受盐溶液浓度影响的粉砂的流体特性及模型评估

《Vadose Zone Journa》：Hydraulic characteristics and model evaluation for silty sand affected by salt solution concentration

硅质砂土在盐溶液渗透下的水分特征曲线及模型适用性研究。采用压力板法与组合土柱法测定不同盐浓度（0%-30%）溶液渗透下的SWCC，验证van Genuchten模型（独立m,n参数）最佳拟合效果。结果表明：盐浓度升高显著降低土壤饱和含水量（约11%）和吸力参数，抑制渗透速度（T-30%组较T-0%组慢7200秒），并改变孔隙结构分布。提出结合土柱法与独立参数模型的新方法，为高盐环境土壤水力特性研究提供理论依据。

　　### 对粉质砂土非饱和状态水力特性的研究解读

粉质砂土是一种广泛存在于自然环境中的土壤类型，其水力特性受多种因素影响，包括土壤压实度、含水率以及地下水性质等。近年来，非饱和土壤的水力行为成为土力学研究的重要方向，其研究重点在于土壤中水分的迁移与分布及其与土壤机械响应之间的相互作用。随着非饱和土壤力学理论的不断发展，研究已从宏观的描述性分析转向对微观机制的探索。当前，研究主要聚焦于非饱和土壤的水力特性，包括其水保留行为和渗透性，旨在揭示水力势、含水率和渗透系数之间的复杂关系。

#### 研究背景与意义

非饱和土壤在自然环境中普遍存在，其特征在于同时包含固相、液相和气相。研究其水力特性对于理解土壤的水循环过程、评估土壤的渗透行为以及优化水资源管理具有重要意义。土壤水力特性通常以土壤水特征曲线（SWCC）和土壤水力传导函数（SHCF）的形式表现出来。SWCC描述了土壤含水率与吸力之间的关系，而SHCF则反映了土壤在不同吸力下的渗透能力。SWCC的测定对于预测SHCF至关重要，因此，水保留行为的研究一直是重要的研究课题。

然而，对于含盐土壤，其水力特性仍存在许多未解之谜。含盐土壤中的溶解盐离子会对水分传感器的测量精度造成干扰，且缺乏实时、动态测定SWCC的可靠方法。尽管已有研究尝试通过压力板法和滤纸法测定非饱和土壤的水力特性，但这些方法在含盐土壤中的应用仍存在局限性，尤其是在高盐浓度条件下。因此，开发一种新的、有效的测量方法对于研究含盐土壤的水力特性具有重要的现实意义。

#### 测量方法与模型

研究中采用了两种主要方法来测定土壤水特征曲线：压力板法和组合土壤柱法。压力板法是一种标准化的测量方法，其操作流程相对简单，适用于多种土壤类型。该方法通过调节压力室内的空气压力，使其与土壤的吸力相平衡，从而测定土壤的含水率。然而，该方法在高吸力阶段可能存在较大的误差，并且耗时较长。

相比之下，组合土壤柱法则是一种更为灵活和有效的测量方法。该方法结合了完整土壤柱和分段土壤柱，并通过安装多个张力计来实时监测不同高度处的吸力变化。这种方法能够同时捕捉土壤在不同含水率和吸力条件下的水力特性，并且能够更全面地反映盐水渗透过程对土壤结构的影响。研究中使用了TEROS 31陶瓷探头，其孔径为0.3微米，不会对离子产生阻隔作用，从而确保了测量的准确性。

为了更准确地描述土壤水特征曲线，研究还评估了多种模型，包括Brooks–Corey（BC）模型、Fredlund–Xing（FX）模型、Gardner（GD）模型和van Genuchten（IVG）模型。其中，van Genuchten模型在本研究中表现出较好的拟合效果，特别是在高盐浓度条件下，其独立参数m和n的模型能够更准确地描述土壤的水力特性。这一模型在不同压实度和盐浓度条件下均表现出良好的适用性，且参数的灵活性使其能够更好地适应土壤结构的变化。

#### 实验设计与过程

实验所用土壤样品取自中国青海省格尔木市，位于柴达木盆地西南边缘。首先，样品被空气干燥，并通过2毫米筛去除砾石和碎石。随后，进行脱盐处理，直到盐含量低于0.1%，以确保样品为盐分含量极低的土壤。通过粒径分布分析和基本物理性质测试，确定该土壤为粉质砂土，并符合统一土壤分类系统（USCS）的标准。

实验分为两个主要组别：完整土壤柱组和分段土壤柱组。完整土壤柱组采用压力板法测定土壤水特征曲线，而分段土壤柱组则通过组合土壤柱法进行测试。实验中使用了四种不同浓度的NaCl溶液，分别为0%、5%、15%和30%。这些溶液的质量分数分别约为0%、4.76%、13.04%和23.08%，对应的总溶解固体（TDS）浓度分别为约0、49.1、142.4和270.1克/升。

在完整土壤柱测试中，样品被静态压实至干密度为1.71克/立方厘米，压实度为90%，含水率为2%，样品高度为40厘米。张力计被安装在柱体的五个不同位置，并连接至数据记录器进行60秒间隔的数据采集。测试过程中，将Mariotte瓶置于电子天平上，以保持恒定的地下水位高度。在稳定期后，打开进水阀进行渗透测试，并记录湿润锋的推进距离和溶液质量损失。

在分段土壤柱测试中，采用类似的预处理步骤，但无需安装张力计来测量吸力。当湿润锋通过某一测试段后，对土壤进行破坏性取样，并通过烘箱干燥法测定含水率。由于破坏性取样会损坏测试段的水力路径，因此需要同时进行多组分段土壤柱测试，以获取某一截面在不同含水率下的水力特性。

#### 实验结果与分析

实验结果表明，压力板法和组合土壤柱法测定的土壤水特征曲线在压实度为90%的情况下具有较高的拟合度。特别是组合土壤柱法在湿化路径上的表现更为优越，这可能是由于其能够更真实地模拟水分在土壤中的迁移过程。同时，不同盐浓度的溶液对土壤水特征曲线产生了显著影响，表现为水力特性曲线向左下方移动，即在相同吸力下，土壤的含水率降低。

在湿润锋推进过程中，不同盐浓度的溶液表现出不同的渗透行为。例如，T-30%组的湿润锋推进速度显著减慢，其推进距离和累积质量均低于其他组。这种现象可能是由于盐溶液的渗透过程受到多种因素的影响，包括渗透压、离子扩散和流体性质的变化。具体而言，随着盐浓度的增加，渗透压增强，导致水分迁移受到抑制；同时，盐溶液的密度增加，进一步减缓了湿润锋的推进速度。

此外，研究还发现，不同盐浓度的溶液对土壤的饱和含水率和吸入口值（air-entry value）均产生了影响。例如，T-30%组的饱和含水率比T-0%组降低了约11%。这一结果表明，盐溶液的渗透不仅改变了土壤的吸力特性，还影响了其孔隙结构，从而降低了土壤的水保持能力。

#### 结论与展望

研究结论表明，van Genuchten模型（独立参数m和n）适用于描述粉质砂土的水力特性，而组合土壤柱法则是一种有效且可靠的测量方法。高浓度盐溶液对粉质砂土的水力特性产生了显著影响，表现为水保持能力和渗透速率的下降。因此，开发适用于高盐浓度条件下的测量方法对于全面理解盐水渗透对土壤水力特性的影响至关重要。

此外，研究还揭示了盐溶液渗透过程中可能存在的多种机制，包括渗透压效应、离子扩散和流体性质变化。这些机制相互作用，共同影响了土壤的水力特性。因此，未来的研究应进一步探讨这些机制之间的相互作用，以更全面地理解盐水对土壤水力特性的影响。

总之，该研究为理解含盐土壤的水力特性提供了新的视角和方法，并为进一步研究土壤的渗透行为奠定了基础。通过结合多种测量方法和模型，研究不仅验证了现有理论的适用性，还提出了新的研究方向，以期更全面地描述土壤的水力响应规律。