柳憲布，吳麗萍，陳 潔，王蔭蔭，張振宇，曹 文，李 悅

（1．天津市生活垃圾處理中心，天津 300100；2．天津城市建設(shè)學院環(huán)境與市政工程學系水質(zhì)科學與技術(shù)重點實驗室，天津 300384）

爐渣為暗管包敷濾料對土壤含鹽量的影響*

柳憲布1，吳麗萍2，陳 潔1，王蔭蔭2，張振宇2，曹 文2，李 悅1

（1．天津市生活垃圾處理中心，天津 300100；2．天津城市建設(shè)學院環(huán)境與市政工程學系水質(zhì)科學與技術(shù)重點實驗室，天津 300384）

以爐渣作為暗管外包過濾材料，選取包敷濾料種類、濾料厚度、暗管規(guī)格為控制因子做正交試驗，考察各因素對土壤含鹽量（以土壤電導率衡量）的影響。經(jīng)試驗數(shù)據(jù)的極差與方差分析，篩選出優(yōu)組合為A3B1C1，即包敷濾料種類為流化床爐渣、濾料厚度為10 cm、暗管選取孔面積為1 200 mm2/m規(guī)格的PVC波紋管。該敷設(shè)模式下，經(jīng)補水淋溶和重力水下滲過程，土壤含鹽量有很大程度地降低，脫鹽率可達44．8%。

爐渣；包敷濾料；土壤含鹽量；極差分析

鹽漬土區(qū)土壤脫鹽主要由其蒸發(fā)和入滲條件決定［1］。蒸發(fā)條件下，由于土壤的毛管作用，鹽分隨水分而上升，造成土壤表層鹽分升高；降雨或灌水時，入滲的水流夾帶表層的鹽分向深層移動，使表層鹽分逐漸降低。改堿暗管一方面有效調(diào)控土壤的地下水位，降低土壤毛管作用引起的土壤積鹽；另一方面，利用灌溉和降雨對含鹽土層的鹽分進行淋洗脫鹽，通過暗管將鹽分排出土體，達到土壤脫鹽的目的。有研究表明，暗管埋設(shè)后能有效降低地下水位和明顯改善土壤通氣狀況［2］。暗管一般采用管徑為80～110 mm的帶孔PVC波紋管。暗管外裹無紡布或編織袋等織物，埋深按地下水位和土壤結(jié)構(gòu)特征確定，一般為0．8～2．5 m［3］。外包過濾材料是暗管排水工程中質(zhì)量能否有效保證的關(guān)鍵［4］。在重黏土中埋設(shè)水平暗管排水，過濾材料常常采用各種級配的砂礫料，厚度一般為10～20 cm，其反濾排水效果顯著，但貨源不足或造價較高制約了砂礫料的應(yīng)用。為了降低暗排工程費用，必須繼續(xù)尋求新的過濾材料。

針對濱海地區(qū)地勢低洼、地下水埋深淺、礦化度高、土壤含鹽量高、土壤黏重、通氣透水性不良，綠化和基礎(chǔ)建設(shè)條件差等問題，本著就地取材的原則，開發(fā)利用工業(yè)固體廢料爐渣作為改堿暗管包敷濾料，研究其對暗管排鹽的影響與作用。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗選取了4種鍋爐爐渣作為排鹽暗管包敷濾料，天津濱海熱電廠增鈣液態(tài)渣（GZ）為立式旋風爐于高溫（約1 600℃）燃燒室排放的熔融物經(jīng)水淬形成的粒狀渣體，具有較高的化學活性，主要化學成分為硅鋁酸鈣；泰達爐渣（TZ）主要組成元素為 Si、Al、Ca、Na、Fe、C、K 和 Mg，以及青光流化床爐渣（LZ）和校內(nèi)供熱鍋爐爐渣（RZ）。4種爐渣的密度、孔隙度以及粒徑組成見表1～2。排鹽暗管為帶孔PVC波紋管，管徑80 mm，外裹透水無紡布，以防止鹽漬土顆粒堵塞暗管。

1.2 試驗裝置與方法

試驗裝置為60 cm×60 cm×120 cm規(guī)格的鋼化玻璃柱，如圖1所示，共8個土柱。以包敷濾料種類、包敷濾料厚度、暗管規(guī)格為主要影響因素，選取L8（41×2）4正交表安排試驗，見表3。濾料層鋪設(shè)于裝置底部中間位置，外裹透水無紡布的暗管埋設(shè)于濾料層中心。濾料周邊裝填鹽漬土（密度1．28 g/cm3，孔隙度5．25%），填充高度為80 cm。距鹽漬土表層20、40、50 cm處開設(shè)Φ6 cm的取樣孔，鹽漬土上層覆蓋10～20 cm客土，并種植植物。鹽漬土取自天津濱海新區(qū)海岸，土壤電導率為382．85 mS/m。

表1 包敷濾料的密度與孔隙度

表2 包敷濾料的粒徑分布 %

圖1 試驗裝置示意

表3 L8（41×24）正交試驗

試驗期間采用灌溉補水方式對含鹽土層的鹽分進行淋洗脫鹽，淋溶補水量參考天津多年平均降水量（600 mm） 確定。采用WET土壤水分/溫度/電導率速測儀（英國） 測定各土柱20、40、50 cm鹽漬土剖面的土壤電導率，每7～10 d取樣測定，并重復測定3次。通過統(tǒng)計分析確定各因素的影響大小，篩選出暗管排鹽效果最佳的組合形式。

2 數(shù)據(jù)分析與討論

2.1 實驗數(shù)據(jù)的極差分析

極差分析法［5］直觀形象、簡單易懂。根據(jù)正交表的綜合可比性，極差分析法通過簡便的計算和判斷就可以求得試驗的優(yōu)化成果、主次因素、優(yōu)水平及優(yōu)組合，能比較圓滿地達到一般試驗分析要求。

首先對測得的土壤電導率數(shù)據(jù)采用序時平均數(shù)加權(quán)法進行計算，作為每組試驗的代表性指標值，計算公式為：

式中：y1i、y2i、y3i分別表示土柱鹽漬土剖面20、40、50 cm層土壤電導率的序時平均數(shù)（i=1、2、3）。

依據(jù)表4 Rj的大小可知，A因素對土壤含鹽量的影響最大，其次為B因素，C因素的影響最小。即各影響因素重要性依次為A＞B＞C。以土壤電導率作為主要衡量指標而言，該值越高，則土壤含鹽量越高，排鹽效果越差。因此，由各因素對應(yīng)值的大小可認為暗管排鹽的優(yōu)組合為A3B1C1，即：流化床爐渣作為包敷濾料，厚度10 cm，采用孔隙面積1 200 mm2/m的PVC暗管，可以達到較好的脫鹽效果。

表4 土壤電導率的極差分析

注：K=P=ST=QT-P，為試驗數(shù)據(jù)的總偏差平方和；Se為試驗誤差的偏差平方和。

根據(jù)表4中kij值，對各影響因素的優(yōu)水平分析如下：①A因素（濾料種類）對土壤電導率的影響極顯著。其中流化床爐渣（LZ） 對降低土壤電導率的作用最大，其次為泰達爐渣（TZ）、增鈣液態(tài)渣（GZ） 和供熱鍋爐爐渣（RZ）。從表1和表2爐渣的密度與粒徑組成來看，流化床爐渣密度為1．39 g/cm3，具有較為均勻的粒徑級配。增鈣液態(tài)渣細粒子多，≤1 mm的渣粒占38%。供熱鍋爐爐渣密度小，在壓力作用下可能易發(fā)生淤化。②B因素（濾料厚度）對土壤電導率的影響較顯著。試驗采用的是濱海鹽漬土，其土壤黏滯性較高，淤積傾向較為嚴重，故設(shè)定厚度不小于8 cm［6］。依據(jù)極差分析結(jié)果，濾料厚度的優(yōu)水平為10 cm。③C因素（暗管規(guī)格） 對土壤電導率的影響不顯著，其影響可以忽略。

2.2 實驗結(jié)果的方差分析

極差法無法確定試驗優(yōu)化成果的可信度，也不能應(yīng)用于回歸分析與回歸設(shè)計。而方差分析則在偏差平方和分解的基礎(chǔ)上借助于F檢驗法，對影響總偏差平方和的各因素效應(yīng)及其交互效應(yīng)進行分析，判斷各因素對試驗指標影響的顯著性［7］。基于此，進一步對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，以檢驗上述優(yōu)組合的可靠性。

由表5的方差分析可知，因素A對土壤電導率的影響較顯著，該實驗指標的影響顯著性的可信度高于95%。B因素影響顯著性的可信度略高于90%，而C因素的影響不顯著。依據(jù)F大小，3種因素對土壤電導率的影響性排序為A＞B＞C，與極差分析的結(jié)果一致。

表5 土壤電導率的方差分析

2.3 水平效應(yīng)和工程平均估計

經(jīng)試驗數(shù)據(jù)的極差分析和方差分析，可以確定A3B1C1組合為該試驗條件下排鹽效果最優(yōu)的組合形式，但該組合并沒有出現(xiàn)在L8（41×24）正交試驗的8組試驗中，需應(yīng)用水平效應(yīng)和工程平均估計的方法對優(yōu)組合的指標值進行估算。即用各因素的各水平效應(yīng)值定量估計L8（41×24）試驗中16種組合類型對土壤電導率的貢獻值（工程平均）。各因素的水平效應(yīng)值見表6。工程平均的估算式為：

以選出的最優(yōu)組合A3B1C1為例，應(yīng)用公式（2）對該組合土壤電導率指標值估算如下：

表6 各影響因素水平的效應(yīng)值

組合A3B1C1的土壤電導率工程平均估計值的置信區(qū)間估算采用如下公式：

式中：Se為誤差項偏差平方和；fe為誤差項自由度；ne為誤差項的有效重復數(shù)，ne=數(shù)據(jù)總個數(shù)/（1+顯著性因子的自由度之和）。

依據(jù)表5中計算值，得δ0．01=26．7。因此，試驗優(yōu)組合A3B1C1的土壤電導率為184．8～238．2 mS/m，置信度為99%。

3 結(jié)論

1）包敷濾料種類、濾料厚度和暗管規(guī)格對土壤電導率的影響存在明顯差異。其中，包敷濾料種類的影響效果最為顯著，其次為濾料厚度，暗管規(guī)格對其影響可忽略。

2） 試驗條件下對降低土壤含鹽量優(yōu)組合為A3B1C1，即包敷濾料選用流化床爐渣，敷設(shè)厚度為10 cm，暗管選取孔面積為1 200 mm2/m規(guī)格的PVC波紋管，外裹透水無紡布。通過補水淋溶和重力水下滲作用，鹽漬土土壤脫鹽率達44．8%。

3）工業(yè)固體廢料——爐渣用作排鹽暗管過濾材料，可有效降低土壤含鹽量，替代砂礫料，降低暗排工程費用。

［1］馬純永．暗管改堿技術(shù)在路域綠化項目中的應(yīng)用［J］．科協(xié)論壇（下半月），2009（12）：123-124．

［2］艾天成，李方敏．暗管排水對澇漬地耕層土壤理化性質(zhì)的影響［J］．長江大學學報：自然科學版，2007，4（2）：4-5，8．

［3］楊玉珍．黃三角暗管改堿實驗［J］．中國土地，2008（7）：18-19．

［4］丁昆侖，余玲，董鋒，等．寧夏銀北排水項目暗管排水外包濾料試驗研究［J］．灌溉排水，2000，19（3）：8-11．

［5］鄧勃．分析測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理方法［M］．北京：清華大學出版社，1995．［6］SL/T 4—1999農(nóng)田排水工程技術(shù)規(guī)范［S］．

［7］鄭少華，姜奉華．試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理［M］．北京：中國建材工業(yè)出版社，2004．

Effects of Slag as Outsourcing Filter Material for Subsurface Pipe on Soil Salt Content

Liu Xianbu1,Wu Liping2,Chen Jie1,Wang Yinyin2,Zhang Zhenyu2,Cao Wen2,Li Yue1
（1．Tianjin Domestic Waste Disposal Center,Tianjin 300100;2．Key Laboratory of Aquatic Science and Technology,School of Environmental and Municipal Engineering,Tianjin Institute of Urban Construction,Tianjin 300384）

Using slag as outsourcing filter material for subsurface pipe,choosing the type and thickness of filter material and the specification of subsurface pipe as the control factors,the orthogonal test was carried out to investigate the influence of various factors on the soil salt content(as measured by soil electrical conductivity)．The combination A3B1C1was the optimal combination by range analysis and variance analysis．That is to say,the type of filter material was the slag of fluidized-bed furnace,the thickness was 10 cm,the specification of subsurface pipe was PVC corrugated pipe with the hole area of 1 200 mm2/m．With this installation mode,the soil salt content had greatly reduced by the process of water leaching and gravity water infiltration,and the desalination rate could reach 44．8%．

slag；outsourcing filter material；soil salt content；range analysis

X502

A

1005-8206（2012）04-0005-03

國家科技支撐計劃課題（2009BAC55B03）

2012-02-21

柳憲布（1954—），高級工程師，主要從事垃圾處理技術(shù)開發(fā)及垃圾處理設(shè)施的管理。

（責任編輯：鄭雯）