何曉文，許光泉，李青青

(1.淮南聯(lián)合大學(xué)化學(xué)工程系，安徽 淮南 232038;2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土壤、粉煤灰、煤矸石均取自淮南煤礦塌陷復(fù)墾區(qū)，0～50 cm為土壤層，50 cm以下為粉煤灰或煤矸石充填層。在樣品采集過程中，利用直徑為50 mm、高50 mm的環(huán)刀取不同深度的土壤、粉煤灰、煤矸石，測(cè)定不同剖面物質(zhì)的容重，見表1、表2。樣品自然風(fēng)干后，經(jīng)過孔徑為4.5 mm的篩網(wǎng)，選用粒徑小于4.5 mm的土壤、煤矸石，然后備用;粉煤灰粒徑小于1 mm，不需篩選。試驗(yàn)前需去除土壤樣品中的草葉、樹根、石子等雜物，然后破碎、研磨、篩分后備用。

表1 不同深度土壤－粉煤灰充填結(jié)構(gòu)包氣帶容重

表2 不同深度土壤－煤矸石充填結(jié)構(gòu)包氣帶容重

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)野外采樣測(cè)定的實(shí)際容重，將土壤、粉煤灰、煤矸石裝填至相應(yīng)的容重狀態(tài)，并采用吸力平板法標(biāo)定三種物質(zhì)的含水率與吸力的關(guān)系，并采用最小二乘法擬合獲得水分特征曲線;利用非飽和導(dǎo)水率儀測(cè)定土壤和充填物質(zhì)的非飽和導(dǎo)水率;并根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法計(jì)算其容水度和水分?jǐn)U散度。

2 充填結(jié)構(gòu)包氣帶水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)定

2.1 水分特征曲線

2.1.1 試驗(yàn)原理

吸力平板是由一定粒度的石英砂或高嶺土壓實(shí)制成的，平板內(nèi)存在的微小孔隙具有較強(qiáng)的持水性能。在平板下部施加小于最大孔隙的毛細(xì)管力的吸力時(shí)，水分能夠通過孔隙通過平板，空氣則被阻隔不能通過。若吸力平板上放置飽和的試樣，試樣孔隙中的一部分水分通過吸力平板向下滲流，直到試樣的持水力與吸力相等時(shí)，達(dá)到平衡。逐漸增大吸力，記錄每次施加的吸力值，并稱量每次達(dá)到平衡時(shí)試樣的重量，即可得到一系列待測(cè)物質(zhì)吸力值與含水量的對(duì)應(yīng)值，繪制水分特征曲線，試驗(yàn)裝置見圖1、圖2。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

從 2011年 8月25日至2011年9月30日，歷時(shí)35 d，利用石英砂吸力平板及高嶺土吸力平板標(biāo)定了不同容重的土壤、粉煤灰、煤矸石樣品的水分特征曲線，如圖 3、4、5所示。同時(shí)，選用Ven Genuchten經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?式1)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，由于計(jì)算量較大，采用迭代法對(duì)參數(shù)進(jìn)行求解，并獲得滿足精度要求的參數(shù)和水分特征曲線方程，見表3。

圖1 石英砂吸力平板裝置

圖2 高嶺土吸力平板裝置

式中:θ為土壤體積含水量(cm3/cm3);θr為殘余含水量，(cm3/cm3);θs為飽和含水率，(cm3/cm3);h為壓力水頭(cm);α為進(jìn)氣值的倒數(shù)，水分特征方程曲線的形狀參數(shù);n為孔徑分布指數(shù)，水分特征曲線的形狀參數(shù)，。

表3及圖3、4、5表明:土壤、粉煤灰、煤矸石的水分特征曲線與擬合曲線均具有較好的相關(guān)性;由于三種物質(zhì)的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)等不同，其水分特征曲線的差異性較顯著;而容重對(duì)土壤和充填物質(zhì)的影響效果并不明顯，同一物質(zhì)不同容重的水分特征曲線相近。

表3 充填結(jié)構(gòu)包氣帶水分運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)取值

圖3 土壤水分特征曲線

圖4 粉煤灰水分特征曲線

圖5 煤矸石水分特征曲線

2.2 非飽和導(dǎo)水率

2.2.1 試驗(yàn)原理

非飽和導(dǎo)水率是含水率或基質(zhì)勢(shì)的非線性函數(shù)，根據(jù)公式(2)計(jì)算。試驗(yàn)裝置(見圖6)的一端封閉，作為密封面，另一端面上分布有均勻的小孔，作為蒸發(fā)面。蒸發(fā)面的有孔蓋用以控制蒸發(fā)速率，使蒸發(fā)保持相對(duì)穩(wěn)定，存在于土壤、粉煤灰、煤矸石的孔隙中的水分從密封面向蒸發(fā)面流動(dòng)。

式(2)中:K為導(dǎo)水率，cm/h;ΔW為兩次稱重差，g;L為兩個(gè)張力計(jì)之間的距離，cm;Δt為兩次測(cè)量的時(shí)間間隔，h;=(y1+y2)/2，y1、y2為第一次、第二次測(cè)量時(shí)兩張力計(jì)吸力差，cmH20;A為環(huán)刀的截面面積。為兩次測(cè)量的平均吸力，cmH20

非飽和導(dǎo)水率K值相對(duì)應(yīng)的吸力值S為:

式(3)中:Sai、Sai+1為為一個(gè)張力計(jì)兩次測(cè)得的吸力值，cmH20;Sbi、Sbi+1為為另一個(gè)張力計(jì)兩次測(cè)得的吸力值，cmH20;H為張力計(jì)陶土頭中心至傳感器咀的距離，cm。

圖6 非飽和導(dǎo)水率測(cè)定裝置

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

利用以上試驗(yàn)裝置得到的不同容重的土壤、粉煤灰、煤矸石的非飽和導(dǎo)水率曲線見圖7、8、9。并且采用 Ven Genuchten經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?式4)，通過有限差分法進(jìn)行計(jì)算，擬合獲得非飽和導(dǎo)水率與吸力的關(guān)系曲線以及特征方程，其中，土壤、粉煤灰、煤矸石的非飽和導(dǎo)水率曲線方程分別為:K(θ)=0.590 2－0.1192、K(θ )= 317 6. 12－0.8353、K(θ )=0.038 2－0.1312。

試驗(yàn)結(jié)果表明:采用最小二乘法對(duì)非飽和導(dǎo)水率曲線進(jìn)行非線性擬合，R2值在0.9以上，擬合效果較好;土壤、粉煤灰、煤矸石的非飽和導(dǎo)水性能差別很大，三種物質(zhì)的非飽和導(dǎo)水率從大到小依次為:粉煤灰 ＞煤矸石 ＞土壤;而容重對(duì)非飽和導(dǎo)水率的影響依然不顯著。

圖7 土壤非飽和導(dǎo)水率曲線

圖8 粉煤灰非飽和導(dǎo)水率曲線

圖9 煤矸石非飽和導(dǎo)水率曲線

2.3 容水度

2.3.1 試驗(yàn)原理

容水度是水分特征曲線上任一含水率 θ的斜率，根據(jù)試驗(yàn)得到的土壤、粉煤灰、煤矸石水分特征曲線，并對(duì)擬合得到的特征方程求導(dǎo)，計(jì)算出容水度C(θ)。

式中:θ(見表3)為土壤、粉煤灰、煤矸石的水分特征曲線方程。根據(jù)式(5)推導(dǎo)出土壤、粉煤灰、煤矸石的容水度曲線方程分別為:C(θ)= － 0.000 25θ－13.72、C(θ)= － 0.10.74θ－4.588、C(θ)= － 0.023θ－9.89。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

如表4所示，土壤、粉煤灰、煤矸石的容水度差別較大。當(dāng)含水率小于0.4 cm3/cm3時(shí)，容水能力為煤矸石最強(qiáng)，土壤次之，粉煤灰的容水性能最弱;當(dāng)含水率在 0.4～0.6 cm3/cm3之間時(shí)，煤矸石的容水能力仍為最強(qiáng)，但粉煤灰次之，土壤的容水性能最弱;而當(dāng)含水率在0.6 cm3/cm3以上時(shí)，容水能力為粉煤灰最強(qiáng)，煤矸石次之，土壤的容水性能仍最弱，甚至接近于零。

表4 充填結(jié)構(gòu)包氣帶物質(zhì)的容水度

2.4 水分?jǐn)U散度

2.4.1 試驗(yàn)原理

水分?jǐn)U散度是在不計(jì)重力影響的條件下，水流通量與含水量梯度的比值，亦即單位含水量梯度下的土壤水流通量。不飽和土壤水的擴(kuò)散度是非飽和導(dǎo)水度K(θ)和比水容重 C(θ)的比值:

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果

由式(6)計(jì)算得土壤、粉煤灰、煤矸石的水分?jǐn)U散率特征方程分別為:D(θ)=236 0.8θ13.6、D(θ)=295.73θ3.7527、D(θ)=1.66θ9.7588，三種物質(zhì)在不同含水率條件下的水分?jǐn)U散度見表5。

表5 充填結(jié)構(gòu)包氣帶物質(zhì)的水分?jǐn)U散度

表5表明:土壤、粉煤灰、煤矸石的水分?jǐn)U散度相差極大。當(dāng)含水率小于0.3 cm3/cm3時(shí)，水分?jǐn)U散度由大到小依次為:粉煤灰 ＞煤矸石 ＞土壤;當(dāng)含水率在 0.3～0.8 cm3/cm3之間時(shí)，水分?jǐn)U散度由大到小依次為:粉煤灰 ＞土壤＞煤矸石;當(dāng)含水率大于0.8 cm3/cm3時(shí)，水分?jǐn)U散度由大到小依次為:土壤 ＞粉煤灰 ＞煤矸石。其次，隨含水率逐漸增大，水分?jǐn)U散度也逐漸增大。

3 結(jié)語

以粘質(zhì)土壤、粉煤灰、煤矸石為研究對(duì)象，通過室內(nèi)試驗(yàn)分別測(cè)定了三種物質(zhì)的水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率，并采用Ven Genuchten模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，推算出容水度、水分?jǐn)U散度方程。結(jié)果表明，同一物質(zhì)在不同容重條件下的水分特征曲線差別不大;非飽和導(dǎo)水率與吸力呈冪函數(shù)關(guān)系，并隨著吸力值的增大而減小;在相同吸力下三種物質(zhì)的容水度大小大致為:煤矸石＞粉煤灰＞土壤;在非飽和條件下，水分?jǐn)U散率的大小基本為:粉煤灰 ＞土壤 ＞煤矸石。此外，通過對(duì)比實(shí)測(cè)值與計(jì)算值，二者的吻合程度較高，表明Ven Genuchten模型適用于粉煤灰、煤矸石的水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)求取。

［1］雷志棟，楊詩秀，謝森傳.土壤水動(dòng)力學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社.1988:158～162.

［2］Rawls W.J.，Gish T.J.，Brankensiek D.L.1991. Estimating soil water retention from soil physical properties and characteristics.Adv Soil Sic，16:213～234.

［3］Ven Genuchten MTH，Lei ji FJ.1992.Indirect Methods for estimating the hydraulic Properties of Unsaturated Soil.California:University of California Press:1～14.

［4］雷志棟，胡和平，楊詩秀.土壤水科學(xué)研究進(jìn)展與評(píng)述［J］.水科學(xué)進(jìn)展.1999，3(10):311 ～318.

［5］邵愛軍，沈榮開.一種確定原狀土壤非飽和水力傳導(dǎo)度的方法［J］.土壤學(xué)報(bào).2000，(3):419 ～423.

［6］池寶亮，黃學(xué)芳，張冬梅等.點(diǎn)源地下滴灌土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬及驗(yàn)證［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2005，21(3):56～59.

［7］程竹華，張佳寶，徐紹輝.黃維海平原三種土壤中優(yōu)勢(shì)流現(xiàn)象的試驗(yàn)研究［J］.土壤學(xué)報(bào).1999，36(2):154～161.

［8］劉思義，梁國(guó)慶，邢文剛等.粘土夾層土壤結(jié)構(gòu)水分運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.土壤學(xué)報(bào).1992，29(l):109 ～112.

［9］付微，邵明安，黃明斌.神府東勝煤田復(fù)墾區(qū)土壤入滲特性的試驗(yàn)研究［J］.水土保持學(xué)報(bào).2008，22(3):14～17.

［10］溫明霞，邵明安，周蓓蓓.馬家塔露天煤礦不同土地利用類型的土壤水分入滲過程研究［J］.水土保持研究.2009，16(4):170～179.

［11］王輝，韓寶平，卞正富.充填復(fù)墾土壤水分豎直運(yùn)動(dòng)模擬研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2007，36(5):690 ～695.

［12］楊建鋒，李慶寶等.地下水潛埋區(qū)土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)田間測(cè)定方法探討［J］.水文地質(zhì)與工程地質(zhì).2000，1(1):1～3.

［13］劉福漢，王遵親.潛水蒸發(fā)條件下不同質(zhì)地剖面的土壤水分運(yùn)動(dòng)［J］.土壤學(xué)報(bào).1993，30(2):173～180.

［14］邱勝彬，張江輝.淺析土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)對(duì)潛水蒸發(fā)的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào).1996，3(3):30 ～41.

［15］呂春娟，路瓊.礦區(qū)復(fù)墾植被土壤涵養(yǎng)水源功能的研究［J］.水土保持學(xué)報(bào).2009，23(3):184 ～188.

［16］董加瑞，王昂生.毛細(xì)作用下土壤水分?jǐn)U散特性研究及試驗(yàn)［J］.北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).1998，34(1):50 ～57.