王辰元,周明濤,胡旭東,2,章 涵
(1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室(三峽大學(xué)),湖北 宜昌 443002;3.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心,湖北 宜昌 443002)
邊坡生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域中,植被混凝土生態(tài)護坡技術(shù)是一種以復(fù)合人造土壤為介質(zhì),采用噴播方式修復(fù)邊坡植被的高新技術(shù),其所營造的半剛性基質(zhì)層既可為邊坡植物繁育創(chuàng)造生境條件,又可增強生態(tài)系統(tǒng)固碳能力及林草碳匯能力,充分響應(yīng)了國家碳中和的號召。植被混凝土的配制方式與施工手段現(xiàn)雖已成熟,但后期養(yǎng)護管理技術(shù)仍存在諸多弊端,尤其是灌溉措施尚不成熟。目前養(yǎng)護管理多以地表噴灌為主,但坡面凹凸起伏較大,噴灌射流因凸起面的阻擋而無法覆蓋所有凹下面,進而遺漏出一定范圍的灌溉死角,此范圍內(nèi)的植物生長便因缺水而嚴重受限。若不合理利用水資源,不僅造成巨大經(jīng)濟損失,更影響邊坡生態(tài)重建的進程,而運用滴灌技術(shù)可保證灌溉水的高效利用。而滴灌按灌溉方式分為地表滴灌和地下滴灌,為減輕地表水蒸發(fā)的影響,將滴頭埋設(shè)于噴播在高陡坡面上的植被混凝土基材中,將該滴灌方式稱之為壤中滴灌。需掌握壤中滴灌條件下植被混凝土的水分運移規(guī)律,為邊坡生態(tài)修復(fù)助力碳中和發(fā)展提供科學(xué)理論依據(jù)。
近些年,國內(nèi)外學(xué)者對不同類別土壤的水分運移和含水率時空變化做出了較多的研究。土壤水分運移方面,Cai等通過室內(nèi)試驗和HYDRUS-2D軟件探究了不同質(zhì)地土壤對陶瓷灌水器入滲特性的影響,結(jié)果顯示,對于滲透性強、飽和含水率低的砂土而言,濕潤鋒呈橢圓形,而滲透性較弱、飽和含水率高的黏土,濕潤鋒呈圓形,粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土和黏土的累計入滲量較小,基質(zhì)勢對土壤水的滲透作用隨黏土含量的增加而增大,而重力梯度對水的滲透作用隨黏土含量增加而減??;鐘韻等研究了5個因子對黏壤土毛管水運動特性的影響,試驗得出對毛管水上升高度的影響程度由大到小依次為時間、初始含水率、黏粒含量、土壤容重、地下水埋深。含水率時空變化方面,冀榮華等利用HYDRUS-3D有限元模型探討初始壓力水頭和土壤質(zhì)地(砂土、壤土、黏土)對水分入滲的影響,結(jié)果顯示,土壤含水率和水分擴散速率隨土壤黏粒含量的增大而減小;王炳堯等用直插式地下灌溉的方式研究了砂土、砂黏土濕潤體特征值的變化規(guī)律,研究表明,垂直向上濕潤距離與滴頭流速呈負相關(guān),與灌水時間呈正相關(guān),水平與向下濕潤距離與流速、灌水時間呈均正相關(guān)。此外,有學(xué)者進一步探究了滴灌模式下的土壤水再分布規(guī)律,Gardner等通過γ射線衰減法測量再分布時段的土壤水分含量,推導(dǎo)出描述初始濕潤鋒上方含水量隨時間變化的非飽和流動方程的近似解;Skaggs等運用HYDRUS-2D軟件模擬停止滴灌后的水分再分布特征,為完善滴灌制度提供了科學(xué)指導(dǎo)。
目前,有關(guān)滴灌條件下水分運移規(guī)律的研究對象以天然土壤為主,內(nèi)容包含灌溉參數(shù)、濕潤鋒運移、數(shù)值模擬、水分再分布規(guī)律等,且研究多應(yīng)用于平緩地面(農(nóng)田、耕地及部分工程開采區(qū))。有別于天然土壤,前人已對植被混凝土在空間結(jié)構(gòu)、顆粒級配、理化性質(zhì)等方面的特殊性做了相應(yīng)探究,但鮮有關(guān)植被混凝土一類的復(fù)合人造土水分運移方面的研究。為更好指導(dǎo)邊坡生態(tài)修復(fù)工程后期的灌溉養(yǎng)護工作,鑒于以上研究背景,本文結(jié)合前人得出的相關(guān)結(jié)論,以土壤水動力學(xué)理論為基礎(chǔ),通過不同坡度、流量的點源滴灌試驗來指明植被混凝土水分運移規(guī)律,為邊坡生態(tài)修復(fù)工程的植被混凝土壤中滴灌系統(tǒng)的灌溉布局與灌溉制度提供理論參考。
試驗材料:試驗原材料包括種植土、有機物料、水泥、植被混凝土綠化添加劑和水。選自宜昌某土場保水性較好的砂質(zhì)粉土,取回后風(fēng)干、粉碎,過2 mm細篩,取篩后土作為試驗種植土。有機物料選用松樹鋸末,烘干后過2 mm細篩,測得干密度為0.45 g/cm。水泥為P.O 32.5普通硅酸鹽水泥,測得干密度為3.10 g/cm。植被混凝土綠化添加劑為發(fā)明專利產(chǎn)品,利用X射線衍射儀分析其礦物組成,親水性礦物質(zhì)量占比18%,呈酸性,用于中和水泥堿性。水源自市政自來水。將以上試驗材料按《水電工程陡邊坡植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定指標(biāo)及要求均勻混配成植被混凝土(種植土、水泥、鋸末、植被混凝土綠化添加劑干質(zhì)量比為100∶8∶6∶4)。
選擇長、寬、深分別1,1,0.5 m的透明裝配式土箱,土箱正壁面可拆卸,采用馬氏瓶供水,容積選擇3 L,滴頭選用醫(yī)用針頭,滴灌管為透明軟水管,一端連接馬氏瓶,另一端連接滴頭。為確保濕潤鋒不接觸周邊邊界而影響觀察,土箱正面的中部偏上位置設(shè)有小孔,將滴頭穿過小孔,埋于土中。將拌制好的植被混凝土按容重1.5 g/cm每5 cm高度分層、打毛、壓實裝入土箱內(nèi),以保證緊密接觸,待裝滿后封住土箱頂面以減少水分蒸發(fā),養(yǎng)護24 h。試驗前,將含水率控制在8.0%。為方便描述,對供試土樣建立直角坐標(biāo)系,選取最能反映壤中滴灌所能到達最大距離的3個運移方向:以小孔為坐標(biāo)系原點,水平方向為軸(向右為正),垂直于軸且順土箱正面方向為軸(向上為正),記錄軸為HD、軸垂直向上為正半軸UW,軸垂向下方向為負半軸DW。具體試驗裝置見圖1。
圖1 壤中滴灌試驗裝置示意
試驗土壤:測得砂質(zhì)粉土比重2.6 g/cm,最大干密度1.60 g/cm,飽和導(dǎo)水率0.35 mm/min,液限31.4%,塑限17.2%,最優(yōu)含水率18.5%。采用激光粒度分析儀測定混配后的植被混凝土顆粒組成,粒徑≤0.25,>0.25~1,>1~2.8 mm的體積占比分別為33.77%,45.95%,20.28%。根據(jù)工程實踐得知,植被混凝土的初始含水率多保持在8.0%,因此配制初始含水率為8.0%的試樣,利用烘干法測得植被混凝土飽和含水率為28.7%。測定試樣的方法遵循GB/T 50123—2019《土工試驗方法標(biāo)準》中的規(guī)定。
試驗方法及測定:試驗于2021年5月25日至7月30日于三峽大學(xué)生態(tài)基材實驗室進行,試驗設(shè)置3個滴頭流量處理,分別為0.8,1.2,1.6 L/h,3個坡度處理,分別為50°,70°,90°,流量由馬氏瓶底部的閥門調(diào)控,坡度通過土箱與地面的夾角調(diào)控。在土箱正壁面放置攝像頭記錄滴灌期間及灌水后濕潤鋒的運移距離,前30 min內(nèi)每5 min記錄1次,自30 min起至滴灌結(jié)束的時間間隔均為15 min,滴灌結(jié)束24 h后,記錄再分布時段濕潤鋒運移情況。利用Photoshop選區(qū)得到濕潤體表面形狀,其中HD的運移距離取左右方向的平均值。灌水結(jié)束后,迅速放平土箱,揭開土箱正壁面,以滴頭為原點,在水平、垂直方向各間距50 mm的點位和濕潤鋒的邊緣位置,用半徑10 mm的土鉆采集土樣,烘干法測量土樣含水率,利用Surfer 11.0軟件制作含水率等值線圖。
濕潤體表面鋒線輪廓采用拋物線和橢圓模型進行擬合。
(1)拋物線擬合模型:
=·+=·tan
(1)
·-·tan+=0
(2)
式中:、為濕潤鋒在滴頭HD和垂直方向的運移距離(、>0);、為拋物線模型參數(shù);為輪廓上的點和坐標(biāo)原點的連線與軸的夾角。
(2)橢圓擬合模型:
·+·(-)=1
(3)
式中:、同式(1);、、為橢圓模型參數(shù)。
濕潤鋒作為將已均勻濕潤的入滲層與完全未經(jīng)入滲土層分開的界面,能反映土壤濕潤體的特征,也是滴灌布局的重要設(shè)計依據(jù),為此研究不同灌水參數(shù)下濕潤鋒在3個方向上的運移距離與入滲時間的關(guān)系。
2.1.1 不同滴頭流量對濕潤鋒運移過程的影響 首先研究不同滴頭流量對濕潤鋒的關(guān)系,為保證能呈現(xiàn)一定的滲流規(guī)律,控制坡度一定,設(shè)置灌水量2.4 L(3種流量0.8,1.2,1.6 L/h的公倍數(shù)),灌水歷時分別為3,2,1.5 h。為去除重力分力干擾,選取90°坡度,圖2表示3種流量的濕潤鋒在UW、DW和HD的運移距離與入滲時間的關(guān)系。
圖2 不同方向濕潤鋒運移距離與入滲時間的關(guān)系
由于土壤的各向異性使得水分向各方向滲透,初期階段(0~5 min),0.8,1.2,1.6 L/h 3種流量在不同方向的濕潤鋒運移距離均相近,分別在51,57,63 mm左右。前期階段(5~25 min),相同流量下濕潤鋒在3個方向的運移距離隨時間均呈遞增趨勢,由于灌水期間重力梯度恒定,而土壤吸力梯度逐漸變小導(dǎo)致增速逐漸變緩;相同方向上運移距離隨流量增加而增大,且各流量存在較大運移距離差值發(fā)生在中期階段(30~60 min)。后期階段(60 min后),對于同一時刻,0.8 L/h運移距離最小,1.6 L/h運移距離最大。待各流量滴灌結(jié)束后,相同灌水量下,0.8 L/h 運移距離最大,1.6 L/h運移距離最小。
90 min時,1.6 L/h的土樣滴灌結(jié)束,此時記錄不同流量下濕潤鋒的運移距離見表1。由表1可知,隨流量的增大,各方向的運移距離均增大,且=1.6 L/h的運移距離最大。90 min內(nèi),同流量條件下濕潤鋒運移距離均呈現(xiàn)DW>HD>UW的特征。在0.8~1.2 L/h和1.2~1.6 L/h的流量區(qū)間內(nèi)發(fā)現(xiàn),流量變化對UW的影響最大,距離增幅最大值出現(xiàn)在UW的1.2~1.6 L/h流量區(qū)間上,最小值出現(xiàn)在HD的0.8~1.2 L/h流量區(qū)間上,但總體上各方向上的流量區(qū)間增幅均相近,UW、DW、HD上流量區(qū)間對應(yīng)的距離增幅平均值分別為8.2%,6.4%,5.4%。在運移方向區(qū)間內(nèi),各流量下HD-DW、UW-DW、UW-HD對應(yīng)的距離增幅平均值為23.3%,40.1%,13.7%,其中UW-DW區(qū)間對應(yīng)的距離增幅約是UW-HD區(qū)間的3倍。隨著土壤平均吸力梯度不斷減小,土壤基質(zhì)勢影響程度減弱,HD的運移距離速率降低,而在垂直方向上的UW、DW主要受土壤水重力影響,重力阻礙UW的運移,而促進DW的運移。
表1 灌水90 min時不同方向濕潤鋒運移距離及流量、方向區(qū)間對應(yīng)的距離增幅
2.1.2 不同坡度對濕潤鋒運移過程的影響 植被混凝土應(yīng)用于45°以上的高陡邊坡,坡度的陡緩程度直接影響坡面UW、DW的水分運移距離情況,因此需研究坡度對植被混凝土壤中滲流的變化規(guī)律。為直觀反映規(guī)律,選擇長灌水歷時的0.8 L/h流量、2.4 L灌水量組合,研究50°,70°,90°對植被混凝土濕潤鋒運移距離的影響(圖3)。
坡度不同的條件下,由濕潤鋒在3個方向上的運移距離與滲流時間關(guān)系(圖4a、4b、4c)可知,濕潤鋒運移距離在方向上均表現(xiàn)為DW>HD>UW;UW情況下,50°的運移距離最大,90°最小;DW上90°最大,50°最??;HD上50°最大,90°最小。從整個滴灌過程來看,灌水初期(0~5 min),不同方向下的各坡度濕潤鋒運移距離均為50~55 mm;自灌水開始,UW與DW下的各坡度運移距離在10~15 min開始有較明顯的距離差;自灌水中期(30 min)起,UW與HD的滲透速率隨坡度增大而變緩,而DW的滲透速率變快,其中HD下50°與70°的運移速率陡增,以大于同時刻90°的滲透速率向外擴散,直至灌水結(jié)束,最后呈現(xiàn)50°運移距離最大,90°最小的結(jié)果。
圖4 不同方向下各坡度濕潤鋒運移距離與入滲時間的關(guān)系
3 h后結(jié)束灌水,此時不同坡度下濕潤鋒的運移距離見表2。由表2可知,90° DW的濕潤鋒運移距離最大,90° UW距離最?。?0°和90° DW的運移距離差值最大,70°和90° HD的差值最??;從2個坡度區(qū)間對應(yīng)的距離增幅分析可知,坡度變化對UW的水分運移影響最大,對HD的影響最小。
表2 不同坡度下濕潤鋒運移距離及坡度區(qū)間對應(yīng)距離增幅
前人采用冪函數(shù)、二次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)擬合了不同灌水條件下天然土壤的濕潤鋒運移距離與入滲時間、灌水量、含水率等關(guān)系規(guī)律。由于對數(shù)函數(shù)擬合屬于極端條件下的擬合,因此運用冪函數(shù)、二次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)對2.4 L灌水量、0.8 L/h流量、90°坡度下的水分運移距離與入滲時間關(guān)系進行擬合(表3)。研究發(fā)現(xiàn),采用冪函數(shù)擬合,其決定系數(shù)均達到0.95以上,經(jīng)檢驗,回歸結(jié)果極顯著。而采用二次函數(shù)擬合,決定系數(shù)在0.9左右。由此表明,冪函數(shù)、二次函數(shù)都能反映壤中滴灌下植被混凝土濕潤鋒運移距離與入滲時間的關(guān)系,但冪函數(shù)擬合程度更高。
表3 濕潤鋒距離(D)與入滲時間(t)的函數(shù)擬合
前人對地下滴灌條件下濕潤體表面形狀的研究發(fā)現(xiàn),不同類型的物理性質(zhì)存在差異,容重大的土壤非飽和導(dǎo)水率大,入滲速率不同,所形成的濕潤體表面形狀有橢圓、圓、拋物線等。本試驗研究的濕潤體表面(圖3)以拋物線和橢圓模型進行擬合。
圖3 以90°坡度為例的某時刻下濕潤體表面及濕潤鋒示意
為方便探究濕潤鋒特征規(guī)律,選用小流量0.8 L/h和大灌水量2.4 L的灌水方式,保證灌水時間盡可能長?;谝呀⒑玫?、坐標(biāo)系,以滴頭下方濕潤鋒運移為例,選取表4中0.8 L/h流量時DW、HD的冪函數(shù)關(guān)系式=28130463,=0;=0,=29480503代入算得DW的運移距離。
(1)拋物線擬合模型:
(4)
(2)橢圓擬合模型:
(5)
現(xiàn)給定夾角=30°,45°,60°,把值與測得的灌水時間代入公式(4)和公式(5)中,設(shè)實測值為自變量,模擬值為因變量,對2個模型算得的DW距離值和實測值線性擬合(表4)表明,拋物線和橢圓模型擬合程度均較好,而橢圓模型的>0.95,經(jīng)檢驗,回歸結(jié)果極顯著,說明橢圓形更適合模擬濕潤體表面形狀,可模擬和表征植被混凝土水分運移動態(tài)變化。
表4 不同夾角(θ)的DW濕潤鋒模擬值與實際值擬合
現(xiàn)對濕潤體含水率分布情況進行探究,選用2.4 L的灌水量,灌水結(jié)束后迅速測定0.8,1.2,1.6 L/h的質(zhì)量含水率,并制作含水率等值線圖(圖5)。
圖5 不同流量含水率等值線
考慮到復(fù)合土壤質(zhì)地不均,水泥與礦物成分遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致理化性質(zhì)改變等影響,含水率邊界呈現(xiàn)凹凸分布,但在基質(zhì)勢和重力勢的綜合影響下,總體上呈現(xiàn)出3種流量的含水率等值線圖均為橢圓形,與濕潤鋒的分布規(guī)律相同,驗證了橢圓模型模擬的可行性。同時發(fā)現(xiàn),距離滴頭越近,土壤含水率越高,梯度變化越緩;距滴頭相等的位置,DW的含水率均大于UW和HD;且在灌水量一定的情況下,流量越小,濕潤體表面越大。
在灌水結(jié)束后的24 h內(nèi),濕潤到接近飽和程度的土層并未一直保持其全部含水量,水分依然受重力與土壤水吸力的影響下向周圍擴散,屬于水分再分布時段。停灌后的水分再分布和灌水期間的水分分布同樣重要,尤其在極度缺水的地區(qū),停灌后的水分仍保持擴散,補足植物所需的營養(yǎng)。為此,研究了在90°坡度、2.4 L灌水量條件下3種流量的水分再分布規(guī)律(圖6)。
圖6 滴灌時段與再分布時段濕潤鋒運移情況
結(jié)束灌溉后24 h,90°坡度、2.4 L灌水量條件下,0.8 L/h灌水3 h,灌溉的最遠距離為432.7 mm,最近距離為280.3 mm;1.2 L/h灌水2 h,灌溉的最遠距離為391.1 mm,最近距離為248.2 mm;1.6 L/h灌水1.5 h,最遠距離為372.4 mm,最近距離為247.5 mm,呈現(xiàn)DW的運移距離最遠,HD次之,UW最近的現(xiàn)象。同時,UW、DW和HD在3種流量下再分布時段的運移距離分別占總距離的5.8%,8.9%,9.5%,8.7%,9.7%,14.3%和4.2%,8.3%,13.4%,發(fā)現(xiàn)在停灌后DW的運移距離占比較其余兩方向的大;灌水時段滴頭流量越大,各方向上的濕潤鋒運移距離越小;灌水結(jié)束后的24 h內(nèi),不同滴頭流量濕潤鋒在UW、DW和HD的運移距離都相應(yīng)增大,且流量越大,濕潤鋒運移距離的增幅越大,其中DW的濕潤鋒距離增幅最大,UW與HD對應(yīng)的再分布運移距離相當(dāng)。
研究表明,受重力梯度和基質(zhì)勢的綜合影響,滴灌階段和再分布階段的水分在DW的距離增量、增幅均大于UW、HD。相較于灌水時段的水分運移速率,再分布時段的速率明顯變緩。
灌水前期,當(dāng)水分剛?cè)霛B至干土,基質(zhì)吸力遠大于重力(重力影響相對可忽略),因此水分在DW和UW運移時,主要受土壤基質(zhì)吸力影響,與HD的水分運移距離相近。灌水中期,由于植被混凝土的大顆粒含量高,非飽和含水率低,只有交界面的壓力水頭增大到足以使水進入并填充砂質(zhì)粉土的大孔隙時,水才能進一步入滲,因此不同流量所需時間不同,導(dǎo)致運移距離相差較大。灌水后期,DW逐漸以均勻速率滲透,隨著水分進一步入滲,表面濕潤體不斷擴大,土壤平均吸力梯度需不斷減小,才可使壓力水頭差分攤到更遠的距離,直到減小至可以忽略的程度,剩下數(shù)值固定的重力梯度作為促使水分向下運移的唯一驅(qū)動力。
植被混凝土含有礦物成分,前期水分接觸親水性礦物,使其飽和并發(fā)生形變,同時水泥的水化反應(yīng)生成了碳酸鈣等孔隙較大的晶體,二者導(dǎo)致土體內(nèi)部孔隙增多。加之反應(yīng)過程放熱,水分子運動加劇,運移速率增大。灌水結(jié)束后,90°下的土壤水重力無分力影響,且與DW土壤基質(zhì)吸力方向一致,二力共同牽引水分順DW運移,致使90°的UW和HD濕潤鋒運移距離相對較小。植被混凝土是復(fù)合人造土,水泥和礦物組分的干擾無法避免,且復(fù)雜的土壤制備工序亦會影響土壤顆??紫兜木鶆蛐?,這些因素均導(dǎo)致一定范圍內(nèi)的土壤水基質(zhì)勢存在差異,從而增大了水分運移的各向異性。
蔡耀輝等擬合了黏壤土地下滴灌條件下濕潤鋒運移距離與時間的變化關(guān)系,其決定系數(shù)接近1。Al-Naeem和張建豐等研究表明,砂土和沙壤土在HD和垂直方向上濕潤鋒運移距離均與時間成冪函數(shù)關(guān)系,且=0.99。而本文關(guān)于植被混凝土壤中滴灌條件下濕潤鋒運移距離與時間擬合的決定系數(shù)略小于蔡耀輝等的研究結(jié)果,綜合土壤組分影響,水分運移受一定阻礙,因此所得研究結(jié)果符合實際情況。本文的研究結(jié)果證明植被混凝土的水分運移亦可用冪函數(shù)擬合,擴大土壤水動力學(xué)理論在復(fù)合土壤的適用范圍。
滲透率是容重的直觀表征,土壤容重越大,滲透率越高,運移距離越遠。由《水電工程陡邊坡植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)范》(NB/T 35082—2016)可知,植被混凝土的容重指標(biāo)(1.3~1.7 g/cm)雖與天然土壤相近,但其組分使部分水分發(fā)生反應(yīng)。此外,本文對流量、坡度因子植被混凝土水分運移規(guī)律進行了內(nèi)在分析,未考慮植物蒸騰、植物根系吸水、地表蒸發(fā)等潛在影響因子。在實際邊坡防護工程中,應(yīng)基于天然土的滴灌布局與灌水制度,對植被混凝土的滴灌布局提出多維度建議。
(1)灌水前期,基質(zhì)吸力遠大于重力,水分在垂直方向上的運移距離與水平方向相近;灌水中期,垂直方向上與水平方向的滲透速率隨坡度增大而變緩;灌水后期,垂直向下的滲透速率逐漸趨于由重力為主要誘因的穩(wěn)定速率。
(2)冪函數(shù)與二次函數(shù)均可擬合植被混凝土的濕潤鋒運移距離與入滲時間的關(guān)系,其中冪函數(shù)擬合效果更佳,但兩者的擬合效果均低于一般天然土壤。橢圓形更適合模擬濕潤體表面形狀,模型值與實測值擬合后>0.95,可模擬和表征植被混凝土水分運移動態(tài)變化。
(3)坡度變化對垂直向上的水分運移影響最大,對水平方向的影響最小。相同灌水量下,流量越小,濕潤鋒運移距離越遠;距離滴頭越近,土壤含水率越高,梯度變化越緩;含水率等值線呈橢圓形分布,且垂直向下的含水率均大于垂直向上和水平方向的含水率。研究結(jié)果為高陡邊坡生態(tài)恢復(fù)的壤中滴灌系統(tǒng)的灌溉布局與灌溉制度提供理論參考。