注较少。而在实际的降雨入渗、灌溉入渗、坑塘入渗以及在海绵城市设计的蓄渗等情景中，广泛存在一定积水深度条件下的含大孔隙饱和土壤的非均匀入渗过程。因此研究积水深度对饱和条件下土壤大孔隙优势水流与溶质运移的影响，对土壤与地下水资源的保护与污染防治具有重要的理论与实践意义。大孔隙流的研究主要有通过野外现场染色与示踪试验、对原状或人工填充大孔隙土柱进行大孔隙观测与污染物运移试验等，来分析土壤大孔隙的存在状况及其对水和溶质输移的影响。野外或原状土试验接近实际条件，但不能控制条件和重复观测；人造大孔隙试验具有可重复性但与天然大孔隙分布差异较大，因此应根据研究目的需要选择相应的研究方法。人造大孔隙可以通过控制试验条件而绕过原状土 年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.中复杂的因素更直接的研究所关注的因素。因此，本文通过含有人造大孔隙的土柱，开展 组不同积水深度的入渗示踪试验，研究积水深度对含大孔隙土壤的渗流速率、溶质穿透过程，以及对大孔隙优势流程度的影响。材料与方法 试验材料 供试土壤试验土壤采用安徽省铜陵市羊耳山附近壤粘土，土壤粒粒径分布见表，基本物理性质见表。表 土壤颗粒粒径分布粒径 含量 表 土壤物理参数干容重 比重 孔隙度 饱和含水率 质地 壤粘土 试验装置系统试验系统主要采用供水装置马氏瓶、试验土柱主体以及人造大孔隙。土柱装置选用方形亚克力管（边长 ，高度 ），内部装有 高的土样，土柱顶部铺有细石英砂以使溶液均匀入渗且减少表面扰动，底部铺设不同粒径组成的砂石作为反滤层起滤水挡土的作用。土柱上端设有连接马氏瓶的进水口，通过调节马氏瓶进气管高度调节土柱顶端的水头（积水深度）至 、，下端设有多孔底板和出流液收集装置，内部粘有 厚的硅胶分水格栅。试验装置示意图如图 所示，底部分格设置如图 所示。大孔隙在 号位置，均采用 直径连通型。图 试验装置示意图图 底部分格示意图 试验方法将烘干后的供试土壤碾碎后过 筛，表面喷水至含水量达 ，土柱边壁用砂纸打磨，控制干容重为 进行装填。装填完成后在设定大孔隙位置插入直径 不锈钢棒，缓缓拔出后用注射器沿着大孔隙边壁注入一定浓度的聚丙烯酰胺（），是一种高分子水溶性聚合物，能够将大孔隙壁土壤颗粒聚合从而形成稳定的人造大孔隙，静置 后，大孔隙中填入渗透系数为 的石英砂，待土壤充分吸收后将土柱放入水箱中饱和 。试验共 组，组试验土柱孔隙条件完全相同，每组土柱设有 组均质对照组。试验开始前用 去离子水淋溶降低土壤本底浓度。示踪采用 的（电导率为 ）溶液，施加方式为一次性脉冲式施加，即试验开始时施入试验设计积水深度的溶液，后用自来水进行淋溶，入渗方式分别为 、恒定积水深度入渗，试验过程中根据溶质浓度的变化速度 收集一次渗滤液，同时记录时间、水量和溶质浓度，由于电导率与溶液中的离子浓度成正比，因此可用电导率的测量代替 浓度的测量，便于操作的同时也减弱了溶质在土壤中吸附和交换的影响，试验方案设计见表。表 积水深度试验方案试验积水深度 大孔隙数量 个一、二、结果与分析 出流速率各土柱出流速度的变化过程如图 所示，出流速度的描述性统计参数见表，均值反映了土柱出流的平均速度，标准差反映了各速度值的离散程度，变异系数为标准差与平均值的比值，该值反映出大孔隙出流的相对不稳定性。图 不同积水深度下的流速动态图 不同积水深度条件下流速平均值对比从图 中可以看出，大孔隙土柱的出流速度与一些已有研究结果一样 ，整体分为两个阶段。土柱平均流速大致以 为界限，第一阶段流速整体呈现下降的趋势，第二阶段流速基本稳定。这可能是第一阶段由于土壤细颗粒第 卷第 期地下水 年 月随渗流填充到大孔隙填充砂、底部反滤层砂的空隙中，并逐渐稳定，导致土柱渗透性下降，出流速度呈现整体下降的趋势；第二阶段因土柱整体渗透性基本稳定，所以流速稳定在某一较低数值左右；其中 、积水深度土柱，因积水深度控制的稳定性以及壁流效应等未知的优势通道等影响，后出流速率出现较大波动。同时也可以看出含大孔隙土柱流速都远高于对应积水深度均质土柱流速，表明大孔隙优势通道对流量贡献很大，以及大孔隙优势流对基质流部分产生影响，引起基质部分流速的增加。稳定后平均流速（见表、图）表明，平均流速随积水深度增加以更快的速度增加。反应了含大孔隙优势通道的饱和土壤入渗过程，可能并不完全符合达西定律，流速随积水深度的变化并非线性，这有可能造成我们对存在大孔隙优势通道情况下入渗量的低估。表 不同积水深度大孔隙土柱与对照土柱的流速统计参数流速 积水深度 最小值 最大值 总体平均值 稳定后平均值 标准差 变异系数 流速 积水深度 均质 均质 均质 均质最小值 最大值 总体平均值 稳定后平均值标准差 变异系数 图 各分区平均流速动态图 为 种积水深度大孔隙土柱中，大孔隙分格、紧邻大孔隙区域、远离大孔隙区域的分区平均流速动态图。由图 可见，大孔隙分格平均流速显著高于其他分格，反映出大孔隙的快速通道作用；紧邻大孔隙分格区域平均流速整体上高于远离大孔隙区域平均流速（积水深度土柱可能因堵塞而该现象不明显），反应出大孔隙优势流对周围有一定的影响；并且随积水深度增加，以上现象更明显。溶质穿透过程穿透曲线是用来描述土壤溶质运移过程的标准技术之一，能够通过施加溶液观测出流液的体积及浓度变化，研究水及溶质在土壤中的运移过程。以相对孔隙体积即出流液累积体积和土柱孔隙体积的比值（）作为横坐标，以出流液浓度和初始浓度的比值（）作为纵坐标，绘制穿透曲线。峰值穿透浓度（峰）是指检测到的出流液浓度达到最大时相对于初始浓度的值；峰值穿透体积（峰）是指出流液达到峰值穿透浓度（峰）时，出流溶液总体积相对于土柱孔隙体积的比值。各积水深度大孔隙土柱、均质土柱溶质穿透曲线见图。从图（）可以看出，大孔隙土柱溶质穿透曲线都是双峰曲线，第一个峰反应优势流的浓度峰，第二个峰反应基质流浓度峰由于本试验大孔隙直径相对于土柱尺寸较大且土柱较短（），因此出流液浓度上升很快，在试验开始的第一个五分钟开始搜集出流液时，浓度已经接近峰值。几条曲线的第一个峰值浓度 峰 集中处在 附近，且浓度随着积水深度的增加而稍有增加。图 不同积水深度土柱溶质穿透曲线这是因为积水深度大的土柱，溶液更快的向下运移，大孔隙中溶质的对流作用相对于弥散的作用更大，导致以更高的浓度更快的穿透。第二峰值浓度（）随积水深度增加而减少，峰值到达时 峰 更大，与 o在可分裂土柱中进行的优势流试验结果相同。如图（）所示，积水深度为 的土柱第二个峰值出现在 个孔隙体积，峰值浓度达到 ；积水深度为 的土柱第二个峰值出现在 个孔隙体积，峰值浓度为 ；积水深度为 的土柱第二个峰值出现在 个孔隙体积，峰值浓度为 ；积水深度为 的土柱第二个峰值出现在 个孔隙体积，峰值浓度为。分析原因，首先是因为随积水深度增加，更多的溶质已经在第一峰过程穿透，剩余少量的溶质与基质中的水混合，导致第二峰值浓度降低；其次是因为当脉冲式加入的溶液通过大孔隙穿透后，补充的自来水继续通过大孔隙优势通道流出，且在土柱内部流向基质，这个大孔隙流与基质流的交换作用导致更多的水与基质溶质混合，也引起第二峰浓度低且平缓。图（）是各积水深度下的均质土柱的穿透曲线，由图可以看出都是单峰曲线。且随积水深度增加，达到峰值浓度第 卷第 期地下水 年 月（峰）时的孔隙体积（峰）减小而峰值浓度（峰）呈略微下降，这可能是由于随着积水深度的增加，水压力增加，溶质运移过程中对流相对于弥散的作用加强，与基质中水的混合变弱，因此到达峰值浓度更早且出流液浓度更高。与含有 大 孔 隙 土 柱 的 穿 透 曲 线 第 一 峰 对 应 的 孔 隙 体 积（）和上升坡度相比，均质土柱浓度峰值对应的孔隙体积更大（在 之间），坡度更小。孙龙在通过原状土柱与重塑土柱的对比中得出了同样的结论。积水深度对大孔隙土柱水流与溶质通量分布的影响本试验采用底部分格的装置来刻画含大孔隙土柱底部出流的空间分布，大致分离优势流区和基质流区，从而分析大孔隙优势流程度及其对基质流的影响。如图 和图 所示，图中 号分格为大孔隙所在位置，反应大孔隙流；大孔隙周围的分格（、）直接与 号紧邻，反应大孔隙流对基质流的影响；其余分格认为远离大孔隙，反应基质流。各分区水流通量和溶质通量占比如图、图 所示。图 各分区水流通量占比图图 各分区溶质通量占比图由图 所示，在 、积水深度土柱中，号 大 孔 隙 分 格 出 流 量 占 总 出 流 量 的 比 例 分 别 为 、；紧邻大孔隙分格区域总出流量占比分别为 、，远离大 孔 隙 分 格 区 域 出 流 占 比 分 别 为 、。可见随着积水深度增加，大孔隙优势通道水分通量的比例增加，而远离大孔隙区域比例减少；反应出随积水深度增加，水流向优势通道及其附近集中的现象。通过各分格的水流通量和相应的溶液浓度，计算得到溶质通量的空间分布。各积水深度下溶质通量占比如图 所示，在 、积水深度土柱中，号孔大孔隙分 格 溶 质 通 量 占 土 柱 总 通 量 的 比 例 分 别 为 、；紧邻大孔隙分格区域溶质通量占比为 、；远离大孔隙分格区域溶质通量占比为 、。可见随着积水深度增加，大孔隙优势通道溶质通量的比例增加，而远离大孔隙区域比例减少；反应出随积水深度增加，溶质迁移也向优势通道集中。综上可以看出，饱和土壤条件下水分与溶质通量都随土壤表面积水深度增加而向优势通道及其周围集中，这与非饱和土壤优势流随入渗强度增加而向优势通道集中的规律一致。值得注意的是，该现象可能引起人们对一些条件下入渗补给速率和污染物迁移速率的低估。结语（）在含大孔隙优势通道的饱和土壤中，随着土壤表面积水深度的增加，水分入渗速率可能以非线性而更快的增加，水分在优势通道中的流速远大于在基质中的流速，同时引起优势通道附近一定范围基质流速的增加；溶质穿透过程表现为双峰曲线，随积水深度的增加第一峰优势流峰浓