凍結(jié)作用下砂土水鹽運移規(guī)律試驗研究

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)

0 引 言

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。

1 材料與方法

1.1 土樣

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

1.2 裝置

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

1.3 數(shù)據(jù)采集

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。

1.4 實驗設計

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

1.5 溶液濃度的標定

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)

2 水分場運移規(guī)律分析

2.1 未凍場水分遷移

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)。

2.2 初始含水率對未凍水場的影響

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

2.3 凍結(jié)溫度對未凍水場的影響

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。

3 溶質(zhì)運移規(guī)律及分析

3.1 溶質(zhì)遷移

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。

3.2 初始含水率和凍結(jié)溫度對溶質(zhì)遷移的影響

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

4 結(jié) 論

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。