不同前處理下咸水冰融水水質(zhì)與水量特征*

齊 繼,宋建彬,趙 英**,胡秋麗**,潘英華,于千鈞

(1.魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 煙臺 264025;2.山東黃河三角洲國家級自然保護區(qū)管理委員會 東營 257500)

全球范圍內(nèi),土壤鹽漬化是造成環(huán)境問題和糧食減產(chǎn)的主要原因之一,受鹽漬化影響的土壤從寒帶到熱帶地區(qū)都有分布[1]。中國受鹽漬化影響的土壤近一半分布在溫帶地區(qū),總面積約為3.6×105km2,是我國重要的后備土地資源。在干旱半干旱地區(qū),淡水洗鹽是改良鹽漬化土壤最好的方法[2]。淡水溶解土壤中的可溶性鹽分,鹽分隨著水分的運移被淋洗到耕層以下,以達到洗鹽的目的。但我國淡水資源短缺,已有研究表明咸水作為緩解淡水資源短缺的一種潛在水資源,可以充當部分灌溉水,但長期進行咸水灌溉后仍需要配合一定量的淡水灌溉以減少作物根區(qū)的鹽脅迫[3-5]。

如今,咸水淡化技術(shù)日趨成熟,如蒸餾、滲透法等[6]。但這些方法成本較高,不適用于解決農(nóng)業(yè)用水問題。咸水結(jié)冰灌溉是鹽堿地咸水資源高效利用的一種方法,冬季利用咸水進行灌溉,咸水在自然低溫條件下結(jié)冰,春季回暖,咸水冰融化時存在鹽分再分配現(xiàn)象,前期高礦化度咸水先入滲,提高了土壤的入滲性能,后期低礦化度微咸水以及淡水將土壤中本來含有的和前期入滲的鹽分淋洗出根區(qū),以達到洗鹽的目的。Guo 等[7-9]的研究表明咸水結(jié)冰灌溉可以顯著增加深層土壤含水量,同時相對于淡水結(jié)冰入滲有著更好的洗鹽效果,并且通過進一步的研究發(fā)現(xiàn),初始含水量和土壤容重越小,咸水結(jié)冰灌溉的脫鹽效果越好。

咸水冰中的鹽分以“鹵水胞”的形式存在,傳統(tǒng)的咸水結(jié)冰灌溉中,隨著溫度升高,冰體融化,“鹵水胞”破裂,里面的咸水由于重力作用向下遷移,在冰中形成可供咸水向下遷移的“咸水通道”[10]。有研究通過在低溫條件下融化渤海海冰,獲得了30%左右的＜2 g·L-1的微咸水[11]。Zhang 等[12]通過室內(nèi)試驗證實初始礦化度會顯著影響咸水冰的脫鹽率,初始礦化度為2.5 g·L-1和15 g·L-1的咸水冰融化一半時的脫鹽率分別為70.8%和83.9%。而在海水淡化領(lǐng)域,Luo等[13]利用單向凍結(jié)技術(shù)排除了57.88%～48.38%的總鹽分,如果將冰打碎并置于離心機進行處理,可額外再去除30.91%～47.28%的鹽分。同時有研究表明,通過對海冰進行破碎、離心、清洗等前處理后,最終獲得93%～96%的脫鹽率[14]。由此可見,傳統(tǒng)咸水結(jié)冰灌溉冰體的脫鹽效率十分有限,仍有很大提升空間。對咸水冰進行前處理,例如將冰打碎,咸水冰從鹵水胞處破開,鹵水暴露在外部,隨著冰體融化,鹽分更容易被帶離冰體。以往關(guān)于咸水結(jié)冰灌溉的研究已發(fā)現(xiàn)溫度、初始礦化度、初始鈉吸附比(SAR)及咸水冰堆積角度等因素均會影響咸水冰融水的水鹽動態(tài),但鮮有對如何提高咸水冰脫鹽效率進行探討[15-17]。同時大田重力脫鹽往往持續(xù)時間較長,在此期間有40%的水分通過蒸發(fā)或升華損失掉,如何在不影響脫鹽率的情況下縮短脫鹽時間,仍需進一步研究[18]。

因此,本文的研究目標是通過室內(nèi)融水試驗探究前處理對咸水冰融水水質(zhì)及水量動態(tài)的影響,同時對比不同前處理下,咸水冰融化歷時和淡水產(chǎn)出量的差異,以期為咸水結(jié)冰灌溉更有效地改良鹽堿地提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2021 年7-9 月在魯東大學(xué)濱海生態(tài)水文過程與環(huán)境安全實驗室開展,為了探究不同前處理和初始礦化度對冰體融水水量與水質(zhì)動態(tài)的影響,設(shè)置了3 種咸水冰前處理: 曝氣(A)、堆積(S)、破碎(C),并以常規(guī)冰(R)為對照;根據(jù)濱海地區(qū)基本灌溉水礦化度,每種處理設(shè)計3 個礦化度水平(5 g·L-1、10 g·L-1、15 g·L-1),以淡水(0 g·L-1)為對照[10];例如: “R5”代表初始礦化度為5 g·L-1的常規(guī)冰。試驗所用咸水使用山東煙臺產(chǎn)的海鹽按照所設(shè)置的濃度溶于蒸餾水中制備而成,海鹽含K+0.53%、Na+32.12%、Ca2+0.32%、Mg2+0.33%、SO42-2.50%、Cl-63.32%、HCO3-0.26%、NO3-0.62%。咸水樣品組成成分如表1 所示。所有處理均重復(fù)3 次,所有處理結(jié)冰用水均為1000 mL。

表1 試驗用不同礦化度咸水的離子組成Table 1 Ion composition of the saline water of different salinities %

試驗用冰均在-20 ℃環(huán)境下凍結(jié)20 h 得到。常規(guī)冰采用聚乙烯容器制備(容積為1000 mL);在制備曝氣冰時,為加大氣體溶解度并保證凍結(jié)速度,得到孔隙較多的冰體,在充氣之前將配置好的溶液置于冰箱,使溶液溫度穩(wěn)定在4 ℃ (該溫度下CO2在水中溶解度較大),之后取出等體積(1000 mL)咸水樣品使用充氣裝置向已配制好的溶液中充入CO2至其飽和后轉(zhuǎn)移至聚乙烯容器中凍結(jié)以得到曝氣冰;堆積冰采用尺寸為2.7 cm×2.7 cm×2.7 cm 的冰盒制備;破碎冰采用碎冰機在-20 ℃下將樣品冰全部打碎得到。因本研究關(guān)注前處理對咸水冰融化動態(tài)的影響,故融化試驗在室溫下進行(25 ℃),利用空調(diào)控溫并實時監(jiān)測。融冰裝置如圖1 所示,分別將不同處理的咸水冰置于裝置中融化,并開始計時,在融水裝置下方采用量筒承接融水,每隔0.5 h 測定融水體積,并收集水樣至水樣瓶中,以備后續(xù)測定EC、pH 以及離子含量(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-、HCO3-、NO3-)。

圖1 試驗裝置照片F(xiàn)ig.1 Photograph of the experimental setup

EC 使用電導(dǎo)率儀(ThermoOrion Star? A212,美國)測得,離子含量使用離子色譜儀(DIONEX ICS-2100,Thermo Fisher,美國)測得,礦化度(TDS)為離子總和,融水鈉吸附比(SAR)由式(1)計算得出。

式 中: Na+、Ca2+、Mg2+分別表示溶液中Na+、Ca2+、Mg2+的濃度,meq·L-1。

1.2 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 咸水冰融化時間

由圖2 可知,不同前處理和初始礦化度對咸水冰融化時間的影響顯著(P＜0.05)。相同礦化度下,不同處理的融化時間為破碎冰＜堆積冰＜曝氣冰＜常規(guī)冰。與常規(guī)冰相比,曝氣冰的融化時間減少3.45%～20.45%,堆積冰減少21.17%～29.43%,破碎冰減少27.59%～35.29%。

圖2 不同前處理下不同礦化度咸水冰的融化歷時Fig.2 Comparison of melting times of saline ice with different salinities under different pretreatments

相同前處理下,除曝氣冰外,不同礦化度處理的融化時間均為0 g·L-1＞15 g·L-1＞10 g·L-1＞5 g·L-1。曝氣冰處理的融化時間為0 g·L-1＜5 g·L-1＜10 g·L-1＜15 g·L-1,分別為12.33 h、12.5 h、13.5 h 和14.0 h。常規(guī)冰條件下,5 g·L-1、10 g·L-1、15 g·L-1的融化時間分別比0 g·L-1減少8.58%、8.58%、6.45%;曝氣冰條件下,5 g·L-1、10 g·L-1、15 g·L-1的融化時間分別比0 g·L-1增加1.38%、9.49%、13.54%;堆積冰條件下,5 g·L-1、10 g·L-1、15 g·L-1的融化時間分別比0 g·L-1減 少17.83%、8.22%、7.52%;破碎冰條件下5 g·L-1、10 g·L-1、15 g·L-1的融化時間分別比0 g·L-1減 少17.91%、8.57%、5.60%。所有處理中,5 g·L-1的破碎處理效果最好,融化時間為9.16 h,顯著低于其他處理(P＜0.05),是同礦化度下常規(guī)冰的64.71%。雙因素方差分析結(jié)果表明,初始礦化度和前處理均對融化時間有顯著影響,且存在交互作用(P＜0.05),其中前處理對融化時間的影響更大。

2.2 咸水冰融水水量動態(tài)

圖3 顯示不同前處理和礦化度對咸水冰融冰過程融出水量的影響,各處理融水水量均為先快速上升,達到其峰值后緩慢減少,呈現(xiàn)左偏的趨勢。5 g·L-1處理下,與常規(guī)冰相比,曝氣、堆積和破碎處理的峰值發(fā)生時間分別提前15.38%、46.15%和61.54%。其他礦化度條件下的規(guī)律相同,常規(guī)冰、曝氣冰、堆積冰、破碎冰達到峰值水量所需的時間依次變少,峰值水量依次變大。相同前處理下,5 g·L-1、10 g·L-1、15 g·L-1與0 g·L-1相比,峰值水量出現(xiàn)時間更晚,峰值水量常規(guī)冰＜曝氣冰＜堆積冰＜破碎冰,其中15 g·L-1破碎冰的峰值水量最大為311.40 mL·h-1。

圖3 不同初始礦化度下各前處理咸水冰融水水量動態(tài)Fig.3 Dynamics of the meltwater volumes of saline ice with different salinities under different pretreatments

2.3 咸水冰融水礦化度動態(tài)

圖4 顯示不同前處理和礦化度下咸水冰融水礦化度(TDS)的變化規(guī)律。各組處理融水礦化度均為開始時最高,隨著融化的進行,融水的TDS 快速下降,最后趨于平緩。前處理相同時,咸水冰初始礦化度越高,融化過程中融水的鹽分含量就越高,介于14.5～293.3 g·L-1,其中15 g·L-1常規(guī)冰最高,5 g·L-1破碎冰最低;初始礦化度相同時,初始融水鹽分含量破碎冰＜堆積冰＜曝氣冰＜常規(guī)冰;初始礦化度為5 g·L-1和10 g·L-1時,曝氣、堆積和破碎處理的初始融水礦化度顯著低于常規(guī)冰處理(P＜0.05)。初始礦化度為15 g·L-1,除曝氣處理外,其余均顯著低于常規(guī)處理。如表2 所示,末期融水礦化度最高值出現(xiàn)在15 g·L-1堆積冰(0.97 g·L-1),最低值出現(xiàn)在5 g·L-1破碎冰(0.06 g·L-1),差異顯著(P＜0.05)。

圖4 不同前處理和礦化度條件下咸水冰融水鹽分動態(tài)Fig.4 Salinity dynamics of meltwater of saline ice with different salinities under different pretreatments

表2 不同處理下咸水冰融水礦化度(TDS)和鈉吸附比(SAR)始末變化Table 2 Comparison of total dissolved solids (TDS) and sodium adsorption ratio (SAR) in meltwater between the starting and ending melting of saline ice with different salinities under different pretreatments

為定量分析融水TDS 隨時間的變化規(guī)律,使用Origin 中的Rank Models 插件篩選后,發(fā)現(xiàn)采用 Allometric1 函數(shù)可以較好地擬合其變化規(guī)律(表3),擬合結(jié)果通過顯著性檢驗,決定系數(shù)R2為0.86～0.99,且各參數(shù)均達極顯著水平(P＜0.01),因此使用Allometric1 函數(shù)模型可以準確地表征融水礦化度隨時間的變化規(guī)律。各處理參數(shù)b均為負值,說明函數(shù)為單調(diào)遞減,除5 g·L-1處理外,其余初始礦化度下,b的絕對值由小到大均為常規(guī)冰＜曝氣冰＜堆積冰＜破碎冰;相同前處理下,隨著初始礦化度的升高,參數(shù)a均呈增加的趨勢,均為5 g·L-1＜10 g·L-1＜15 g·L-1處理。

表3 不同前處理下不同礦化度咸水冰融水礦化度冪函數(shù)(y=a·xb)擬合參數(shù)表Table 3 Parameters of the fitted power function (y=a·xb) of total dissolved solids in meltwater (y) of saline ice with different salinities (x) under different pretreatments

2.4 咸水冰融水鈉吸附比(SAR)動態(tài)

在灌溉過程中,SAR 是評價水質(zhì)的重要指標之一,當?shù)V化度相同時,SAR 的差異會導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)發(fā)生不同程度的變化,灌溉水的SAR 過高會對土壤的物理性質(zhì)產(chǎn)生影響,表現(xiàn)為土壤中黏粒和團聚體的分散,土壤的透水性和透氣性的降低[19]。

圖5 展示的是不同礦化度和前處理下,咸水冰融化過程中融水SAR 的變化規(guī)律。從圖中可以看出,各組的SAR 隨著融化的進行先快速下降,說明開始融化時冰體中的鈉離子快速流出,排出速率高于Ca2+、Mg2+,后趨于平緩,并趨向一致,變化趨勢與TDS 相同。咸水初始礦化度為5 g·L-1、10 g·L-1時,咸水冰融化過程中SAR 由小到大為破碎冰＜堆積冰＜曝氣冰＜常規(guī)冰;15 g·L-1時,融水SAR 由小到大為破碎冰＜堆積冰＜曝氣冰＜常規(guī)冰。如表3 和圖5 所示，在本試驗中,初始礦化度越高,融化過程中融水的SAR越大。

當年在祖屋里玩耍的孩童們早已長大成人，各自在不同的城市購置新居、結(jié)婚生子，有些人已有數(shù)年未回祖屋相聚了。如今，人去樓空的祖屋再不加以修繕，過幾年也許就真的全塌了。俗語有云：樹長千丈落葉歸根，人行萬里涅槃回鄉(xiāng)。祖屋留在故鄉(xiāng)，我們這一代的根才能繼續(xù)留在故鄉(xiāng)，才能給在外拼搏的游子留一個回鄉(xiāng)的念想。

圖5 不同前處理和礦化度條件下咸水冰融水鈉吸附比動態(tài)Fig.5 Dynamics of sodium adsorption ratio of meltwater of saline ice with different salinities under different pretreatments

為定量分析融水SAR 隨時間的變化規(guī)律,使用Origin 中的Rank Models 插件篩選后,采用Allometric1 函數(shù)對其進行擬合,并進行顯著性檢驗(表4),其中咸水礦化度15 g·L-1的常規(guī)冰處理的決定系數(shù)R2為0.72,其余均為0.83～0.97,均達極顯著水平(P＜0.01),說明Allometric1 函數(shù)可準確地描述SAR 隨時間的變化規(guī)律。除常規(guī)冰外,其余相同前處理下,參數(shù)a隨著初始礦化度的升高而升高;各初始礦化度下,破碎冰處理參數(shù)b的絕對值均最大。

表4 不同前處理下不同礦化度咸水冰融水鈉吸附比冪函數(shù)(y=a·xb)的擬合參數(shù)Table 4 Parameters of the fitted power function (y=a·xb) of sodium adsorption ratio of meltwater (y) of saline ice with different salinities (x) under different pretreatments

2.5 咸水冰融水中的鹽分再分配及不同礦化度融水水量占比

為對比不同前處理咸水冰融水過程中的鹽分再分配及脫鹽效率,將融水水量進行4 等分,計算不同融化階段相同體積融水平均TDS 以及融水量為25%、50%和75%時咸水冰的脫鹽率。表5 展示的是不同處理下單位水量TDS 及融出該水量時對應(yīng)的咸水冰脫鹽率,從表中可以看出,相同初始TDS 下,前處理后的咸水冰前25%融水TDS 均不同程度低于常規(guī)冰,其中破碎冰在該階段下融水TDS 最低;特別是在初始TDS 為10 g·L-1和15 g·L-1時,分別為常規(guī)冰的80.45%和79.59%,差異顯著(P＜0.05)。對比25%～75%融水平均TDS,發(fā)現(xiàn)前處理提高了該部分融水的TDS,其中破碎冰處理顯著提高25%～50%融水的TDS (P＜0.05),即有更大比例的鹽分隨該部分融水流出,說明前處理改變了咸水冰融化過程中的鹽分再分配過程。對比咸水冰融化25%、50%和75%時咸水冰的脫鹽率可以發(fā)現(xiàn),在融化進行至75%時,咸水冰脫鹽率可達94.57%～98.81%,其中5 g·L-1的破碎冰融化75%時脫鹽率顯著高于常規(guī)冰(P＜0.05)。上述結(jié)果均可說明前處理可以在不影響咸水冰脫鹽率的情況下縮短脫鹽時間,且會對鹽分再分配產(chǎn)生影響。

表5 不同前處理下不同礦化度咸水冰單位體積融水礦化度及融出該水量時的咸水冰脫鹽率Table 5 Total dissolved solids (TDS) per unit volume of meltwater and desalination ratio at specific melting stage of saline ice with different salinities under different pretreatments

對各處理融出水TDS 進行分類(礦化度＞5 g·L-1為咸水,1～5 g·L-1為微咸水,＜1 g·L-1為淡水),如圖6所示,所有處理的冰體均有淡水融出,初始礦化度越低,融出淡水占比越大。各組處理均有著明顯的鹽分再分配現(xiàn)象。從圖6 可以看出咸水冰的初始礦化度越高,融出咸水(＞5 g·L-1)的比例越大,最高可達70%,這顯然不利于土壤鹽分的淋洗。5 g·L-1下的各處理,均產(chǎn)生了一部分淡水(＜1 g·L-1),其中5 g·L-1破碎冰的淡水產(chǎn)量占比(35.54%)高于其他3 組處理,且大于其微咸水產(chǎn)出比(33.22%),這說明在礦化度為5 g·L-1時,將冰打碎可獲更大比例的淡水;相較于常規(guī)冰,在凍結(jié)前加氣制造孔隙提高了淡水(＜1 g·L-1)的產(chǎn)出比例,但在其他礦化度下效果不明顯。3 個礦化度處理下,堆積冰的淡水產(chǎn)量均低于其他處理,特別是初始礦化度為15 g·L-1時,堆積冰的淡水產(chǎn)出率僅為0.4%,同時咸水(＞5 g·L-1)產(chǎn)出率為各處理中最高,為70.06%。根據(jù)雙因素方差分析結(jié)果,前處理和初始礦化度均對＜3 g·L-1、5 g·L-1水量占比有顯著影響(P＜0.05),并且存在交互作用(P＜0.05),其中前處理的影響更大;前處理對＜1 g·L-1淡水產(chǎn)量占比的影響顯著(P＜0.01)而初始礦化度對其影響不顯著(P=0.967),但交互作用顯著(P＜0.05)。

圖6 不同前處理不同礦化度咸水的各礦化度融水占比Fig.6 Salt redistribution of meltwater of saline ice with different salnities under different pretreatments

3 討論

3.1 咸水冰前處理對融水時間的影響

本研究中的曝氣、堆積、破碎前處理方式相對于常規(guī)冰均減少了融化時間,其中5 g·L-1破碎冰的融化時間僅為常規(guī)冰的64.71%。與常規(guī)冰相比,曝氣冰內(nèi)部孔隙較多、堆積冰和破碎冰與空氣接觸面積較大,故冰體與環(huán)境的熱量交換更加頻繁,融化時間較短。在融化初期,咸水冰處于熱量交換開始的階段,融水量均相對較少,但由不同前處理的咸水冰對溫度的響應(yīng)不盡相同,因此在融化速度上呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。不同初始礦化度咸水冰的融化時間不同,隨礦化度的升高呈先減少后增加的趨勢: 一方面,鹽分的加入降低了冰體的冰點,導(dǎo)致5 g·L-1咸水冰的融化速率高于淡水冰,所以融化更快;另一方面,對比5 g·L-1、10 g·L-1、15 g·L-1咸水冰,隨著鹽分含量的升高,融化時間依次變長,這是由于咸水冰的熱傳導(dǎo)系數(shù)不僅是溫度也是鹽度的函數(shù),咸水冰中的鹵水胞在融化過程中充當著“熱庫”的作用,隨著咸水冰內(nèi)部鹵水胞的增加,融化所需能量隨之提高,其中,冰點降低,融化時間變短為正效應(yīng),鹵水胞增加,融化時間變長為負效應(yīng),兩種效應(yīng)疊加造成了融化時間的差異[20-21]。咸水冰重力脫鹽持續(xù)時間較長,往往可達數(shù)月,有研究表明在田間水分損失的比例最高可達總冰量的40%[11,18],因此,縮短融化時間,理論上可以減少淡水的損耗,提高水資源利用效率,但由于大田融化條件可能和室內(nèi)不同,其對咸水冰融化過程中水質(zhì)和水量動態(tài)規(guī)律仍需進一步研究。

3.2 咸水冰前處理對融水水量動態(tài)的影響

常規(guī)冰融化過程中單位時間融出水量呈先增加后減少的趨勢,單位時間峰值融出水量出現(xiàn)在融化中期,這與前人的研究保持一致[15];與前人研究不同的是,對咸水冰進行前處理,改變了融出水水量的動態(tài),將冰打碎,推遲了融水開始流出的時間,且融化開始后迅速達到融化峰值,提高了單位時間峰值水量,其原因可能為以下幾個: 首先,冰體的多孔狀結(jié)構(gòu)有著較好的保墑性能,咸水冰融化后,融水廣泛分布于冰體之間,由于毛管力的作用使得冰體有一定的持水性能;其次碎冰中的咸水通道不僅包括有利于脫鹽的縱向通道,也包括不利于咸水排出的橫向通道,阻礙融水排出;另外,碎冰還具有親水性,融水吸附在冰體表面,不能及時流出[22]。這3 方面的原因?qū)е略谄扑樘幚硐?融水延遲流出。隨著融化的持續(xù)進行,融水量逐漸增大,至冰體無法保持的水量后便流出,所以破碎冰融水開始排出后很快達到融水量峰值。堆積冰處理中,咸水冰體積相對較小,與周圍環(huán)境的熱量交換強度較大,與常規(guī)冰相比融化速度較快,因此融化前期的出水量較多,也較早達到峰值。有研究指出在一定范圍內(nèi)提高入滲量有利于鹽分的淋洗,但在咸水結(jié)冰灌溉中仍需進一步試驗證實[23-25]。

3.3 咸水冰前處理對融水水質(zhì)的影響

海冰中存在大量咸水通道,在重力脫鹽過程中,冰體表面和冰晶間的鹽分最先隨融水順咸水通道流出,因此融化初期水中含鹽量較大,而后期融水多為冰晶融水和鹵水的混合物,且冰晶融水比例越來越大,故融水含鹽量越來越少[26-29]。本研究中咸水冰中的鹽分同樣以鹵水胞的形式存在,吸熱后,在重力作用下向下遷移形成咸水通道,融化初期,冰體溫度較低,故融水礦化度較高,大量鹽分排出,隨著融化的進行,融水礦化度逐漸降低,最后趨于平緩,在融化末期達到最小值,咸水冰融化過程中的鹽分再分配效果明顯。破碎處理融化前半小時和后半小時的融水礦化度和SAR 均顯著低于其他處理(P＜0.05),在融化初期,破碎冰體的鹵水胞暴露在表面,同時冰體表面吸附了部分融水,隨著融化的進行,融水量逐漸增大,冰體表面無法繼續(xù)保持當前的水量,大量融水帶著溶解的鹽分流出,使得后期融水含鹽量極低[30]。

曝氣冰在融水水量和水質(zhì)上和常規(guī)冰相比差異并不大,可能原因是曝氣咸水凍結(jié)時有氣體溢出,同時受限于容器體積,曝氣結(jié)冰后孔隙度提升并不明顯,對咸水通道的形成未造成顯著影響。堆積冰脫鹽效果最差,咸水冰凍結(jié)時形成的咸水通道是與水平面相垂直的,而隨機堆積擺放會使得部分冰體的咸水通道與水平夾角過大,不利于重力脫鹽[17,31]。鹽分無法集中在前半段排除,導(dǎo)致后期融水礦化度和SAR 較大。

3.4 咸水冰前處理對微咸水產(chǎn)出量的影響

對冰體進行前處理會影響咸水冰融化過程中的鹽分再分配,改變不同礦化度融水的出水量比例。其中,淡水融出量對最終鹽分的淋洗起著較為重要的作用。碎冰豐富的咸水通道提高了冰體的脫鹽效率。5 g·L-1條件下,破碎顯著提高了淡水產(chǎn)量,相較于對照組提高88.6%。相同前處理下,隨著咸水冰初始礦化度的增加,融出＜3 g·L-1微咸水的比例逐漸減少。但最后微咸水產(chǎn)出比例差異不顯著(P＞0.05),可能原因: 1)碎冰條件限制了鹵水胞的破碎程度,使不同礦化度水平下的差異不顯著;2)咸水通道的形成還取決于冰體初期吸熱融化速度,不同礦化度碎冰的熱交換強度相似,使咸水通道數(shù)量相近,脫鹽強度不存在顯著性差異;3)碎冰裝填時為了保證其原始密度,未對碎冰進行壓實,雖然有效保留了內(nèi)部孔隙,但實際增加了排鹽通道的長度,導(dǎo)致更多的淡水摻雜著鹵水流出,表現(xiàn)在融化開始時單位時間內(nèi)融水水量大,礦化度低。在實際情況下,各融化時期融水水質(zhì)對鹽漬化土壤鹽分的淋洗至關(guān)重要,本研究主要討論了地上部分即咸水冰的融化過程,不同前處理咸水冰融水在土壤中的入滲過程有待進一步研究。

4 結(jié)論

本研究通過室內(nèi)咸水冰融水試驗發(fā)現(xiàn),對咸水冰進行曝氣、堆積、破碎前處理,可改變咸水冰融水水量和水質(zhì)動態(tài):

1) 3 種前處理方式能夠顯著縮短冰體融化時間,提高脫鹽效率,破碎冰處理在各初始礦化度下,融水時間均最短,其中5 g·L-1破碎冰融化歷時在各處理間最短(9.16 h),為對照組的64.71%。

2)咸水冰融水水量均呈先增加后減少的趨勢,在融水峰值上,破碎冰最大;咸水冰融水TDS 和SAR初期最高,隨著融化的進行逐漸降低,最后趨于平緩。整個融化過程中,經(jīng)前處理的咸水冰融水SAR 值為0.16～6.31,說明本研究中的前處理措施可降低咸水資源利用時土壤堿化的風險。

3)前處理措施能夠改變咸水冰融化過程中的鹽分再分配。初始礦化度為5 g·L-1時破碎處理淡水(＜1 g·L-1)產(chǎn)融出量最高,為33.26%,優(yōu)于同礦化度的其他處理。堆積冰的淡水(＜1 g·L-1)產(chǎn)量在各個礦化度下均最少,其中在初始礦化度為15 g·L-1時,＜1 g·L-1淡水產(chǎn)量僅為0.48%,而大于5 g·L-1咸水產(chǎn)量為70%。