王冠華，陳 末，*，劉睿姝，陳寒冰

(黑龍江大學(xué) a.水利電力學(xué)院；b.寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱 150080)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dòng)人類社會(huì)進(jìn)步發(fā)展，但隨著在凍土區(qū)人類活動(dòng)日益增加，給凍土區(qū)生態(tài)造成了威脅[1-3]?？傮w來(lái)說(shuō)，凍土區(qū)與人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)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?jī)鐾林兴帧崃亢腿苜|(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(duì)修復(fù)維護(hù)凍土區(qū)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)凍土區(qū)在自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展起著重要的作用。

諸多學(xué)者對(duì)溶質(zhì)在凍融過(guò)程中的遷移進(jìn)行了研究[4-9]，王維真等[10-11]對(duì)凍融過(guò)程中水、鹽運(yùn)移特性進(jìn)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(xué)祖等[13]認(rèn)為凍結(jié)深度以下土中鹽分在凍結(jié)過(guò)程中隨水分自下而上遷移，并在冰晶體兩側(cè)形成一個(gè)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(dòng)，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(kuò)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(guò)室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，100～750 MHz 頻率段的介電常數(shù)和土壤電導(dǎo)率可有效地反映金屬離子的運(yùn)移趨勢(shì)，由土壤溶液的電導(dǎo)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(duì)水分和溶質(zhì)再分布的影響。Watanabe K等[17-18]對(duì)凍土中未凍結(jié)水量進(jìn)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(yīng)的遷移。

實(shí)驗(yàn)通過(guò)TDR傳感器測(cè)定土壤水分、溫度和電導(dǎo)率并推算土壤溶質(zhì)濃度，在該基礎(chǔ)上控制土壤的初始含水率、凍結(jié)溫度進(jìn)行室內(nèi)土柱凍結(jié)試驗(yàn)，開展了含鹽砂土凍結(jié)過(guò)程中溶質(zhì)的遷移試驗(yàn)研究，旨在為寒區(qū)鹽漬化防治、修復(fù)維護(hù)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(yàn)土樣于9月取自哈爾濱市黑龍江大學(xué)呼蘭校區(qū)。土壤運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室后，在室溫(20 ℃)下測(cè)試土壤的基本物理性質(zhì)，并獲得土壤的基本物理指標(biāo)。將一部分土壤干燥并分組，對(duì)土壤樣品進(jìn)行了基本土壤粒度測(cè)試，使用馬爾文粒度分析儀重復(fù)測(cè)量粒度，表明為細(xì)砂和粉土(表1)。

表1 土壤基本物理指標(biāo)

1.2 裝置

采用NX-05AS制冷機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)土柱進(jìn)行冷凍。凍結(jié)裝置見(jiàn)圖1，凍結(jié)裝置由有機(jī)玻璃制成，總長(zhǎng)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(cè)主機(jī)和傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)RS485接口上傳到監(jiān)控云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、Excel導(dǎo)出和編輯。該過(guò)程包括傳感器與數(shù)據(jù)采集設(shè)備的連接、傳感器的調(diào)試以及監(jiān)控主機(jī)的基本數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置，包括設(shè)備搜索鏈接、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置和基本通道參數(shù)設(shè)置。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究?jī)鼋Y(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(duì)遷移的影響，實(shí)驗(yàn)共采用12組土樣，具體實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)條件

1.5 溶液濃度的標(biāo)定

為了利用TDR傳感器所測(cè)的溫度和電導(dǎo)率來(lái)推算溶質(zhì)濃度，進(jìn)行了一系列標(biāo)定試驗(yàn)，標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，電導(dǎo)率、濃度和溫度3個(gè)變量中濃度和溫度對(duì)電導(dǎo)率存在影響，而濃度與溫度間相互獨(dú)立?？梢苑殖蓛刹糠郑簼舛取妼?dǎo)率、溫度—電導(dǎo)率進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果顯示濃度、溫度和電導(dǎo)率存在顯著性相關(guān)關(guān)系，可進(jìn)一步做擬合曲線進(jìn)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(dǎo)率；C為濃度；T為溫度；a，b，c為線性函數(shù)參數(shù)。

對(duì)線性模型進(jìn)行擬合，經(jīng)5次迭代后，模型達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)，確定了電導(dǎo)率和溶質(zhì)濃度、溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

Z=62.816C+0.295T+0.74

(2)

2 水分場(chǎng)運(yùn)移規(guī)律分析

2.1 未凍場(chǎng)水分遷移

對(duì)土樣進(jìn)行凍結(jié)一定時(shí)間后，土樣可以分為凍結(jié)與未凍兩個(gè)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(shí)間推進(jìn)含水率下降趨勢(shì)減緩后漸漸趨于穩(wěn)定，即使經(jīng)過(guò)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(huì)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(shí)，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(dòng)，當(dāng)凍結(jié)時(shí)間達(dá)到20 h時(shí)，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(shí)因?yàn)樗值膬鼋Y(jié)，土壤在10 cm深度含水率下降的很快；當(dāng)凍結(jié)時(shí)間為80 h時(shí)，此時(shí)凍結(jié)鋒面基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在土壤10 cm深處，由于在凍結(jié)過(guò)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(méi)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(guò)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(méi)有得到補(bǔ)充(圖4)。

2.2 初始含水率對(duì)未凍水場(chǎng)的影響

通過(guò)控制初始含水率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在不同初含水率條件下土樣中各深度未凍場(chǎng)含水率見(jiàn)圖5。隨著初始含水率的增長(zhǎng)，各樣品在10 cm處達(dá)到穩(wěn)定含水率的時(shí)間大致相同，但在含水率變化率上差距很大。當(dāng)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(guò)凍融后達(dá)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(jiàn)，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(zhǎng)而增長(zhǎng)。當(dāng)初始含水率分別為12%、22%、32%時(shí)，凍結(jié)鋒面穩(wěn)定時(shí)分別下降到15.8 cm、19.3 cm、21.2 cm處(表3)，可見(jiàn)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(dòng)的因素，在影響溫度分布及其凍結(jié)鋒面移動(dòng)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(duì)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(duì)未凍水場(chǎng)的影響

通過(guò)控制凍結(jié)溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在不同凍結(jié)溫度條件下土樣中各深度含水率見(jiàn)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(shí)，土壤在10 cm處經(jīng)凍結(jié)到達(dá)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(dá)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(shí)，降到20 cm以下，此時(shí)土樣在10 cm處經(jīng)凍融后達(dá)到的穩(wěn)定含水率與在20 cm處幾乎相同。

由圖6可見(jiàn)，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(zhǎng)；在凍結(jié)區(qū)越靠近冷端含水率變化越快，到達(dá)穩(wěn)定含水率所需時(shí)間越少。

3 溶質(zhì)運(yùn)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(shí)間變化見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)，在10 cm處，土樣NaCl濃度溶質(zhì)經(jīng)過(guò)20、40、60、80 h凍融后分別達(dá)到0.28、0.345、0.42、0.52 mol·L-1，凍結(jié)時(shí)間為20 h時(shí)，在10 cm處土樣NaCl濃度增長(zhǎng)近40%，增長(zhǎng)的速度很快，這是因?yàn)榇颂幙拷涠?，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(shí)間為20 h時(shí)得到了快速增長(zhǎng)；在20 cm處，凍結(jié)時(shí)間為20 h時(shí)，土樣NaCl濃度是0.12 mol·L-1，此時(shí)溶質(zhì)濃度小于初始濃度，當(dāng)凍結(jié)時(shí)間達(dá)到40 h時(shí)，土樣NaCl濃度大于初始濃度，并且隨著凍結(jié)時(shí)間的增長(zhǎng)，NaCl濃度持續(xù)增長(zhǎng)，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(jìn)行遷移，但隨著凍融時(shí)間的增長(zhǎng)凍融鋒面不斷向下移動(dòng)，該處獲得來(lái)自未凍區(qū)域溶質(zhì)的補(bǔ)給導(dǎo)致溶質(zhì)濃度的增長(zhǎng)；在30 cm及以下深度的未凍區(qū)，土樣NaCl濃度隨著凍結(jié)時(shí)間增長(zhǎng)逐漸降低，隨著凍結(jié)鋒面的移動(dòng)，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(jìn)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(méi)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(shí)間的增加，溶質(zhì)的濃度也逐漸增長(zhǎng)，但是增長(zhǎng)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(gè)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(duì)溶質(zhì)遷移的影響

不同初始含水率下凍結(jié)時(shí)間為80 h時(shí)土樣NaCl濃度隨時(shí)間變化見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn)，隨著初始含水率增加，凍土層NaCl濃度也增加，更多的水分補(bǔ)給導(dǎo)致更多溶質(zhì)向凍土層遷移；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著含水率增加有時(shí)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(shí)間變化見(jiàn)圖9。由圖9可見(jiàn)，該組土樣是在凍結(jié)溫度-25 ℃，初始含水率42%實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行。這是因?yàn)槌跏己实脑黾釉谝欢ǔ潭壬夏軠p小土壤凍結(jié)速率，當(dāng)含水率過(guò)大，此時(shí)的凍結(jié)溫度不足以快速凍結(jié)靠近冷端的土壤時(shí)，較慢的凍結(jié)速率為溶質(zhì)向下遷移提供了時(shí)間，這時(shí)由于勢(shì)能的作用，土壤中溶質(zhì)會(huì)伴隨水分向下遷移，但隨著凍結(jié)的深入溶質(zhì)因?yàn)閯?shì)能的原因向下遷移減少，而且含水率的增長(zhǎng)，也使得更多的水分遷移攜帶更多的溶質(zhì)遷移進(jìn)入凍土層，導(dǎo)致最終NaCl遷移量會(huì)因?yàn)楹实脑黾佣黾?；不同初始含水率下凍結(jié)時(shí)間為80 h時(shí)土樣NaCl濃度隨時(shí)間變化見(jiàn)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(shí)驗(yàn)通過(guò)相應(yīng)的儀器設(shè)備，進(jìn)行了相應(yīng)的單向凍結(jié)實(shí)驗(yàn)，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(shí)間的增長(zhǎng)逐漸下移，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在這個(gè)過(guò)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(guò)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。