王冠華,陳 末,*,劉睿姝,陳寒冰
(黑龍江大學 a.水利電力學院;b.寒區(qū)地下水研究所,哈爾濱 150080)
據(jù)統(tǒng)計,目前全球永久凍土面積占陸地總面積20%以上,凍土區(qū)有著豐富的各種資源,推動人類社會進步發(fā)展,但隨著在凍土區(qū)人類活動日益增加,給凍土區(qū)生態(tài)造成了威脅[1-3]??傮w來說,凍土區(qū)與人類社會和經(jīng)濟活動的聯(lián)系日益密切,但其自身面臨的環(huán)境壓力也在增大。在此背景下,研究凍土中水分、熱量和溶質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律,將有助于人們更加合理地開發(fā)利用凍土區(qū),對修復維護凍土區(qū)環(huán)境,實現(xiàn)凍土區(qū)在自然、社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展起著重要的作用。
諸多學者對溶質(zhì)在凍融過程中的遷移進行了研究[4-9],王維真等[10-11]對凍融過程中水、鹽運移特性進行了研究。李瀟瀚等[12]發(fā)現(xiàn),在受到凍結(jié)后土壤中的鹽分重新分布,形成了新的固-液-氣組合狀態(tài)。徐學祖等[13]認為凍結(jié)深度以下土中鹽分在凍結(jié)過程中隨水分自下而上遷移,并在冰晶體兩側(cè)形成一個高濃度帶,凍土側(cè)的溶質(zhì)隨未凍水向溫度低的一側(cè)移動,而未凍土側(cè)的溶質(zhì)在濃度梯度的作用下向水分遷移相反方向擴散,造成未凍土上端的含鹽量高于平均濃度。Shang J Q等[14]通過室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn),100~750 MHz 頻率段的介電常數(shù)和土壤電導率可有效地反映金屬離子的運移趨勢,由土壤溶液的電導率可精確推算土壤溶液的鹽分濃度。孫玉龍等[15]利用TDR技術(shù)研究了非飽和灌溉下沙壤土溶質(zhì)濃度變化。Bing H等[16]研究了凍結(jié)條件下土壤中水分、溶質(zhì)的分布,分析了初始含水率對水分和溶質(zhì)再分布的影響。Watanabe K等[17-18]對凍土中未凍結(jié)水量進行了研究,發(fā)現(xiàn)溶質(zhì)主要附在未凍結(jié)水中,并隨著水分發(fā)生相應的遷移。
實驗通過TDR傳感器測定土壤水分、溫度和電導率并推算土壤溶質(zhì)濃度,在該基礎上控制土壤的初始含水率、凍結(jié)溫度進行室內(nèi)土柱凍結(jié)試驗,開展了含鹽砂土凍結(jié)過程中溶質(zhì)的遷移試驗研究,旨在為寒區(qū)鹽漬化防治、修復維護凍土區(qū)環(huán)境等提供理論參考。
試驗土樣于9月取自哈爾濱市黑龍江大學呼蘭校區(qū)。土壤運至實驗室后,在室溫(20 ℃)下測試土壤的基本物理性質(zhì),并獲得土壤的基本物理指標。將一部分土壤干燥并分組,對土壤樣品進行了基本土壤粒度測試,使用馬爾文粒度分析儀重復測量粒度,表明為細砂和粉土(表1)。
表1 土壤基本物理指標
采用NX-05AS制冷機對實驗土柱進行冷凍。凍結(jié)裝置見圖1,凍結(jié)裝置由有機玻璃制成,總長60 cm,每隔10 cm插入TDR水分探頭與溫度傳感器(圖2)。
圖1 凍結(jié)裝置Fig.1 Freezing device
圖2 傳感器位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of sensor location
使用VMS-3000-XZJ100-Y環(huán)境監(jiān)測主機和傳感器進行數(shù)據(jù)采集,通過RS485接口上傳到監(jiān)控云平臺,實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、Excel導出和編輯。該過程包括傳感器與數(shù)據(jù)采集設備的連接、傳感器的調(diào)試以及監(jiān)控主機的基本數(shù)據(jù)參數(shù)設置,包括設備搜索鏈接、網(wǎng)絡參數(shù)設置和基本通道參數(shù)設置。
為了研究凍結(jié)狀態(tài)下土壤中水分和溶質(zhì)的遷移及土壤初始含水率、凍結(jié)溫度對遷移的影響,實驗共采用12組土樣,具體實驗條件見表2。
表2 實驗條件
為了利用TDR傳感器所測的溫度和電導率來推算溶質(zhì)濃度,進行了一系列標定試驗,標定試驗結(jié)果見圖3。
由圖3可見,電導率、濃度和溫度3個變量中濃度和溫度對電導率存在影響,而濃度與溫度間相互獨立。可以分成兩部分:濃度—電導率、溫度—電導率進行相關(guān)性檢驗,檢驗結(jié)果顯示濃度、溫度和電導率存在顯著性相關(guān)關(guān)系,可進一步做擬合曲線進行回歸分析,建立線性回歸模型為
Z=aC+bT+c
(1)
式中:Z為電導率;C為濃度;T為溫度;a,b,c為線性函數(shù)參數(shù)。
對線性模型進行擬合,經(jīng)5次迭代后,模型達到收斂標準,確定了電導率和溶質(zhì)濃度、溫度的對應關(guān)系為
Z=62.816C+0.295T+0.74
(2)
對土樣進行凍結(jié)一定時間后,土樣可以分為凍結(jié)與未凍兩個區(qū)域。在凍結(jié)初期,樣品在10 cm處含水率快速下降,隨著時間推進含水率下降趨勢減緩后漸漸趨于穩(wěn)定,即使經(jīng)過160 h凍結(jié),在凍結(jié)區(qū)域也有一部分液態(tài)水存在。這是由于在凍結(jié)初期土壤中的液態(tài)水快速冷凍凝結(jié)成冰,造成凍結(jié)區(qū)域含水率迅速降低,但隨著凍結(jié)逐漸深入凍結(jié)區(qū)域的液態(tài)水卻不完全消失。在1921年,Bouyoucos G J[19]發(fā)現(xiàn),凍土中的水分不會全部凝結(jié)成冰,即使在凍結(jié)溫度-78 ℃下,也有部分液態(tài)水存在于土壤的微小孔隙中[20],土壤在未凍結(jié)時,各深度含水率基本保持一致;隨著凍結(jié)開始,土壤凍結(jié)鋒面開始移動,當凍結(jié)時間達到20 h時,凍結(jié)鋒面處于不穩(wěn)定狀態(tài)并且在處于逐漸下移中,同時因為水分的凍結(jié),土壤在10 cm深度含水率下降的很快;當凍結(jié)時間為80 h時,此時凍結(jié)鋒面基本達到穩(wěn)定狀態(tài),在土壤10 cm深處,由于在凍結(jié)過程中未凍區(qū)的水分逐漸向凍結(jié)鋒面和凍結(jié)區(qū)遷移,含水率沒有發(fā)生很大的改變,在20 cm以下的土壤,含水率還在逐步降低,原因是在非穩(wěn)態(tài)凍結(jié)鋒面變化過程中,未凍結(jié)區(qū)域的水分逐漸向凍結(jié)區(qū)域遷移,其自身水分沒有得到補充(圖4)。
通過控制初始含水率進行實驗,在不同初含水率條件下土樣中各深度未凍場含水率見圖5。隨著初始含水率的增長,各樣品在10 cm處達到穩(wěn)定含水率的時間大致相同,但在含水率變化率上差距很大。當樣品初始含水率分別為12%、22%、32%,土樣含水率在10 cm處經(jīng)過凍融后達到的穩(wěn)定含水率分別為5.7%、5.6%、6.5%,變化率分別為52.5%、74.5%、80%;在20 cm處土樣含水率變化規(guī)律也大致相同。由此可見,凍結(jié)土樣未凍水含量的變化率隨著土壤初始含水率增長而增長。當初始含水率分別為12%、22%、32%時,凍結(jié)鋒面穩(wěn)定時分別下降到15.8 cm、19.3 cm、21.2 cm處(表3),可見隨著初始含水率的增大,凍融鋒面逐漸下移。吳禮舟等[21]探究了凍土中影響凍結(jié)鋒面移動的因素,在影響溫度分布及其凍結(jié)鋒面移動速度的因素中,含水率影響最大,干密度次之,土的類型影響最小,含水率對凍脹量的影響非常顯著,含水率越大,凍脹量越大。
圖5 不同初始含水率水分變化Fig.5 Moisture change diagram of different initial water content
表3 凍結(jié)鋒面位置
通過控制凍結(jié)溫度進行實驗,在不同凍結(jié)溫度條件下土樣中各深度含水率見圖6。凍結(jié)溫度分別為
圖6 不同凍結(jié)溫度水分變化Fig.6 Moisture change diagram at different freezing temperatures
-20 ℃、-25 ℃、-35 ℃時,土壤在10 cm處經(jīng)凍結(jié)到達的穩(wěn)定含水率分別6.38%、8.5%、3.7%,變化率分別為61.6%、70.1%、83%,隨著凍結(jié)溫度的降低,土樣在10 cm處與在20 cm處在凍融后達到的穩(wěn)定含水率逐漸趨近,凍結(jié)鋒面隨著凍結(jié)溫度的降低下移并在凍結(jié)溫度為-35 ℃時,降到20 cm以下,此時土樣在10 cm處經(jīng)凍融后達到的穩(wěn)定含水率與在20 cm處幾乎相同。
由圖6可見,凍結(jié)土樣未凍水含量的變化率隨著凍結(jié)溫度的降低而增長;在凍結(jié)區(qū)越靠近冷端含水率變化越快,到達穩(wěn)定含水率所需時間越少。
凍結(jié)溫度為-20℃含水率為22%的條件下土樣NaCl濃度隨時間變化見圖7。由圖7可見,在10 cm處,土樣NaCl濃度溶質(zhì)經(jīng)過20、40、60、80 h凍融后分別達到0.28、0.345、0.42、0.52 mol·L-1,凍結(jié)時間為20 h時,在10 cm處土樣NaCl濃度增長近40%,增長的速度很快,這是因為此處靠近冷端,在凍結(jié)初始液態(tài)水快速凝結(jié)成冰,使得土樣NaCl濃度在凍結(jié)時間為20 h時得到了快速增長;在20 cm處,凍結(jié)時間為20 h時,土樣NaCl濃度是0.12 mol·L-1,此時溶質(zhì)濃度小于初始濃度,當凍結(jié)時間達到40 h時,土樣NaCl濃度大于初始濃度,并且隨著凍結(jié)時間的增長,NaCl濃度持續(xù)增長,原因是在凍結(jié)初期該處的水分帶著溶質(zhì)不斷向20 cm以上凍融鋒面及凍結(jié)區(qū)域進行遷移,但隨著凍融時間的增長凍融鋒面不斷向下移動,該處獲得來自未凍區(qū)域溶質(zhì)的補給導致溶質(zhì)濃度的增長;在30 cm及以下深度的未凍區(qū),土樣NaCl濃度隨著凍結(jié)時間增長逐漸降低,隨著凍結(jié)鋒面的移動,溶質(zhì)跟著水分由未凍區(qū)不斷向凍結(jié)區(qū)遷移,造成了溶質(zhì)自下向上進行遷移從而使凍結(jié)區(qū)的溶質(zhì)濃度大于未凍區(qū)的溶質(zhì)濃度;在凍土層及凍結(jié)鋒面附近溶質(zhì)濃度隨著深度的增加而減小,而在未凍區(qū)域溶質(zhì)濃度隨著深度的變化則沒有表現(xiàn)出明顯的溶質(zhì)分布梯度。在凍土層內(nèi)部,隨著凍結(jié)時間的增加,溶質(zhì)的濃度也逐漸增長,但是增長的速度逐漸變緩,在未凍區(qū)域,各深處的溶質(zhì)濃度緩緩降低,且?guī)缀跬阶兓?,保持一個較小的、幾乎恒定的溶質(zhì)濃度梯度。
不同初始含水率下凍結(jié)時間為80 h時土樣NaCl濃度隨時間變化見圖8。由圖8可見,隨著初始含水率增加,凍土層NaCl濃度也增加,更多的水分補給導致更多溶質(zhì)向凍土層遷移;在實驗過程中,隨著含水率增加有時出現(xiàn)在凍結(jié)區(qū)域上端溶質(zhì)濃度先減小又增加的情況,土樣在高含水率NaCl濃度隨凍結(jié)時間變化見圖9。由圖9可見,該組土樣是在凍結(jié)溫度-25 ℃,初始含水率42%實驗條件下進行。這是因為初始含水率的增加在一定程度上能減小土壤凍結(jié)速率,當含水率過大,此時的凍結(jié)溫度不足以快速凍結(jié)靠近冷端的土壤時,較慢的凍結(jié)速率為溶質(zhì)向下遷移提供了時間,這時由于勢能的作用,土壤中溶質(zhì)會伴隨水分向下遷移,但隨著凍結(jié)的深入溶質(zhì)因為勢能的原因向下遷移減少,而且含水率的增長,也使得更多的水分遷移攜帶更多的溶質(zhì)遷移進入凍土層,導致最終NaCl遷移量會因為含水率的增加而增加;不同初始含水率下凍結(jié)時間為80 h時土樣NaCl濃度隨時間變化見圖10,凍結(jié)溫度的降低也增加NaCl溶質(zhì)遷移量。
圖8 不同初始含水率溶質(zhì)濃度變化Fig.8 Variation of solute concentration with different initial water content
圖9 溶質(zhì)含量變化Fig.9 Changes in solute content
圖10 不同凍結(jié)溫度溶質(zhì)濃度變化Fig.10 Variation of solute concentration at different freezing temperatures
本實驗通過相應的儀器設備,進行了相應的單向凍結(jié)實驗,研究了鹽漬土中水鹽遷移方式及影響因素,結(jié)論如下:
1)凍結(jié)鋒面隨著凍結(jié)時間的增長逐漸下移,達到穩(wěn)定狀態(tài),在這個過程中水分自下向上不斷從未凍區(qū)向凍結(jié)鋒面及凍結(jié)區(qū)遷移。在凍結(jié)溫度不變的情況下初始含水率的增加使凍結(jié)鋒面向下遷移。
2)土壤未凍水含率隨著凍結(jié)溫度的降低而降低,凍土中有部分液態(tài)水存在于土壤的微小孔隙中。
3)在凍結(jié)過程中,凍結(jié)區(qū)域溶質(zhì)含量增加,未凍區(qū)溶質(zhì)含量降低,隨著凍結(jié)鋒面的下降未凍區(qū)水分帶著溶質(zhì)向凍結(jié)區(qū)域遷移。
4)初始含水率的增加和凍結(jié)溫度的降低可增加溶質(zhì)遷移量。