粉煤灰場復(fù)墾地層狀土壤水分變化

摘要：應(yīng)用土柱試驗(yàn)研究不同覆土厚度粉煤灰處置場復(fù)墾土壤水分運(yùn)動(dòng)特征，并基于研究區(qū)干濕年份的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤剖面年含水量變化的相似模擬，以探討此種特殊土壤剖面在極端氣候條件下的持水能力，為復(fù)墾土壤植物栽種時(shí)的田間水分管理提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。結(jié)果表明，低地下水位（-300 cm）條件下，干旱與潮濕年份的復(fù)墾土壤整個(gè)剖面各監(jiān)測斷面的含水量相差0.10 cm3/cm3左右，表層土壤的含水量變化幅度更大，干旱年份較長時(shí)間在0.20 cm3/cm3以下，潮濕年份基本都保持在0.20～0.30 cm3/cm3，雨季甚至?xí)^0.30 cm3/cm3；當(dāng)?shù)叵滤惠^高（-115 cm）時(shí)，由于粉煤灰基質(zhì)的水分吸持能力較強(qiáng)，整個(gè)粉煤灰層的含水量在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)保持在近飽和狀態(tài)，表層土壤的含水量也超過沙壤土的田間含水量，即使是在干旱年份也存在此現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：土壤水分；復(fù)墾；土柱試驗(yàn)；粉煤灰場

中圖分類號(hào)：TD88 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）20-4898-05

Moisture Movement of Stratified Soil in Reclamation Land of Fly Ash Disposal Sites

YU Jia-he，CHEN Xiao-yang，YAN Jia-ping，YANG Xiu-fang，TAN Hai-yang，LIU Ying

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， Anhui， China）

Abstract： Soil column experiments were conducted to study the moisture movement characteristics in soil of reclamation land in fly ash disposal sites with different thickness of covering soil. Based on the meteorological data of the research area， the annual changes of moisture content in the reclaimed soil profile were simulated to explore moisture holding capacity of the particular soil profile under extreme weather conditions and provide theoretical proofs and technical supports for field water management of the reclamation soils when plants are to be cultivatal. The results showed that under low groundwater table condition （-300 cm）， the difference of moisture content at various monitoring sections of the reclaimed soil profiles between dry and wet year was about 0.10 cm3/cm3. The difference in surface soil was bigger when the water content of surface soil was below 0.20 cm3/cm3 in dry years. The water content of surface soil was maintained at 0.20～0.30 cm3/cm3 in wet years and could be higher than 0.30 cm3/cm3 during rainy season. Under high groundwater table （-115 cm） condition， water content in fly ash layer remained at nearly saturated state for a long time owing to strong moisture sorption ability of fly ash. The water content of surface soil also exceeded that of sandy loam， even in dry years.

Key words： soil moisture； reclamation； soil column experiment； fly ash disposal sites

煤炭開采與燃燒利用直接引發(fā)兩大環(huán)境負(fù)效應(yīng)——采煤塌陷和粉煤灰固體廢棄物。粉煤灰由于其特殊的物理、化學(xué)特性，在工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年中國和印度的粉煤灰產(chǎn)量分別為1.00億t和1.12億t，而當(dāng)年利用率僅分別為45%和38%[4]，大量的粉煤灰尚堆積在粉煤灰場，導(dǎo)致周圍生態(tài)環(huán)境的二次污染。

將粉煤灰作為基質(zhì)充填采煤塌陷區(qū)或者直接在處置場的粉煤灰上部覆土，重構(gòu)土壤剖面以培栽植物在技術(shù)上是可行的[5]。實(shí)際上，我國已存在許多這方面的工程實(shí)踐，并且一些專家學(xué)者從粉煤灰充填重構(gòu)土壤的理化性質(zhì)、肥力和污染物蓄積等方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究和報(bào)道[6-10]。不可否認(rèn)的是，由于粉煤灰基質(zhì)的特殊性，復(fù)墾土壤剖面水分運(yùn)動(dòng)特征與自然農(nóng)業(yè)土壤存在一定差異，需加強(qiáng)復(fù)墾地水分管理，以保證理想的植物生長或作物產(chǎn)量。本研究在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)室建立土柱模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以期獲得不同氣象條件下復(fù)墾土壤的水分平衡機(jī)理，為粉煤灰處置場復(fù)墾土壤的田間水分管理提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 研究區(qū)域概況

淮南市位于淮河中游，安徽省中部偏北，地處東經(jīng)116°21′21\"—117°11′59\"、北緯32°32′45\"—33°01′14\"，屬大陸性暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，表現(xiàn)為氣候溫和，雨量適中，日照充足，四季分明，梅雨顯著，過渡性明顯。年平均氣溫為15.3 ℃（1955—2006年氣象資料統(tǒng)計(jì)），全年無霜期224 d，太陽輻射年均總量514.3 kJ/cm2，年均降雨量915 mm，年均水面蒸發(fā)量790 mm。研究區(qū)的粉煤灰處置場位于淮南市東部、淮河以南的上窯鎮(zhèn)。上窯灰場是在淮河、窯河相交的三角洼地建起的，現(xiàn)含有田電灰場、洛河復(fù)墾灰場、洛河老灰場、停用灰場和洛河新灰場（圖1），主要用于處置田家庵和洛河兩個(gè)燃煤電廠濕法排出的粉煤灰，灰場占地總面積超過400 hm2，總儲(chǔ)量約2 000萬m3。田電灰場和洛河新灰場正在使用，停用灰場正在進(jìn)行粉煤灰綜合利用，洛河復(fù)墾灰場和洛河老灰場現(xiàn)已覆土復(fù)墾。

洛河老灰場于1999年停止使用，并在粉煤灰上部覆土，2001年復(fù)墾作為農(nóng)業(yè)用地，輪種小麥和黃豆。2010年開始，部分復(fù)墾場地改為工業(yè)和建筑用地。洛河復(fù)墾灰場的建設(shè)和使用時(shí)間雖稍晚，但情況與洛河老灰場類似。通過研究區(qū)現(xiàn)場調(diào)查，粉煤灰復(fù)墾地表土厚度不均勻，變化范圍為20～50 cm，表土質(zhì)地為沙壤土，粉煤灰以粉粒為主（約占80%），少有黏粒和細(xì)沙。

2 試驗(yàn)方法

2.1 室內(nèi)土柱試驗(yàn)

土柱試驗(yàn)被用來作為粉煤灰處置場復(fù)墾地層狀土壤水分運(yùn)動(dòng)的相似模擬。依據(jù)研究區(qū)復(fù)墾土壤剖面的現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，表土厚度以20～50 cm為主，因此分別設(shè)置2種不同的表土厚度（20和35 cm）土柱，每種覆土厚度做3個(gè)重復(fù)土柱。表層土壤的初始含水量為0.116 9 cm3/cm3，容重為1.450 g/cm3；粉煤灰基質(zhì)的初始含水量為0.088 4 cm3/cm3，容重為0.884 g/cm3。對(duì)于覆土厚度為20 cm的土柱，分別在深度為19、49、79和108 cm處設(shè)4個(gè)不同的監(jiān)測斷面，而覆土厚度為35 cm的土柱分別在深度為5、34、64、94和123 cm處建立5個(gè)監(jiān)測斷面。每個(gè)監(jiān)測斷面都放置張力計(jì)-傳感系統(tǒng)（Tensiometer-transducer systems，TTS）以測定土水勢，放置時(shí)域反射計(jì)（Time-domain reflectometry，TDR）以測定土壤體積含水量。

土壤水運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)裝置是由德國UGT公司開發(fā)研制的。整個(gè)系統(tǒng)主要分為土柱模型、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)處理軟件系統(tǒng)4個(gè)部分。土柱模型為圓柱形，高176 cm，直徑30 cm。底端設(shè)有半滲透性膜層，并有接口與地下水位控制裝置相連。所用張力計(jì)-傳感系統(tǒng)的型號(hào)為Tensio150，數(shù)據(jù)記錄儀的型號(hào)為DL100。試驗(yàn)分兩個(gè)階段進(jìn)行：第一階段，模擬低地下水位（-300 cm）的情況。每天用蒸餾水灌溉土柱，灌溉量為20 mm/d，直到土壤剖面的體積含水量接近田間持水量，此時(shí)土柱底端開始設(shè)置吸力泵抽取土壤水分，吸力為10 kPa，繼續(xù)用蒸餾水灌溉，灌溉量為20 mm/d。第二階段，增加地下水控制裝置，設(shè)置所有土柱的地下水位為

-115 cm（高地下水位），并繼續(xù)開始用蒸餾水灌溉，灌溉量仍然為20 mm/d。每階段連續(xù)試驗(yàn)15 d。整個(gè)試驗(yàn)階段，張力計(jì)-傳感系統(tǒng)和時(shí)域反射計(jì)不間斷工作，每小時(shí)記錄一組數(shù)據(jù)。

2.2 土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

對(duì)于垂直一維非飽和土壤水分運(yùn)動(dòng)的模型，一般應(yīng)用Rechards方程來描述[11]，方程見公式（1）。

■=■Kh■-■ （1）

式（1）中，θ為體積含水量，單位為cm3/cm3；t為時(shí)間，單位為d；z為垂直坐標(biāo)（向下為正），單位為cm；Kh為不飽和導(dǎo)水率，單位為cm/d；h為土水勢，單位為cm H2O。

由于實(shí)驗(yàn)室溫度恒定在20 ℃左右，土柱頂端未安裝模擬蒸發(fā)設(shè)備，蒸發(fā)作用微弱。因此，在整個(gè)試驗(yàn)階段土壤的蒸發(fā)作用被忽略，上邊界條件依據(jù)灌溉方式和灌溉量來選擇。對(duì)于下邊界條件，在土壤入滲過程模型驗(yàn)證和模擬時(shí)設(shè)為入滲鋒面；在模擬年不同氣象條件下土壤水分變化狀況時(shí)選擇自由排水或恒定水含量。初始條件以含水量來設(shè)定。

2.3 水分運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)測定

土壤和粉煤灰的質(zhì)地分析應(yīng)用比重計(jì)法，持水曲線、飽和導(dǎo)水率在實(shí)驗(yàn)室里按照測試擾動(dòng)土水分運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)的方法測定。土壤水吸力的對(duì)數(shù)值pF為1.0、1.8和2.5時(shí)，對(duì)應(yīng)含水量的測量用吸力平板儀；pF為4.2時(shí)，對(duì)應(yīng)含水量的測量用壓力膜儀。含水量的最終測試是在烘箱中105 ℃烘干24 h后稱重獲得。同時(shí)，用氦氣比重瓶測定固體基質(zhì)的土粒密度，以近似計(jì)算飽和含水量。測試結(jié)果應(yīng)用Van Genuchten的持水曲線經(jīng)驗(yàn)公式（公式2）進(jìn)行擬合，繪制固體基質(zhì)持水曲線，并估計(jì)水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)[12]。另外，用滲透儀測定不同固體基質(zhì)的飽和導(dǎo)水率，并應(yīng)用Mualem[13]預(yù)測的不飽和土壤導(dǎo)水率經(jīng)驗(yàn)公式（公式3）進(jìn)行擬合。

θh=θr+（θs-θr）/[1+|αh|n]m （2）

Kh=Ks·S■■1-1-S■■■■ （3）

Se=（θh-θr）/（θs-θr） （4）

式（2）-（4）中， θh為土壤含水量，單位為cm3/cm3；θr為殘余含水量，即永久凋萎點(diǎn)，單位為cm3/cm3；θs為飽和含水量，單位為cm3/cm3；Kh為不飽和導(dǎo)水率，單位為cm/s；Ks為飽和導(dǎo)水率，單位為cm/s；Se為有效含水量，單位為cm3/cm3；L為土壤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)（通常取0.5），無量綱；m、n、α為持水曲線形態(tài)參數(shù)，其中m=1-1/n，無量綱。

3 結(jié)果與分析

3.1 復(fù)墾土壤層狀土壤剖面結(jié)構(gòu)

通過顆粒分析結(jié)果可知，粉煤灰以粉粒為主，沙粒次之，在質(zhì)地上相當(dāng)于粉壤土，但與粉壤土又存在明顯區(qū)別，主要表現(xiàn)為黏粒偏少，甚至可以忽略。與普通土壤粉粒相比，粉煤灰顆粒的礦物組分不同，比表面積更大。粉煤灰的容重較小，一般為0.80～1.00 g/cm3，而粉壤土通常為1.25～1.50 g/cm3。粉煤灰的孔隙度比粉壤土大，其顆粒比表面積大，吸持水分的能力很強(qiáng)，飽和含水量在0.60 cm3/cm3以上。由于粉煤灰層的田間含水量較高，非飽和導(dǎo)水率往往大于相近質(zhì)地的粉壤土或沙壤土。

將粉煤灰作為充填基質(zhì)復(fù)墾煤礦塌陷區(qū)，或者直接在粉煤灰場覆土復(fù)墾，重建的農(nóng)業(yè)土壤剖面與應(yīng)用粉煤灰作為土壤改良劑不同，此時(shí)土壤與粉煤灰層次分明，潛水位以上往往形成土壤剖面的二元結(jié)構(gòu)，即“土壤-粉煤灰”剖面結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，工程實(shí)踐中由于煤礦塌陷區(qū)地下潛水位的差異，在潛水位較低時(shí)（無積水或季節(jié)性積水塌陷區(qū)）可能形成三元結(jié)構(gòu)，即“土壤-粉煤灰-土壤”剖面結(jié)構(gòu)，但考慮對(duì)作物生長產(chǎn)生明顯影響的土壤剖面深度有限，一般為-200 cm左右，研究中設(shè)置低地下水位（-300 cm），近似地以二元結(jié)構(gòu)來替代。另外，粉煤灰場一般在使用前都做防滲處理，粉煤灰層與深層土壤或地下水物質(zhì)能量交換受到限制，但水分在粉煤灰下層積聚形成新的“潛水位”，有時(shí)水位還很高，在-100 cm左右，復(fù)墾土壤的二元結(jié)構(gòu)也很明顯。概化粉煤灰充填重構(gòu)土壤剖面，自地面至地下潛水面（潛水位低時(shí)為地面至研究土壤剖面底端）土壤剖面劃分為兩層，上層為容重較高，持水能力、孔隙度和導(dǎo)水率均較低的土壤層；下層為容重較低，持水能力、孔隙度和導(dǎo)水率較高的粉煤灰層（圖2）。整個(gè)土壤剖面水分循環(huán)與轉(zhuǎn)化趨勢與自然農(nóng)業(yè)土壤相近，但粉煤灰層的理化性質(zhì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性變差，表層土壤持水能力變差，供水條件下表土水分快速入滲至粉煤灰層。與之相對(duì)應(yīng)，蒸發(fā)條件下粉煤灰層的水分卻很難通過毛管力向上運(yùn)移，遷移量較小，表現(xiàn)出明顯的“土壤-粉煤灰”界面特征。

3.2 參數(shù)率定與模型驗(yàn)證

前期研究結(jié)果顯示，由于質(zhì)地差異，粉煤灰的田間持水量和飽和含水量均高于復(fù)墾地的表土層，殘余含水量基本在0.05～0.08 cm3/cm3，有效水含量為0.40 cm3/cm3。同時(shí)，當(dāng)基質(zhì)吸力小于10 kPa時(shí)，粉煤灰的含水量在0.5 cm3/cm3以上，且飽和滲透率也稍大于上覆土壤。后期研究通過擬合和參數(shù)率定，得到了復(fù)墾土壤表層土和粉煤灰基質(zhì)的水分運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)，具體見表1。

以土柱內(nèi)2種基質(zhì)的體積含水量模擬值為橫坐標(biāo)，實(shí)測值為縱坐標(biāo)，繪制散點(diǎn)圖（圖3）。由于繪圖過程中3個(gè)監(jiān)測斷面即可說明問題，因此只保留了3個(gè)監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)，即土柱選取1個(gè)監(jiān)測斷面，粉煤灰選取2個(gè)監(jiān)測斷面。在第一階段試驗(yàn)的近20 d內(nèi)，土柱3個(gè)監(jiān)測斷面的含水量變化趨勢與模擬值相似。覆土厚度20 cm和35 cm的相關(guān)點(diǎn)均基本圍繞1∶1擬合線分布。第二階段與第一階段試驗(yàn)結(jié)果相近。因此可知Rechards方程可以用來描述類似復(fù)墾土壤剖面的水分運(yùn)動(dòng)。

3.3 低地下水位復(fù)墾土壤剖面水分變化特征

研究區(qū)的粉煤灰處置場復(fù)墾地在進(jìn)行冬小麥栽種時(shí)，僅種植初期進(jìn)行灌溉和施肥，中途一般不再灌溉，此時(shí)氣象條件顯得尤為重要。通過查閱淮南市近10年的降雨量和蒸發(fā)量資料，考察復(fù)墾地表層土厚度現(xiàn)狀在極端氣象條件下對(duì)整個(gè)土壤剖面持水能力的影響，對(duì)比資料顯示，淮南市自2001年以來，尚無極端干旱或洪澇災(zāi)害發(fā)生，僅2003年和2004年的月平均降雨量與蒸發(fā)量的差值顯著區(qū)別于其他年份，其中2003年為潮濕年份，2004年為干旱年份。模擬研究應(yīng)用的氣象條件數(shù)據(jù)見表2。

粉煤灰處置場一般選擇在塌陷區(qū)或低洼地帶，但在建設(shè)之初均做了防止?jié)B濾液下滲處理，導(dǎo)致復(fù)墾地的地下水位相對(duì)較低。通過相似模擬研究可以看出，當(dāng)覆土厚度為35 cm、地下水位較低（-300 cm）時(shí)，復(fù)墾土壤含水量變化明顯受到降雨量和蒸發(fā)量的影響（圖4）。干旱年份與潮濕年份的復(fù)墾土壤整個(gè)剖面各監(jiān)測斷面的含水量相差0.10 cm3/cm3左右。尤其是表層（-10.0 cm）土壤的含水量變化幅度較大，干旱年份較長時(shí)間在0.20 cm3/cm3以下，而濕潤年份基本保持在0.20～0.30 cm3/cm3，雨季甚至?xí)^0.30 cm3/cm3。此時(shí)，覆土厚度與氣象條件相比對(duì)田間水分變化的影響微不足道。因此，覆土厚度為20 cm的土壤剖面水分變化趨勢與覆土厚度為35 cm的基本一致。另外，在干旱年份，盡管復(fù)墾地表層土壤較?。?0 cm），土壤含水量仍然會(huì)保持在0.15 cm3/cm3，能夠滿足植物生長需求。

3.4 高地下水位復(fù)墾土壤剖面水分變化特征

濕法排灰的粉煤灰處置場，雖然污水經(jīng)抽吸、處理后循環(huán)利用，但處置場覆土復(fù)墾后，能形成區(qū)域內(nèi)粉煤灰層的內(nèi)澇積水，與高地下水位的復(fù)墾土壤水文條件相似。同時(shí)，有些礦山企業(yè)將粉煤灰綜合利用與煤礦塌陷區(qū)治理相結(jié)合，基于粉煤灰基質(zhì)充填重構(gòu)土壤剖面，當(dāng)塌陷區(qū)地下潛水位較高時(shí)，也易形成高地下水位的復(fù)墾土壤水文條件。因此，高地下水位時(shí)復(fù)墾土壤整個(gè)剖面水分含量變化情況以及植物有效性研究具有重要意義。

設(shè)置高地下水位（-115 cm）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)即使灌溉或降水的供水量貧乏（干旱年份），復(fù)墾土壤剖面的水分含量也非常高。如覆土厚度為20 cm的復(fù)墾土壤剖面（圖5），粉煤灰層自地下水位向上含水量呈連續(xù)遞減，但基本都超過了0.60 cm3/cm3，接近飽和含水量0.63 cm3/cm3。而表層沙壤土的含水量也很高，達(dá)0.40 cm3/cm3，高于試驗(yàn)用土壤的田間含水量。這種復(fù)墾土壤水文條件有個(gè)很重要的特征，即土壤水分變化受降雨量和蒸發(fā)量的影響非常小，在粉煤灰基質(zhì)強(qiáng)毛細(xì)管水分垂直向上運(yùn)輸能力的作用下，表層土壤會(huì)源源不斷地得到水分供給，保證植物生長需求。但粉煤灰層的這種“內(nèi)澇”現(xiàn)象所造成的表土高含水量對(duì)植物生長存在負(fù)效應(yīng)，粉煤灰處置場復(fù)墾土壤進(jìn)行植物栽培時(shí)，物種的選擇尤為重要。

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室相似模擬，Rechards方程能夠很好地被用來描述復(fù)墾土壤這種特殊土壤剖面的水分垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)復(fù)墾土壤的地下水位較低（-300 cm）時(shí)，土壤含水量變化明顯受到降雨量和蒸發(fā)量的影響，此時(shí)覆土厚度對(duì)田間水分變化的影響非常微弱。在干旱年份，盡管復(fù)墾土壤表層土壤較?。?0 cm），土壤含水量仍能夠滿足植物生長需求，主要是因?yàn)榉勖夯覍虞^強(qiáng)的持水和毛管水垂直向上運(yùn)輸能力。但當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)（-115 cm），這種強(qiáng)持水和水分運(yùn)輸能力卻會(huì)帶來負(fù)效應(yīng)，使得整個(gè)復(fù)墾土壤剖面的含水量均常年接近飽和含水量，阻滯植物的生長，即使是在干旱的年份，這種負(fù)效應(yīng)也存在。

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