华南地区土壤渗透改良配置研究

原标题：

华南地区典型土壤渗透性的改良配置研究

摘要：

为改善我国华南地区土壤黏性大、渗透性差的问题,研究华南地区土壤与落地灰、砾石、沸石、海砂、草根和枯树叶等多种材料的改良配置,测试不同重量配比下试验土壤的渗透性,获取不同有机、无机材料对典型土壤自然入渗能力的改善效果(包括各种材料的单独作用和择优性混合作用效果)。结果表明:单材料试验中,低重量配比的草根和枯树叶试验土壤的峰值入渗速率分别为0.178 mL/s和0.163 mL/s,且有机材料的改良效果优于无机材料。高重量配比的5～9 mm砾石和5～9 mm落地灰试验土壤分别在重量配比为40%和60%情况下,峰值入渗速率达0.338 mL/s和0.717 mL/s,在同重量配比的所有材料里具有最佳入渗效果。多材料混合试验中,枯树叶、5～9 mm砾石和5～9 mm落地灰相结合的试验土壤实现最佳入渗效果。研究成果为改善华南地区土壤渗透性能提供科学依据。

关键词：

土壤渗透改良; 单材料; 多材料; 改良配置; 渗流; 地下水;

作者简介：

周倩倩(1984—),女,副教授,博士,主要从事市政排水研究。E-mail:qiaz@foxmail.com;

基金：

广州市科技计划项目(201804010406); 广东省水利科技创新项目(2017-10); 国家自然科学基金青年基金项目(51809049); 广东省公益研究与能力建设基金项目(2017A020219003);

引用：

周倩倩，苏炯恒，任毅，等． 华南地区典型土壤渗透性的改良配置研究［J］. 水利水电技术，2020，51( 6) : 185-192.ZHOU Qianqian，SU Jiongheng，ＲEN Yi，et al． Study on mixture for improving typical soil permeability in South China［J］. Water Ｒesourcesand Hydropower Engineering，2020，51( 6) : 185-192.

0 引言

我国幅员辽阔,南北方地质差异较大,绿地虽有很大适用性,却常常受到土壤性质的限制 。尤其在南方城市,地下水位高且土壤入渗性能低,使绿地设计和施工受到极大影响。在不适合应用雨水渗蓄型绿地的区域,常需要换土、增加排水管道或者采用透水性强的材料与土层相组合 。因此,在不更换场地土壤的情况下,如何低成本和高效率地使绿地土壤适合渗蓄雨水,是目前雨水控制设计人员亟待解决的问题。目前,国内外对于土壤的改良研究主要集中在农业方面 ,一般通过制备特定土壤改良剂,实现土壤保水、保肥等性能的改良。然而,对于强化城市绿地雨水渗蓄性能的改良材料还很少。虽然近年来将高分子聚合物作为土壤改良剂的应用越来越多,但这种改良剂不仅成本高昂,难以推广,而且主要用于农作物的研究 。因此,将本土化的原材料作为土壤改良材料,实现城市绿地雨水渗蓄性能的改善,显得非常有意义。

土壤入渗过程是指水分通过地表或入渗界面进入土壤的过程,土壤入渗特性决定降雨或地面水转换为土壤水的速度和分布 ,因此,研究土壤入渗对于雨水径流调控、水土保持、水资源评价管理等均具有重要意义 。已有不少学者通过改变混合材料的种类、配比及粒径级配,研究不同混合介质对土壤入渗过程的影响。在无机材料方面,LAPOINTE等 将粉煤灰作为改良材料加入土壤中,发现其对土壤渗透能力有明显提高。詹振芝等 研究表明,砾石含量及粒径对土壤的稳渗时间、入渗量等渗透特性有一定的影响。在有机材料方面,有研究表明,黏性土壤中加入纤维素、腐植酸等有机物质,能改善土的团粒结构,提高其通气性、透水性和保水性 。后续不断有研究表明,需在表层土壤中加入诸如木屑、树皮等有机材料,能增加土壤的渗水能力等特性 。此外,刘强等 研究表明,加入有机材料的秸秆和无机材料的沸石制成的土壤改良剂比只有无机材料的泥炭和石英砂制成的土壤改良剂,渗透性能提高更多。

结合前人研究,以各种有机和无机材料作为研究对象,研究不同材料在不同重量配比下土壤入渗特性的变化规律,获取最能改善土壤入渗效果的材料。进一步研究有机和无

机材料混合作用下的土壤入渗性能,分析有机材料与无机材料的结合对土壤入渗性能的改善效果,以期为华南地区典型黏性土壤渗透性能的改善提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用土壤于2018年6月采自广州市番禺区广东工业大学流体力学实验室旁的小绿地。取土时,借助小型铁铲采集深度为0～20 cm的表层土。经测定,黏粒含量为38.41%,粉粒含量为39.74%,砂粒含量为21.85%,属于华南地区典型的黏壤土,其颗粒级配曲线如图1所示。试验前,土壤经风干处理后过筛,使其粒径<5 mm,充分混合土壤,并通过80°恒温烘箱保持土壤的初始条件一致。

图1 取样地位置平面、试验土壤及土颗粒级配曲线

单材料试验中,选用的有机材料为细叶结缕草草根[见图2(a)]、枯树叶[见图2(b)];选用的无机材料为落地灰[见图2(c)]、海砂[见图2(d)]、砾石[见图2(e)]、沸石[见图2(f)]。由于有机材料质轻,混合的有机材料占土重量的比例分别为1%、2%、4%、6%。混土前,草根按3～5cm进行剪切,枯树叶在实际土壤上进行选取,大小不一,选取枯树叶时需挑出里面的杂树根、烟头等杂物。混合的无机材料占土重量的比例分别为10%、20%、40%、60%。将落地灰按粒径级配0.5～2 mm、2～5 mm、5～9 mm和沸石按粒径级配2～5 mm、5～9 mm进行筛分;试验前经测定,海砂粒径范围为0.5 mm～2mm,砾石粒径范围为5～9 cm。单材料的材料类型和重量比例

如表1所列。

图2 试验材料类型

多材料试验中,选用有机材料中的草根和枯树叶作为上层材料,并选用单材料试验中对土壤入渗性能改善最佳的无机材料(5～9 mm落地灰和5～9 mm砾石)作为下层材料。在同一重量配比下,保证加入多材料的试验土壤和加入单材料的试验土壤重量相当,以确保单一变量原则。多材料试验的材料分层情况和重量配比如表2所列。

表1 单材料试验的材料类型和重量配比

1.2 试验装置

试验装置如图3所示,由10个不同编号的塑料柱组成。为保证充分接收雨水,采用的塑料柱高为240 mm、 内底直径为90 mm,内顶直径为160 mm,柱底部采用蜂窝设计以便透水。在装填前,各塑料柱底部均垫有一层土工布,用于防止土壤颗粒流失。整个试验过程采用变水头进水,10个塑料柱保持初始水头一致。

图3 试验装置

1.3 试验方法

单材料试验按照表1中重量配比的不同,分S —S 共4组进行。根据试验设计,将选定重量配比的9种材料使用电子秤称重后,充分搅拌使其与纯土混合均匀。在同一重量配比下,混合均匀的材料按等质量的方式,分层装填于塑料柱中,每装一层时用压板进行按压,并保证相同重量配比下每种混合土壤的体积尽量相互接近,以减少峰值入渗率出现时间的偏差。进水时,为减少进水对土壤层的扰动,采用雨水喷淋系统均匀进水,以模拟广州市5 a一遇(降雨强度为76 mm/h)的降雨,且降雨时长为10 min(同一降雨强度下,由于土体渗透性不同,可能会造成不同的入渗模式)。进水的同时立即开始计时,在每个塑料柱底部安装塑料量杯,用于接收和测量渗出水量。试验周期为90 min,整个试验周期的前60 min,每隔5 min记录一次数据,而后30 min可灵活采取隔10 min记录一次数据的方法,直至不再有水量渗出。每组试验均设置纯土组做对照试验,以确保4组试验所用土样基本一致。为减少试验误差,每次试验重复2～3次。

多材料试验按照表2中重量配比的不同,分M —M 共4组进行。多材料试验中,将试验土壤层分为有机材料和无机材料层,按照表2中多材料试验的材料分层和详细重量配比进行装填,并重复单材料试验的相关步骤。

2 结果与分析

2.1 单材料的混合对土壤入渗特性的影响

2.1.1 土壤入渗曲线

在不同重量配比下,4组单材料试验土壤的入渗速率随时间的变化曲线如图4所示。入渗过程的时间跨度随各材料含量的增加而缩短。有机材料含量为1%(相对应无机材料含量为10%)时,整个入渗时间跨度接近90 min,而有机材料含量为2%、4%、6%(相对应无机材料含量为20%、40%、60%)时,整个入渗时间跨度分别约为60 min、45 min、10 min,这说明土壤的入渗性能主要受土壤含量的影响,黏性土壤颗粒含量越高,则土壤中细黏粒的质量分数越高,吸附能力越强,入渗性能则相应降低,入渗时间相应延长。

低重量配比(有机材料含量为1%、2%)下,草根和枯树叶试验土壤的峰值入渗速率分别为0.178 mL/s和0.163 mL/s,且有机材料对土壤蓄渗的改善效果优于无机材料。因为有机材料中草根和枯树叶的孔隙率大,比表面积也较大,使土和材料之间的孔隙增大,故少量的有机材料使试验土壤表现为较好的渗透性能。高重量配比(有机材料含量为4%、6%)情况下,有些无机材料对土壤入渗的改善效果开始优于有机材料。其中,含5～9 mm砾石和5～9 mm落地灰的试验土壤分别在重量配比为40%和60%的峰值入渗率达0.338 mL/s和0.717 mL/s,在同重量配比的其它材料中实现最佳入渗效果。高重量配比的有机材料含量只占无机材料的10%,超过一定比例后,重量占比是有机材料10倍的无机材料能够使试验土壤的孔隙更多,因而对土壤入渗性能的改善表现出优势。

表2 多材料试验的材料分层情况和重量配比

图4 不同重量配比下各材料入渗速率随时间的变化

2.1.2 峰值入渗速率

在不同重量配比下,各材料试验土壤的峰值入渗速率如图5所示。有机材料中,草根试验土壤的峰值入渗速率比同重量配比的枯树叶大。含草根且重量配比为6%的试验土壤中,峰值入渗速率达0.471 mL/s,该值是其重量配比为1%的2.8倍,是有机材料中的最大值。无机材料为5～9 mm落地灰且重量配比为60%的试验土壤中,入渗速率达到0.717 mL/s,该值是其重量配比为10%的6.5倍,是所有材料中的最大值。土壤峰值入渗速率随各材料含量的增加而显著增大,因为整个入渗过程中,材料含量高的混合土壤,其内部孔隙越多,雨水通过的路径也随之增多,土壤水分入渗的速率显著增快。

2.1.3 峰值入渗速率出现时间

从图6的峰值入渗速率出现时间来看,纯土最慢,为35 min。四种不同配比情况下,有机材料中的草根和枯树叶,土壤峰值入渗速率出现时间始终最快,特别是在配比为4%和6%的情况下,含有枯树叶和草根的试验土壤均在5 min左右达到峰值入渗速率。这说明加入孔隙率大的草根和枯树叶,具有疏松土壤、加速土壤渗水的效果。低重量配比情况下,含落地灰的试验土壤比含沸石或含海砂的试验土壤更早地到达峰值入渗速率出现时间。高重量配比情况下,含沸石或含砾石的试验土壤中,其峰值入渗速率出现时间比含落地灰或含海砂的试验土壤快。

2.2 多材料的混合对土壤入渗特性的影响

多材料试验将有机材料和无机材料合理地结合在一起,根据表2中的分层情况和详细重量比例进行试验,获取试验土壤的峰值入渗速率,并与同重量配比下四种单材料的峰值入渗速率(划斜线)进行对比,绘制于图7中。

图5 不同重量配比下各材料峰值入渗速率对比

图6 不同重量配比下峰值入渗速率出现时间

从整体上看,多材料混合试验土壤的峰值入渗速率基本上比单材料低,但随着混合材料重量配比的增大,多材料混合试验土壤的入渗能力与单材料的差异逐渐缩小,甚至超过单材料。在多材料试验的各种重量配比情况下,枯树叶作为上层材料且5～9 mm砾石和5～9 mm落地灰作为下层材料(见图7序号7)的试验土壤在配比M 和M 组均具有最佳峰值入渗速率,而在配比M 和M 组也非常接近最佳峰值入渗速率,甚至在M 组的峰值入渗速率达0.420 mL/s,为同等重量配比下只放枯树叶的1.63倍。因此,较为疏松、孔隙率大的枯树叶更适合作为有机材料添加剂,通过其与无机材料的合理结合,提高混合材料的重量配比,能够改善华南地区土壤的入渗效果。

3 讨 论

单材料中,若缺乏无机材料(属于无机材料的低重量配比情况),工程中可采用有机材料(优先选用草根)对土壤进行改良。在6%的重量配情况下,草根试验土壤的峰值入渗速率达0.471 mL/s,是纯土的28倍左右。同时,草根改良土壤可极大缩短峰值入渗速率出现时间,土壤渗透性提高。在无机材料充足的情况下(属于无机材料的高重量配比情况),工程中可优先选用5～9 mm落地灰。在60%的重量配比情况下,5～9 m落地灰的峰值入渗速率为0.717 mL/s,为纯土的42倍左右。5～9 m落地灰改良土壤的峰值入渗速率出现时间比纯土小得多,土壤的雨水渗透效果得到改善。当缺乏落地灰且砾石较为充足时,也可采用5～9 mm的砾石对土壤进行改良,因为高重量配比情况下,5～9 mm砾石的总体改良效果仅次于5～9 mm落地灰。多材料中,从总体的效果来看,枯树叶作为上层材料且5～9 mm砾石和5～9 mm落地灰作为下层材料的改良土壤的渗透效果最好。实际工程中,当砾石和落地灰同时缺乏的时候(低重量配比情况下),可采用上层材料为枯树叶且下层材料为5～9 mm砾石和5～9 mm落地灰对土壤进行改良。当砾石或者落地灰充足的时候(高重量配比情况下),可采用上层材料为草根且下层材料为砾石或下层材料为落地灰对土壤进行改良,峰值入渗速率达0.457 mL/s,是纯土的27倍,土壤改良效果得到提升。

图7 多材料的混合对土壤峰值入渗速率的影响

4 结 论

(1)单材料改良配置研究表明:

在低重量配比中,有机材料的草根和枯树叶的峰值入渗速率分别可达0.178 mL/s和0.163 mL/s,有机材料试验土壤的改良效果优于无机材料,且在有机材料中,草根试验土壤比枯树叶的改良效果更优;在高重量配比中,5～9 mm砾石和5～9 mm的落地灰分别在重量配比为40%和60%情况下的峰值入渗速率为0.338 mL/s和0.717 mL/s,在相同重量配比的所有材料中实现最佳入渗效果。

(2)多材料改良配置研究表明:

枯树叶、5～9 mm砾石和5～9 mm落地灰相结合的试验土壤在所有多材料中具有最佳入渗效果,这表明枯树叶适宜作为有机材料添加剂,通过与无机材料的合理结合,可改善华南地区典型土壤的入渗效果。

草根和枯树叶易于腐烂,后续试验可探究其腐烂后的试验土壤是否能保持当前的入渗性能。进一步,研究渗流过程中的土壤颗粒是否会阻塞试验土壤的入渗路径,即一段时间后,需继续获取试验土壤的入渗性能,探究其入渗性能的变化规律。此外,绿地进水情况较为复杂,未来将针对不同的进水情况,尤其含一定油、悬浮固体、污染物的入流,开展相关试验,获取一段时期内试验土壤的堵塞情况及入渗性能变化规律。

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