炉渣为暗管包敷滤料对土壤含盐量的影响*

柳宪布，吴丽萍，陈 洁，王荫荫，张振宇，曹 文，李 悦

（1．天津市生活垃圾处理中心，天津 300100；2．天津城市建设学院环境与市政工程学系水质科学与技术重点实验室，天津 300384）

炉渣为暗管包敷滤料对土壤含盐量的影响*

柳宪布1，吴丽萍2，陈 洁1，王荫荫2，张振宇2，曹 文2，李 悦1

（1．天津市生活垃圾处理中心，天津 300100；2．天津城市建设学院环境与市政工程学系水质科学与技术重点实验室，天津 300384）

以炉渣作为暗管外包过滤材料，选取包敷滤料种类、滤料厚度、暗管规格为控制因子做正交试验，考察各因素对土壤含盐量（以土壤电导率衡量）的影响。经试验数据的极差与方差分析，筛选出优组合为A3B1C1，即包敷滤料种类为流化床炉渣、滤料厚度为10 cm、暗管选取孔面积为1 200 mm2/m规格的PVC波纹管。该敷设模式下，经补水淋溶和重力水下渗过程，土壤含盐量有很大程度地降低，脱盐率可达44．8%。

炉渣；包敷滤料；土壤含盐量；极差分析

盐渍土区土壤脱盐主要由其蒸发和入渗条件决定［1］。蒸发条件下，由于土壤的毛管作用，盐分随水分而上升，造成土壤表层盐分升高；降雨或灌水时，入渗的水流夹带表层的盐分向深层移动，使表层盐分逐渐降低。改碱暗管一方面有效调控土壤的地下水位，降低土壤毛管作用引起的土壤积盐；另一方面，利用灌溉和降雨对含盐土层的盐分进行淋洗脱盐，通过暗管将盐分排出土体，达到土壤脱盐的目的。有研究表明，暗管埋设后能有效降低地下水位和明显改善土壤通气状况［2］。暗管一般采用管径为80～110 mm的带孔PVC波纹管。暗管外裹无纺布或编织袋等织物，埋深按地下水位和土壤结构特征确定，一般为0．8～2．5 m［3］。外包过滤材料是暗管排水工程中质量能否有效保证的关键［4］。在重黏土中埋设水平暗管排水，过滤材料常常采用各种级配的砂砾料，厚度一般为10～20 cm，其反滤排水效果显著，但货源不足或造价较高制约了砂砾料的应用。为了降低暗排工程费用，必须继续寻求新的过滤材料。

针对滨海地区地势低洼、地下水埋深浅、矿化度高、土壤含盐量高、土壤黏重、通气透水性不良，绿化和基础建设条件差等问题，本着就地取材的原则，开发利用工业固体废料炉渣作为改碱暗管包敷滤料，研究其对暗管排盐的影响与作用。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验选取了4种锅炉炉渣作为排盐暗管包敷滤料，天津滨海热电厂增钙液态渣（GZ）为立式旋风炉于高温（约1 600℃）燃烧室排放的熔融物经水淬形成的粒状渣体，具有较高的化学活性，主要化学成分为硅铝酸钙；泰达炉渣（TZ）主要组成元素为 Si、Al、Ca、Na、Fe、C、K 和 Mg，以及青光流化床炉渣（LZ）和校内供热锅炉炉渣（RZ）。4种炉渣的密度、孔隙度以及粒径组成见表1～2。排盐暗管为带孔PVC波纹管，管径80 mm，外裹透水无纺布，以防止盐渍土颗粒堵塞暗管。

1.2 试验装置与方法

试验装置为60 cm×60 cm×120 cm规格的钢化玻璃柱，如图1所示，共8个土柱。以包敷滤料种类、包敷滤料厚度、暗管规格为主要影响因素，选取L8（41×2）4正交表安排试验，见表3。滤料层铺设于装置底部中间位置，外裹透水无纺布的暗管埋设于滤料层中心。滤料周边装填盐渍土（密度1．28 g/cm3，孔隙度5．25%），填充高度为80 cm。距盐渍土表层20、40、50 cm处开设Φ6 cm的取样孔，盐渍土上层覆盖10～20 cm客土，并种植植物。盐渍土取自天津滨海新区海岸，土壤电导率为382．85 mS/m。

表1 包敷滤料的密度与孔隙度

表2 包敷滤料的粒径分布 %

图1 试验装置示意

表3 L8（41×24）正交试验

试验期间采用灌溉补水方式对含盐土层的盐分进行淋洗脱盐，淋溶补水量参考天津多年平均降水量（600 mm） 确定。采用WET土壤水分/温度/电导率速测仪（英国） 测定各土柱20、40、50 cm盐渍土剖面的土壤电导率，每7～10 d取样测定，并重复测定3次。通过统计分析确定各因素的影响大小，筛选出暗管排盐效果最佳的组合形式。

2 数据分析与讨论

2.1 实验数据的极差分析

极差分析法［5］直观形象、简单易懂。根据正交表的综合可比性，极差分析法通过简便的计算和判断就可以求得试验的优化成果、主次因素、优水平及优组合，能比较圆满地达到一般试验分析要求。

首先对测得的土壤电导率数据采用序时平均数加权法进行计算，作为每组试验的代表性指标值，计算公式为：

式中：y1i、y2i、y3i分别表示土柱盐渍土剖面20、40、50 cm层土壤电导率的序时平均数（i=1、2、3）。

依据表4 Rj的大小可知，A因素对土壤含盐量的影响最大，其次为B因素，C因素的影响最小。即各影响因素重要性依次为A＞B＞C。以土壤电导率作为主要衡量指标而言，该值越高，则土壤含盐量越高，排盐效果越差。因此，由各因素对应值的大小可认为暗管排盐的优组合为A3B1C1，即：流化床炉渣作为包敷滤料，厚度10 cm，采用孔隙面积1 200 mm2/m的PVC暗管，可以达到较好的脱盐效果。

表4 土壤电导率的极差分析

注：K=P=ST=QT-P，为试验数据的总偏差平方和；Se为试验误差的偏差平方和。

根据表4中kij值，对各影响因素的优水平分析如下：①A因素（滤料种类）对土壤电导率的影响极显著。其中流化床炉渣（LZ） 对降低土壤电导率的作用最大，其次为泰达炉渣（TZ）、增钙液态渣（GZ） 和供热锅炉炉渣（RZ）。从表1和表2炉渣的密度与粒径组成来看，流化床炉渣密度为1．39 g/cm3，具有较为均匀的粒径级配。增钙液态渣细粒子多，≤1 mm的渣粒占38%。供热锅炉炉渣密度小，在压力作用下可能易发生淤化。②B因素（滤料厚度）对土壤电导率的影响较显著。试验采用的是滨海盐渍土，其土壤黏滞性较高，淤积倾向较为严重，故设定厚度不小于8 cm［6］。依据极差分析结果，滤料厚度的优水平为10 cm。③C因素（暗管规格） 对土壤电导率的影响不显著，其影响可以忽略。

2.2 实验结果的方差分析

极差法无法确定试验优化成果的可信度，也不能应用于回归分析与回归设计。而方差分析则在偏差平方和分解的基础上借助于F检验法，对影响总偏差平方和的各因素效应及其交互效应进行分析，判断各因素对试验指标影响的显著性［7］。基于此，进一步对试验数据进行方差分析，以检验上述优组合的可靠性。

由表5的方差分析可知，因素A对土壤电导率的影响较显著，该实验指标的影响显著性的可信度高于95%。B因素影响显著性的可信度略高于90%，而C因素的影响不显著。依据F大小，3种因素对土壤电导率的影响性排序为A＞B＞C，与极差分析的结果一致。

表5 土壤电导率的方差分析

2.3 水平效应和工程平均估计

经试验数据的极差分析和方差分析，可以确定A3B1C1组合为该试验条件下排盐效果最优的组合形式，但该组合并没有出现在L8（41×24）正交试验的8组试验中，需应用水平效应和工程平均估计的方法对优组合的指标值进行估算。即用各因素的各水平效应值定量估计L8（41×24）试验中16种组合类型对土壤电导率的贡献值（工程平均）。各因素的水平效应值见表6。工程平均的估算式为：

以选出的最优组合A3B1C1为例，应用公式（2）对该组合土壤电导率指标值估算如下：

表6 各影响因素水平的效应值

组合A3B1C1的土壤电导率工程平均估计值的置信区间估算采用如下公式：

式中：Se为误差项偏差平方和；fe为误差项自由度；ne为误差项的有效重复数，ne=数据总个数/（1+显著性因子的自由度之和）。

依据表5中计算值，得δ0．01=26．7。因此，试验优组合A3B1C1的土壤电导率为184．8～238．2 mS/m，置信度为99%。

3 结论

1）包敷滤料种类、滤料厚度和暗管规格对土壤电导率的影响存在明显差异。其中，包敷滤料种类的影响效果最为显著，其次为滤料厚度，暗管规格对其影响可忽略。

2） 试验条件下对降低土壤含盐量优组合为A3B1C1，即包敷滤料选用流化床炉渣，敷设厚度为10 cm，暗管选取孔面积为1 200 mm2/m规格的PVC波纹管，外裹透水无纺布。通过补水淋溶和重力水下渗作用，盐渍土土壤脱盐率达44．8%。

3）工业固体废料——炉渣用作排盐暗管过滤材料，可有效降低土壤含盐量，替代砂砾料，降低暗排工程费用。

［1］马纯永．暗管改碱技术在路域绿化项目中的应用［J］．科协论坛（下半月），2009（12）：123-124．

［2］艾天成，李方敏．暗管排水对涝渍地耕层土壤理化性质的影响［J］．长江大学学报：自然科学版，2007，4（2）：4-5，8．

［3］杨玉珍．黄三角暗管改碱实验［J］．中国土地，2008（7）：18-19．

［4］丁昆仑，余玲，董锋，等．宁夏银北排水项目暗管排水外包滤料试验研究［J］．灌溉排水，2000，19（3）：8-11．

［5］邓勃．分析测试数据的统计处理方法［M］．北京：清华大学出版社，1995．［6］SL/T 4—1999农田排水工程技术规范［S］．

［7］郑少华，姜奉华．试验设计与数据处理［M］．北京：中国建材工业出版社，2004．

Effects of Slag as Outsourcing Filter Material for Subsurface Pipe on Soil Salt Content

Liu Xianbu1,Wu Liping2,Chen Jie1,Wang Yinyin2,Zhang Zhenyu2,Cao Wen2,Li Yue1
（1．Tianjin Domestic Waste Disposal Center,Tianjin 300100;2．Key Laboratory of Aquatic Science and Technology,School of Environmental and Municipal Engineering,Tianjin Institute of Urban Construction,Tianjin 300384）

Using slag as outsourcing filter material for subsurface pipe,choosing the type and thickness of filter material and the specification of subsurface pipe as the control factors,the orthogonal test was carried out to investigate the influence of various factors on the soil salt content(as measured by soil electrical conductivity)．The combination A3B1C1was the optimal combination by range analysis and variance analysis．That is to say,the type of filter material was the slag of fluidized-bed furnace,the thickness was 10 cm,the specification of subsurface pipe was PVC corrugated pipe with the hole area of 1 200 mm2/m．With this installation mode,the soil salt content had greatly reduced by the process of water leaching and gravity water infiltration,and the desalination rate could reach 44．8%．

slag；outsourcing filter material；soil salt content；range analysis

X502

A

1005-8206（2012）04-0005-03

国家科技支撑计划课题（2009BAC55B03）

2012-02-21

柳宪布（1954—），高级工程师，主要从事垃圾处理技术开发及垃圾处理设施的管理。

（责任编辑：郑雯）