許翼　許士國(guó)　冷祥陽(yáng)　曹小磊　徐向舟

摘要：在半濕潤(rùn)氣候環(huán)境下，圍填海區(qū)的表層土壤正面臨著復(fù)雜的鹽漬化問(wèn)題。以壓實(shí)填土為研究對(duì)象，通過(guò)土槽模型再現(xiàn)了潛水蒸發(fā)與側(cè)向壤中流共同作用下的鹽分運(yùn)移過(guò)程，以探明圍填海區(qū)的鹽漬土形成機(jī)制。結(jié)果表明，在蒸發(fā)作用驅(qū)使下鹽分向上補(bǔ)給，表層土壤的初始積鹽類型為CaSO₄，海水對(duì)填土層的鹽分補(bǔ)充導(dǎo)致積鹽類型轉(zhuǎn)變?yōu)镃aCl₂和NaCl。在陸相滲流作用下，填土中將形成相對(duì)穩(wěn)定的滲流狀態(tài)。自由水面線以上為積鹽狀態(tài)，鹽分類型以CaCl₂和MgSO₄為主；自由水面線以下為脫鹽狀態(tài)，鹽分類型以CaCl₂和NaCl為主。土壤水鹽的運(yùn)移將改變酸堿度環(huán)境，pH值將隨著含鹽量的增加先下降后上升。在陸相地下水的補(bǔ)給下，填海造陸區(qū)的鹽漬化防治工作應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注地下存在擋水層或建筑物基礎(chǔ)密集的地區(qū)。

關(guān)鍵詞：壓實(shí)填土；填海造陸；鹽分運(yùn)移；側(cè)向流；潛水蒸發(fā)

中圖分類號(hào)：S156；x502 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）02-0101-08

近年來(lái)，我國(guó)濱海地區(qū)填海造陸活動(dòng)踴躍，形成了數(shù)千平方公里的圍填海區(qū)。由于北方地區(qū)平時(shí)高溫少雨且降雨集中，地下徑流常遲滯于地表徑流出現(xiàn)，加之濱海地區(qū)的地下水位較高，因而形成了圍填海區(qū)潛水蒸發(fā)與壤中流共同驅(qū)動(dòng)下的土壤鹽分運(yùn)移過(guò)程，給濱海濕地造成了嚴(yán)重影響。在以往的研究中，學(xué)者們針對(duì)海水入侵區(qū)淡咸水界面推移過(guò)程中發(fā)生的鹽分混合作用、離子交換吸附作用以及溶沉作用進(jìn)行分析，初步證明填海區(qū)的地下含水層將隨著時(shí)間推移逐漸淡化。目前，針對(duì)鹽分釋放過(guò)程的研究多以湖庫(kù)底泥或河口潮間帶為背景，如G0mez E.等針對(duì)瀉湖底泥中磷的吸收與釋放過(guò)程及其影響因素進(jìn)行分析。自南水北調(diào)工程?hào)|線和中線通水后，在平原水庫(kù)蓄水過(guò)程中也普遍遭遇底泥鹽分釋放等新問(wèn)題。因而，學(xué)者們開(kāi)始針對(duì)濱海水庫(kù)底泥中可溶性鹽的吸附和釋放過(guò)程進(jìn)行研究。研究過(guò)程中采用的試驗(yàn)方法多采取換水或靜水釋放兩種方式，同時(shí)考慮擾動(dòng)、水深、溫度等因素的影響，也有學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查地下水來(lái)研究海水入侵區(qū)的水巖間相互作用過(guò)程。學(xué)者們建立了底泥污染物的釋放動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行分析。

與平原水庫(kù)不同，填海造陸區(qū)的鹽分吸附和釋放環(huán)境為土壤環(huán)境，為飽和帶和非飽和帶的不充分釋放過(guò)程。以往試驗(yàn)通常采用比較大的水土比，為充分釋放的淡水釋放過(guò)程。兩者的差異就在于充分釋放過(guò)程只需考慮土壤鹽分的溶解速率，而不充分釋放過(guò)程需同時(shí)考慮溶解速率和滲透速率兩個(gè)因素。亦有學(xué)者利用土槽來(lái)模擬飽和帶鹽分的水平運(yùn)移過(guò)程，但一維的物理模擬只能反映鹽分的運(yùn)移速率，難以反映出填海區(qū)水鹽運(yùn)移方向的變化。為了驗(yàn)證在雨季地下水位抬升時(shí)填海造陸區(qū)的鹽分遷移過(guò)程，本文以地下水位抬升區(qū)的壓實(shí)填土為研究對(duì)象，嘗試通過(guò)土槽滲吸試驗(yàn)從二維尺度來(lái)模擬雙重下壓實(shí)填土中的水鹽運(yùn)移過(guò)程。另外，設(shè)定弱透水層用于模擬建成后大量建筑物基礎(chǔ)的阻擋，研究成果也可用于反映濱海地下水庫(kù)在初期蓄水過(guò)程中土壤鹽分的分布和走向。

1試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與裝置

試驗(yàn)在土槽模型中進(jìn)行，模型高度為0.6 m，模型比尺為1：4（圖1）。其中，壓實(shí)填土部分為兩個(gè)0.5 m×0.5 m×0.3 m土體單元組成。土槽模型與帶刻度馬氏瓶相連（φ10 cm×50 cm），馬氏瓶的平均讀數(shù)誤差為0.30 mm，可滿足試驗(yàn)精度需求。設(shè)置透水隔板模擬填海區(qū)建筑基礎(chǔ)，隔板上設(shè)置透水孔，孔徑為1.0 cm，間隔為5.0 cm。側(cè)面設(shè)置監(jiān)測(cè)孔，從左至右五個(gè)取樣點(diǎn)分別編號(hào)為A-E，從上至下依次為表層（45 cm）、次層（35 cm）、中層（25 cm）、下層（15cm）和底層（5cm）。

試驗(yàn)前，土槽及咸水側(cè)蓄水槽內(nèi)放入10 cm深的海水以模擬填海前的海洋環(huán)境。分層填入土壤，每層高度為5 cm，層間用毛刷刮毛。為模擬潛水蒸發(fā)過(guò)程，將土槽水平放置于室外自然蒸發(fā)9個(gè)月。蓄水槽上加蓋不透光板以減少水量損失，降雨時(shí)在土槽上方覆蓋雨布。9個(gè)月后進(jìn)入滲流階段，模擬地下水位抬升形成側(cè)向壤中流的過(guò)程。此時(shí)，清除海水并在淡水側(cè)蓄水槽中放入地下淡水至50 cm。連通馬氏瓶并記錄其供水量和滲出水量，測(cè)定滲出液的電導(dǎo)率直至土壤含水量基本達(dá)到穩(wěn)定。期間，定期使用IQ150土壤pH計(jì)和WET傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)土壤pH、電導(dǎo)率和體積含水量。每個(gè)階段結(jié)束后，按監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分層取土，通過(guò)烘干法和滴定法測(cè)得質(zhì)量含水量和含鹽量，比較始末狀態(tài)的水鹽分布差異。

1.2試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)土壤取白大連市某填海工程，經(jīng)過(guò)風(fēng)干、碾壓并按照國(guó)家土壤分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GBJ 145-90）進(jìn)行篩分制備成室內(nèi)試驗(yàn)土樣。對(duì)土樣的基本理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，包括土壤密度、孔隙度、顆粒組成等物理特征參數(shù)和土壤初始鹽分組成。按照上述參數(shù)進(jìn)行壓實(shí)回填，土壤屬于粗粒組中的砂土（表1）。供試的海水和地下淡水分別取自填海區(qū)周邊海域和地下水井，其化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表2。

2結(jié)果與分析

2.1潛水蒸發(fā)階段

從含水量監(jiān)測(cè)值來(lái)看，填埋結(jié)束后填土的體積含水量平均值為12.4%。1個(gè)月后，達(dá)到最大值17.3%。之后，含水量逐漸下降，9個(gè)月后基本恢復(fù)至初始狀態(tài)（圖2）。取樣分析結(jié)果顯示，填土的質(zhì)量含水量初始值為7.8%。潛水蒸發(fā)階段結(jié)束后，含水量從下至上逐層遞減。其中，表層含水量為15.3%，底層平均含水量為21.1%（表3）。表層和次層的含水量水平分布差別不大，中層以下咸水側(cè)含水量略高于淡水側(cè)。這說(shuō)明，填埋過(guò)程中毛細(xì)吸水作用是含水量上升的主要驅(qū)動(dòng)因素。隨著土壤基質(zhì)勢(shì)的降低，土壤含水量上升速度減緩。當(dāng)?shù)乇眢w積含水量降至3%附近時(shí)，土壤含水量受基質(zhì)勢(shì)的影響將不再降低。在持續(xù)蒸發(fā)作用下，開(kāi)始時(shí)表層土壤含水量較低，實(shí)際蒸發(fā)量較少。隨著表層含水量的增加，實(shí)際蒸發(fā)能力提升，導(dǎo)致土槽整體含水量降低。咸水側(cè)含水量相對(duì)淡水側(cè)要高，說(shuō)明海水對(duì)土體含水量有所補(bǔ)充。

隨著鹽分移動(dòng)和含水量的變化，整個(gè)土層的積鹽現(xiàn)象嚴(yán)重。從表3可以看出，土體平均含鹽量增加了3.39 g/kg。其中，表層漲幅最大達(dá)到7.69g/kg。表層含鹽量整體高于底層，咸水側(cè)整體高于淡水側(cè)，說(shuō)明鹽分補(bǔ)給越充足，填土積鹽過(guò)程越明顯。對(duì)比陰陽(yáng)離子的垂向分布，發(fā)現(xiàn)初期Ca²⁺和Cl^-的表聚現(xiàn)象最為明顯，Mg²⁺和亦向表層聚積但增量不明顯。次層以下的Ca²⁺增量顯著減少，Na⁺增量從上至下逐層遞增。從水平分布來(lái)看，土槽中部的Ca²⁺和含量偏高，Mg²⁺表現(xiàn)出親海特性。下層以鈉鹽為主，且越靠近咸水側(cè)，鈉鹽含量越高。因此，表層土壤中的鹽分以CaCl₂和CaSO₄為主，下層鹽分則以NaCl為主，少量鎂鹽存在于咸水側(cè)表層土壤中。因而，在海水環(huán)境下水分持續(xù)蒸發(fā)，拋石填海區(qū)的土壤將形成以Ca²⁺和Na⁺為主的兩個(gè)離子基團(tuán)。不僅如此，pH值的分布也具有偏向性，且存在明顯的增減分界線。越靠近土槽淡水側(cè)，表層降幅越大；反之，越靠近咸水側(cè)，底層漲幅越大。

2.2穩(wěn)定滲透階段

滲流階段開(kāi)始時(shí)，平均供水速率為2953 mL/h，其隨著土壤含水量的上升而快速下降。54 h后，供水速率下降到173 8 mL/h，之后基本穩(wěn)定在147.6mL/h。供水22 h后，土槽末端開(kāi)始有咸水滲出，36h后滲透速率小幅波動(dòng)于146.8 mL/h上下，此時(shí)土槽整體的蓄水量達(dá)到穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn)定滲流階段。表層浸潤(rùn)線在供水61 h后到達(dá)咸水側(cè)擋板，因而水平滲透系數(shù)范圍為4 55×10^-4cm/s至1_36×10^-3cm/s。供水開(kāi)始時(shí)，土壤含水量低、基質(zhì)勢(shì)較大，吸水速率快。隨著含水量的升高，土壤吸水速率減緩，土壤從主動(dòng)吸水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤\(yùn)移，在穩(wěn)定的水力坡降下自由水的運(yùn)移速率也相對(duì)穩(wěn)定。

鹽分的供給速率隨著供水量的減少而減緩，并最終穩(wěn)定在0.05 g/h。初始滲出液的礦化度為35g/kg左右，持續(xù)供水后滲出液的礦化度降低，54 h后基本穩(wěn)定為7 g/kg。由圖3（d）可知，22 h以前土體總含鹽量上升，36 h后含鹽量下降速率減緩，60 h后平均在1.2 g/h。從電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在22～48 h之間確實(shí)存在含鹽量降低的過(guò)程。經(jīng)分析可知，22 h以前滲出液未流出，供水所攜帶的鹽分導(dǎo)致土壤含鹽量的上升，故該階段的鹽分上升速率受供水限制。滲出液流出后，土體鹽分整體減少，其礦化度穩(wěn)定時(shí)間遲滯與滲透速率，說(shuō)明鹽鋒位于濕潤(rùn)鋒之后。

當(dāng)濕潤(rùn)鋒進(jìn)入土槽并向右推移，3 h后B點(diǎn)下層含鹽量快速上升。之后，濕潤(rùn)鋒底部停滯向上抬升直至地表。6h以后，濕潤(rùn)鋒繼續(xù)移動(dòng)，高鹽區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大并形成鹽峰。同時(shí)，A點(diǎn)中層形成低鹽區(qū)并逐漸擴(kuò)大。22 h后，自由水面線（θ=22%）到達(dá)咸水側(cè)擋板并開(kāi)始有滲流產(chǎn)生。隨著水面線向上抬升，上層土壤的電導(dǎo)率也開(kāi)始增加。48 h后，最表層土壤的電導(dǎo)率開(kāi)始上升，自由水面線下端基本穩(wěn)定在中層處，形成相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。72 h后，E點(diǎn)表層逐漸形成高鹽區(qū)，含鹽量接近1 6 g/kg，與逐漸擴(kuò)大的低鹽區(qū)形成犄角之勢(shì)（表4）。圖4顯示絕大部分區(qū)域的含水量在滲流階段結(jié)束時(shí)維持在25%～32%之間，說(shuō)明此時(shí)土壤中已形成的穩(wěn)定供水狀態(tài)。濕潤(rùn)鋒穩(wěn)定后，鋒面以下部分的土壤鹽分進(jìn)入穩(wěn)定下降狀態(tài)，而鋒面以上部分含鹽量變化不大，自由水面線所在位置的含鹽量在3～4 g/kg左右。由于大部分區(qū)域的含鹽量處于1～2 g/kg之間，但供試淡水鹽度為1.07 g/kg，故土槽中的脫鹽過(guò)程還將持續(xù)。滲流階段結(jié)束后，大部分區(qū)域的Ca⁺²含量在0.5 g/kg以下，D點(diǎn)表層濃度達(dá)到8.0 g/kg。飽和帶的Mg²⁺濃度在0.2 g/kg以下，主要集中分布在C點(diǎn)和E點(diǎn)表層。Na⁺主要集中在土槽咸水側(cè)，E點(diǎn)表層含量達(dá)到2.5 g/kg。因此，滲透階段表層聚集的陽(yáng)離子以Ca²⁺為主，Na⁺次之。土槽咸水側(cè)表層為Cl_的集中區(qū)，E點(diǎn)表層的濃度漲幅達(dá)到2.4 g/kg。中部土層的Cl一含量為0.6～0.8 g/kg，淡水側(cè)底層含量最低，為0.5 g/kg左右。底層和淡水側(cè)表層的Cl^-濃度趨于下降，最大降幅為0.3 g/kg，大部分區(qū)域的Cl^-漲幅在0.2 g/kg以內(nèi)。離子集中咸水側(cè)表層和中部，B點(diǎn)中層和E點(diǎn)表層的濃度漲幅分別為0.4 g/kg和1.0 g/kg。因此，滲流階段土層中的陰離子運(yùn)移以Cl^-為主，次之；故積鹽類型也以CaCl₂為主，硫酸鹽為輔。

3討論

3.1鹽分遷移過(guò)程分析

在土質(zhì)條件相對(duì)穩(wěn)定的填海造陸區(qū)，旱季降雨量少、蒸發(fā)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，表層土壤含水量和地下水位成為限制土壤表層積鹽的重要因素。從鹽分離子組分分析可知，表層土壤中初始積鹽類型為CaSO₄。蒸發(fā)階段結(jié)束后咸水側(cè)鹽分類型變?yōu)镃aCl₂。經(jīng)調(diào)查，大連地區(qū)表層土壤中的鹽分以CaSO₄為主。在持續(xù)蒸發(fā)作用下，這部分鹽分向表層積鹽成為初始積鹽。旱季陸相地下水補(bǔ)給較少，填海區(qū)淡咸水界面向陸地側(cè)推移，地下水中的鹽分類型以NaCl和MgSO₄為主。當(dāng)?shù)叵滤贿M(jìn)入極限蒸發(fā)深度以內(nèi)，Cl^-快速向上遷移，積鹽類型逐步轉(zhuǎn)變?yōu)镃aCl₂。隨著Na⁺和Mg²⁺的持續(xù)補(bǔ)充，土壤中的鹽分類型將逐漸向NaCl轉(zhuǎn)變。

在穩(wěn)定滲流階段，模擬了填海造陸區(qū)在陸相地下水補(bǔ)充時(shí)的土壤水鹽運(yùn)移過(guò)程。由試驗(yàn)可知，當(dāng)雨季陸相地下水位抬升后，填土中將形成穩(wěn)定的濕潤(rùn)鋒向海岸推移，鹽鋒緊隨濕潤(rùn)鋒移動(dòng)。當(dāng)?shù)叵滤龅阶钃鯐r(shí)，如遇到土壤質(zhì)地相對(duì)細(xì)密的黏土層，或者建筑基礎(chǔ)密集的區(qū)域，地下水位將向上抬升直至形成穩(wěn)定滲流。在此過(guò)程中，鹽分也隨著地下水位的抬升向表層聚集形成土壤鹽漬化，土體中的鹽分將經(jīng)歷再分布過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)果表明，在陸相地下水的補(bǔ)給下，CaCl₂和MgSO₄成為咸水側(cè)表層最主要鹽分類型，底層鹽分則以NaCl為主。所以，當(dāng)填海造陸區(qū)存在擋水層或建筑物地下基礎(chǔ)較為密集時(shí)，需要對(duì)其周邊表層土壤含鹽量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一方面，建筑物周邊需要修建綠化帶，而土壤含鹽量高將直接導(dǎo)致植物死亡。另一方面，如果建筑物周邊土壤積鹽嚴(yán)重，降雨時(shí)建筑物基礎(chǔ)將處于咸水環(huán)境中，對(duì)建筑物的穩(wěn)定性造成威脅。

3.2含水量與電導(dǎo)率的關(guān)系

已有研究表明，土壤水的電導(dǎo)率與土壤含鹽量呈線性關(guān)系，故可作為土壤含鹽量的表征指標(biāo)。對(duì)比電導(dǎo)率與體積含水量、含鹽量與質(zhì)量含水量之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)含鹽量隨著含水量的降低而升高而升高（圖5）。但是，部分點(diǎn)位的電導(dǎo)率隨著體積含水量的降低而降低。監(jiān)測(cè)結(jié)果也顯示，潛水蒸發(fā)階段結(jié)束時(shí)部分點(diǎn)位的土壤水電導(dǎo)率低于初始狀態(tài)，但采樣分析時(shí)測(cè)得的含鹽量卻高于初始含鹽量。這意味著當(dāng)含水量較低時(shí)，使用電導(dǎo)率作為含鹽量的表征指標(biāo)可能失真。已有研究中，孫玉龍等認(rèn)為土壤毛細(xì)水的不連續(xù)性可能造成電導(dǎo)率測(cè)量值的下降。另外，土壤中的鹽分可能因濃度過(guò)高而結(jié)晶析出，以晶體形式存在的鹽分不能夠通過(guò)電導(dǎo)率測(cè)試而測(cè)得，但在取樣分析時(shí)會(huì)溶解于蒸餾水而測(cè)出。因而，當(dāng)少量降雨或灌溉植物初期，會(huì)導(dǎo)致高礦化土壤水布滿根區(qū)，植物從干旱脅迫轉(zhuǎn)邊為鹽分脅迫。在旱季灌溉必須確保足夠水量才能壓鹽，否則將適得其反。

3.3含鹽量與酸堿度的關(guān)系

在鹽分運(yùn)移過(guò)程中，土壤的酸堿環(huán)境也相應(yīng)發(fā)生改變。但是，整體范圍在6.5～9.0之間，增量在1.0以內(nèi)（圖61。在潛水蒸發(fā)階段，土壤酸堿度隨著含鹽量的增加整體表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢(shì)。當(dāng)含鹽量增量為3 g兒左右時(shí)，pH值最低為6.85。在穩(wěn)定滲流階段，自由水面線以下的土壤pH值上升，說(shuō)明通過(guò)淡水淋洗鹽漬土將導(dǎo)致土壤pH值上升，與陳巍等人的研究成果相一致。自由水面線以上含鹽量整體增加，土壤pH值下降。因而，無(wú)論是在蒸發(fā)還是滲透過(guò)程中，土壤酸堿度的變化始終受鹽分分布格局的影響。針對(duì)淋洗過(guò)程中誘發(fā)土壤pH值上升的原因，殷儀掣等認(rèn)為土壤pH值應(yīng)決定于的含量，土壤中CaCO₃的溶解可增加的含量，但增加量的多少則受溶液中Ca²⁺濃度控制。當(dāng)鹽溶液濃度降低、Ca²⁺含量減少時(shí)，含量就增加得多，從而土壤pH值也相應(yīng)增加。除此之外，王麗娜等對(duì)保護(hù)地多次淋洗狀況進(jìn)行分析，認(rèn)為土壤pH值和Ca²⁺、Na⁺等鹽基離子在全鹽中的相對(duì)比例有關(guān)，、等酸根離子的累積及Ca²⁺、Na⁺等堿基離子的下降是導(dǎo)致土壤pH值上升的重要因素。

4結(jié)論

填海造陸區(qū)的上層填土不僅面臨著降雨和蒸發(fā)的雙重作用，還會(huì)受到地下徑流的影響而遷移。在潛水蒸發(fā)作用下，下層的鹽分持續(xù)向上補(bǔ)給導(dǎo)致表層積鹽，初始積鹽類型為CaSO₄。隨著海水對(duì)土層鹽分的補(bǔ)給，積鹽類型逐步轉(zhuǎn)變?yōu)镃aCl₂型并最終向NaCl過(guò)渡。當(dāng)陸相地下水進(jìn)入填土區(qū)，將形成濕潤(rùn)鋒向海岸推移并達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的滲流狀態(tài)。自由水面線以上為積鹽狀態(tài)，鹽分類型以CaCl₂和MgSO₄為主；自由水面線以下為脫鹽狀態(tài)，鹽分類型以CaCl₂和NaCl為主。當(dāng)土壤含水量較低時(shí)，使用電導(dǎo)率表征含鹽量可能導(dǎo)致測(cè)量值偏低，毛細(xì)水的不連續(xù)性和土壤鹽分結(jié)晶析出可能是主要原因。土壤水鹽運(yùn)移將改變酸堿度環(huán)境，隨著含鹽量的增加pH值將先下降后略微上升。在陸相地下水補(bǔ)給條件下，填海造陸區(qū)的鹽漬化防治工作應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注地下存在擋水層或建筑物基礎(chǔ)較為密集的地區(qū)。