利用柱狀換土毛細作用提升地下水實現(xiàn)胡楊自我恢復的探索研究

楊海華，呂秋麗，楊 武，糟凱龍

(新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)>

0 引 言

1972年大西海子水庫建成，攔截了塔里木河(以下簡稱塔河)上游來水致使其下游320 km河道斷流、湖泊萎縮、地下水位明顯下降[1]。對塔河沿岸生長的胡楊來說，地下水急劇下降，導致其根系層土壤含水率明顯降低，出現(xiàn)胡楊根系土層水分脅迫，生長受到抑制或衰敗、枯死等[2,3]。為了挽救塔河下游衰敗的胡楊林，2000年5月至2018年3月共實施了19次階段性的應急生態(tài)輸水，有效抬升了塔河近河道區(qū)域的淺層地下水位，胡楊林得到了自然更新與恢復。但應急生態(tài)輸水對于遠離河道的區(qū)域地下水位抬升不明顯，其水位仍維持在地下6～8 m，低于胡楊脅迫水位4.71 m以下[4-12]，對遠離河道的單株不成片胡楊生長脅迫問題未得到改善。因此，為了解決生態(tài)應急輸水無法解決的遠離河道區(qū)域胡楊生長脅迫問題，提出采用柱狀換土技術。該技術針對塔河土壤結構復雜、差異性較大，砂土、粉土、黏土等不同質地的土壤交互成層阻礙毛細水上升遷移的特點[13,14]，利用鉆井技術破除原土層結構，換填毛細作用較高的土體使地下水在毛細作用下提升至胡楊根系土層，解決胡楊生長脅迫問題。

土壤毛細水依靠毛細吸力保持在土壤孔隙中，并且土壤孔隙中毛細水所受的吸力小于植物吸水力，可以被植物吸水[15]，柱狀換土技術的實現(xiàn)主要依賴于換填土的毛細作用大小及毛細水上升高度。針對土壤毛細作用，前人做了大量研究，如Guo等[16]采用豎管試驗測得粉土毛細水上升高度可達2.49 m。董斌[17]得到低液限黏土毛細水上升高度為2.53～3.69 m。A A 羅戴[18]指出，毛細水上升高度從砂土到粉砂土至黃土性粉土依次增高，當繼續(xù)過渡至機械更黏重的土壤開始降低，并通過實驗測得黃土性粉土毛細水上升高度為1.70～3.55 m，在自然條件下毛細水上升高度最大可達6 m。馬媛[19]研究得出胡楊生長狀況良好有兩種狀態(tài)分別是胡楊根系深入到地下水或胡楊根系處于毛細水帶中的飽和水帶與包氣帶時。從以上研究成果可看出，采用柱狀換土技術提升塔河下游地下水位與胡楊脅迫水位之間的水位差，實現(xiàn)胡楊的生態(tài)恢復是可行的。

前人把顆粒級配作為研究土壤毛細水上升高度的重要指標，用某一特征粒徑擬合毛細水上升高度，得出了毛細水上升高度與土壤粒徑之間的經驗公式。但是，天然土壤具有復雜多樣性，其礦物成分、顆粒級配及粒型均存在較大差異，造成土壤內部的孔隙結構復雜，毛細孔隙大小和形狀各不相同[20]，這都為預測土壤毛細水上升高度造成了困難。經驗公式針對特定土壤卻不具有普遍適用性，本次試驗依據(jù)胡楊改善脅迫水位所需的毛細水上升高度，研究不同粒組對毛細水上升的影響，并結合投影尋蹤建模技術(PPR)分析土壤各粒組對毛細水上升高度的影響權重，優(yōu)選顆粒級配符合柱狀換土技術要求的土壤，為柱狀換土技術用于胡楊的生態(tài)修復提供理論依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗用土

試驗用土壤取自塔里木盆地尉犁縣至34團塔河沿岸的天然土壤，包含粉土4組，細砂、黏土和粉細砂各一組，分別標記為1號～4號粉土、5號細砂、6號黏土和7號粉細砂。土壤顆粒分析試驗根據(jù)《土工試驗方法標準》GB/T50123-1999的規(guī)定[21]，對于粒徑大于0.075 mm的顆粒采用篩析法，粒徑小于0.075 mm采用密度計法(水分法)，試驗結果見表1。并對1號、3號粉土、5號細砂和6號黏土進行了變水頭滲透試驗，測得前3種土壤的滲透系數(shù)分別為8.27×10-6m/s、1.54×10-5m/s和2.42×10-3m/s，6號黏土經過48 h后仍未出水，認為其滲透性極小或不滲水。

表1 天然土壤顆粒級配Tab.1 Particle size distribution of natural soil

1.2 試驗方案

采用室內毛細水上升高度試驗，直接觀測短期內土壤毛細水上升高度。為了便于觀測，本次試驗采用邊壁強度高、透明性好、高為2 m的有機玻璃管作為試驗裝置；同時考慮DT/Dp≤10(DT有機玻璃管直徑，Dp為土顆粒粒徑)時，有機玻璃管近壁區(qū)產生的局部效應對毛細水上升規(guī)律的影響[22]，依據(jù)試驗用土顆粒粒徑均小于0.25 mm，選用有機玻璃管的內徑為2.5 cm。

土壤毛細水上升高度試驗分三組：第一組采用1號～7號天然土樣，測試具有代表性的細砂、粉土和黏土的毛細水上升規(guī)律?？紤]到第一組試驗土壤顆粒級配豐富度低，第二組以1號粉土、5號細砂和6號黏土為原料，按不同比例混合拌勻制得8號～18號土壤，試驗裝填干密度控制為1.55 g/cm3，初始含水率控制為3%，顆粒級配見表2。第三組由3號粉土與5號細砂按不同占比配置成19號～23號土樣，顆粒級配見表3。試驗方法按照《土工試驗方法標準》GB/T50123-1999毛細水上升高度試驗進行(試驗裝置示意圖如圖1)，以有及玻璃管內濕潤鋒最高點至水面垂直距離作為毛細水上升高度，當毛細水上升高度隨時間關系曲線平緩時停止試驗，試驗最長觀測60 d。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象

當水槽注水開始試驗時，透過有機玻璃管觀察土壤濕潤情況并測量干濕界面高度。粉土在試驗開始時出現(xiàn)明顯的干濕界面，初始階段毛細水上升高度高低不同，隨時間增長，上升速度逐漸降低；細砂在試驗初期管內土壤濕潤明顯，毛細水迅速上升，但歷時48 h后毛細水高度不再上升并保持穩(wěn)定；黏土在試驗開始時管內無明顯的干濕界面，隨著時間的增長逐漸可到土壤濕潤現(xiàn)象并出現(xiàn)干濕界面的濕潤鋒，上升速度較粉土和細砂緩慢。

表2 第二組試驗土壤顆粒級配 %

表3 第三組試驗土壤顆粒級配 %

圖1 土壤毛細水試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of soil capillary water test device

2.2 第一組天然土壤

試驗土壤裝土干密度按1.55 g/cm3控制，初始含水率為3%，試驗結果見圖2。從圖2中可以看出，1號～4號粉土毛細水上升高度高、上升速度快，20 d時毛細水上升高度均可達到1.29 m以上。5號細砂在試驗初始階段毛細水上升速度最快、上升穩(wěn)定耗時最短，24 h后其上升速度趨于0，上升穩(wěn)定高度為0.47 m。6號黏土毛細水上升速度最慢，20 d時上升高度0.34 m。7號粉細砂毛細水上升高度高，在試驗前期上升速度最快，隨時間增長，上升速率減小，在試驗20 d時上升高度為1.64 m。所以，從毛細水上升的高度來看，1號～4號粉土和7號粉細砂滿足柱狀換土技術所需的毛細水上升高度，而5號細砂和6號黏土不滿足高度要求。

圖2 不同土質毛細水上升高度與時間關系曲線Fig.2 Curve of capillary water rising height and time in different soils

結合土壤顆粒級配可知，4種粉土和粉細砂的粉粒(0.05～0.005 mm)含量均較高(大于60%)，毛細水上升高度高，因土壤粉粒顆粒含量較高時，顆粒形成的土壤孔隙小、孔隙發(fā)育、連通性好，形成利于毛細水上升的毛孔。細砂大于0.05 mm顆粒含量最高，試驗初期毛細水上升速度快，由于大于0.05 mm的土顆粒比表面積小，與水接觸時一般不考慮結合水膜對毛細水上升的影響；土顆粒多呈球形[23]，顆粒間接觸以點對點接觸為主，土壤內部形成的孔隙大，連通性好；根據(jù)毛細管徑與毛細水上升高度成反比，在相同的填筑密度下，細砂土壤的孔隙比大于粉土，毛細管徑大，水能快速進入內部孔隙，上升速度快。根據(jù)熱動力學原理，在土壤毛細水上升過程中，小孔隙先吸水，大孔隙后吸水，土壤很快從毛細水飽和水帶過渡到毛細水懸掛水帶，所以大于0.05 mm顆粒含量較高時，毛細水上升高度低。黏土中黏粒(<0.005 mm)顆粒含量最高，上升速度最慢，因小于0.005 mm的土顆粒比表面積大，多成扁平狀或針狀[24]，顆粒間接觸形式為點-面或點-點接觸，扁平狀的顆粒使毛細水上升阻力更大，毛細水上升遷移困難；其次黏土顆粒表面一般帶有定向排列的電荷，吸附作用強烈，水在經過黏粒構成的孔道時，被牢牢地束縛住形成吸附膜[25]，減小了空隙的有效直徑，甚至形成毛細孔隙死端。因此，小于0.005 mm顆粒含量越高，毛細水上升速度慢，上升高度低。

2.3 第二組試驗結果與分析

本組試驗8號～18號土壤毛細水上升高度試驗結果見圖3，從圖中可以看出9號粉土和14號土壤毛細水上升高度高。14號土壤試驗初期毛細水上升速度遠遠快于9號粉土，隨試驗時間14號土壤速度降低梯度較大，在試驗10 d后毛細水上升高度小于9號土壤。8號～18號土壤毛細水上升速度在試驗初期8號細砂最快，10號黏土最慢；試驗觀測的10 d內，毛細水上升高度是9號粉土最大，10號黏土最小。

圖3 第二組試驗毛細水上升高度與時間關系曲線Fig.3 Curve of capillary water rising height and time in the second group of tests

三種典型土壤(細砂、粉土、黏土)毛細水上升高度與時間關系見圖4中的8號、9號和10號。其毛細水上升高度關系為：9號>8號>10號；試驗初期的上升速度為：8號>9號>10號；測試時間內毛細水上升速度降低梯度大小關系為：8號>10號>9號。通過變水頭滲透試驗測得，8號細砂和9號粉土滲透系數(shù)分別為2.42×10-3m/s和8.27×10-6m/s，10號黏土經過48 h無水滲出。A.A.羅戴[18]指出土壤下滲率和土壤滲透系數(shù)直接反映其透水性強弱，同時反映出土壤孔隙大小。所以，從滲透試驗結果可以得出滲透系數(shù)大小關系是8號>9號>10號，3種典型土壤在相同干密度條件下的內部孔隙大小關系為8號>9號>10號。所以，筆者認為在毛細水的上升過程中，土壤中較大的孔隙對毛細水的上升速度起決定作用，而最終的上升高度是有土壤中的小孔隙決定的。

為了更清晰地了解粉土中摻入細砂、黏土中摻入細砂后土壤孔隙結構的變化對毛細水上升高度的影響，以8號、9號、11號、14號和16號土壤為一組繪制圖4；以8號、10號、13號、17號和18號土壤為一組繪制圖5。從圖4中可以看出，在試驗初期，毛細水上升速度的大小關系為：8號>16號>14號>9號>11號，土壤內大于0.05 mm顆粒含量逐漸減小的，說明土壤中大于0.05 mm的顆粒有利于毛細水的快速上升；11號土壤大于0.05 mm顆粒含量為58.4%，其毛細水上升速度卻最慢。Ning等[25]認為孔隙度只是顆粒大小分布的無量綱標準離差函數(shù)，與顆粒大小無關，對于密集的細顆?；旌衔矬w系，其孔隙度決定于混合物的組成、平均粒度比，在較粗組分占55%～75%時，混合物具有最低孔隙度，在低孔隙度下土壤連通性降低，上升速度減慢，毛細水上升高度降低。在試驗時間內，9號土壤的毛細水上升高度最高，其粉粒含量為70.1%，是幾種土壤中最大的，說明粉粒含量對利于毛細水的上升高度起到決定性作用。圖5顯示，試驗初期毛細水速度也是大于0.05 mm顆粒含量多的土壤上升速度最快，13號土壤大于0.05 mm顆粒含量為52.2%，形成低孔隙度，毛細水上升緩慢。在相同試驗時間下，摻粉土的土壤毛細水高于摻黏土的土壤，說明粉土比黏土具有更好的毛細性。

圖4 細砂中摻入粉土毛細水上升高度與時間關系曲線Fig.4 Curve of rising height and time of capillary water mixed with silt in fine sand

圖5 細砂中摻入黏土毛細水上升高度與時間關系曲線Fig.5 Curve of rising height and time of capillary water mixed with clay in fine sand

2.4 第三組試驗結果與分析

從第二組試驗結果可以看出，砂土和粉土按一定比例摻合時能達到較好的毛細水上升高度，為了解不同摻入比例對毛細水上升高度的影響，進行了第三組毛細水上升高度試驗?？紤]人工材料對毛細水上升高度的影響，在23號土壤級配下裝填土樣時在中心預埋一根棉線，標記為24號，結果如圖6所示。從圖中可以看出，粉土含量越高毛細水上升高度越高，隨著粉土含量的增加呈現(xiàn)出毛細水上升先慢后快，高度先低后高的過程；在試驗6 h內細砂含量越高，毛細水上升速度越快，后期毛細水上升速率隨時間的增長降低，并且細砂含量越高，速度梯度降低越大。對比23號和24號毛細水上升情況，其上升速度和各時間段的上升高度均無明顯差異，說明在土中加入棉線對毛細水的上升無影響。

圖6 粉土摻入細砂后土壤毛細水上升高度與時間關系曲線Fig.6 Curve of rising height of soil capillary water and time after Silt Mixed with fine sand

2.5 PPR分析各粒度成分對毛細水上升高度影響

在柱狀換土技術中，首要是解決地下水位到胡楊根系土層之間的水位差問題，其次需有足夠的上升水量來供給胡楊生長，即毛細水上升速度越快，其提升的水量越大。為探尋土壤各粒組對毛細水上升高度和速度的影響規(guī)律，對上述試驗結果進行投影尋蹤回歸分析(PPR)。PPR是一種基于“降維尋優(yōu)”思想的探索性數(shù)據(jù)分析(Exploratory Data Analysis，EDA)方法，對原始數(shù)據(jù)不進行人為假定、分割或變換處理，將多維數(shù)據(jù)投影到低維子空間上，通過極小化某個投影指標尋求反映數(shù)據(jù)結構特征的多維數(shù)據(jù)分析方法[26,27]。設(X，Y)為隨機變量，X、Y分別為Q維、P維隨機向量，PPR根據(jù)n次觀測結果 ，采用若干個嶺函數(shù)加權和逼近回歸函數(shù)F(x)=E(Y|X=x)，PPR模型可表示為：

(1)

極小化準則：

(2)

式中：Mu為數(shù)值函數(shù)最優(yōu)個數(shù)；Wi為應變量的權重系數(shù)。

從表4中看出，PPR模型的仿真結果與實驗值吻合較好，最大相對誤差為17.2%，大部分誤差在5%以內，說明所選模型參數(shù)較為合理，仿真模型能準確反映毛細水上升高度規(guī)律。根據(jù)權重系數(shù)，對毛細水上升高度影響最大的土壤顆粒是0.05～0.005 mm，其次是0.25～0.1 mm，小于0.005 mm和0.25～0.1 mm對其影響較小，說明0.05～0.005 mm顆粒是決定土壤毛細水上升高度的關鍵因素，其次是0.25～0.1 mm顆粒含量。因此，柱狀換土技術在土壤選用時應以0.05～0.005 mm顆粒含量高的粉土為主。

表4 PPR模型分析結果Tab.4 Analysis results of PPR model

利用PPR模型，對不同粒組含量的土壤進行仿真，得出在土壤不同粒組含量下的毛細水上升高度，繪制圖7所示的三元等值線圖。從圖中看出，大于0.05 mm顆粒和0.05～0.005 mm顆粒含量的增加均使毛細水上升高度上升，而小于0.005 mm顆粒的增加使毛細水上升高度降低；在土壤粒度成分為小于0.005 mm顆粒含量為0，0.05～0.005 mm顆粒含量為65%，大于0.05 mm顆粒含量為35%時毛細水上升高度達到最大值137 cm。

圖7 不同顆粒級配毛細水上升高度等值線圖Fig.7 Contour map of capillary water rising height with different particle gradation

3 結 論

通過對1號～24號土壤室內毛細水上升高度試驗，分析3種典型土質毛細水上升高度、毛細水上升速度以及孔隙結構特征，得到了以下結論：

(1)大于0.05 mm顆粒含量越高毛細水上升速度越快，0.05～0.005 mm顆粒含量越高使毛細水上升高度越高，大孔隙決定著毛細水上升速度，小孔隙決定著上升高度。

(2)通過7種天然土壤室內毛細水上升高度20 d的試驗知，1號～4號粉土和7號粉細砂毛細水上升高度可達1.29 m，均可滿足柱狀換土土壤要求。其中，3號粉土毛細水上升高度達1.97 m。

(3)通過PPR分析，得出了土壤不同粒度成分對毛細水上升高度的權重，0.05～0.005 mm顆粒含量是毛細水短期內上升高度的關鍵粒組，利于毛細水上升的土壤粒度成分最優(yōu)組合為：小于0.005 mm顆粒含量為0，0.05～0.005 mm顆粒含量為65%，大于0.05 mm顆粒含量為35%。