利用柱状换土毛细作用提升地下水实现胡杨自我恢复的探索研究

杨海华，吕秋丽，杨 武，糟凯龙

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)>

0 引 言

1972年大西海子水库建成，拦截了塔里木河(以下简称塔河)上游来水致使其下游320 km河道断流、湖泊萎缩、地下水位明显下降[1]。对塔河沿岸生长的胡杨来说，地下水急剧下降，导致其根系层土壤含水率明显降低，出现胡杨根系土层水分胁迫，生长受到抑制或衰败、枯死等[2,3]。为了挽救塔河下游衰败的胡杨林，2000年5月至2018年3月共实施了19次阶段性的应急生态输水，有效抬升了塔河近河道区域的浅层地下水位，胡杨林得到了自然更新与恢复。但应急生态输水对于远离河道的区域地下水位抬升不明显，其水位仍维持在地下6～8 m，低于胡杨胁迫水位4.71 m以下[4-12]，对远离河道的单株不成片胡杨生长胁迫问题未得到改善。因此，为了解决生态应急输水无法解决的远离河道区域胡杨生长胁迫问题，提出采用柱状换土技术。该技术针对塔河土壤结构复杂、差异性较大，砂土、粉土、黏土等不同质地的土壤交互成层阻碍毛细水上升迁移的特点[13,14]，利用钻井技术破除原土层结构，换填毛细作用较高的土体使地下水在毛细作用下提升至胡杨根系土层，解决胡杨生长胁迫问题。

土壤毛细水依靠毛细吸力保持在土壤孔隙中，并且土壤孔隙中毛细水所受的吸力小于植物吸水力，可以被植物吸水[15]，柱状换土技术的实现主要依赖于换填土的毛细作用大小及毛细水上升高度。针对土壤毛细作用，前人做了大量研究，如Guo等[16]采用竖管试验测得粉土毛细水上升高度可达2.49 m。董斌[17]得到低液限黏土毛细水上升高度为2.53～3.69 m。A A 罗戴[18]指出，毛细水上升高度从砂土到粉砂土至黄土性粉土依次增高，当继续过渡至机械更黏重的土壤开始降低，并通过实验测得黄土性粉土毛细水上升高度为1.70～3.55 m，在自然条件下毛细水上升高度最大可达6 m。马媛[19]研究得出胡杨生长状况良好有两种状态分别是胡杨根系深入到地下水或胡杨根系处于毛细水带中的饱和水带与包气带时。从以上研究成果可看出，采用柱状换土技术提升塔河下游地下水位与胡杨胁迫水位之间的水位差，实现胡杨的生态恢复是可行的。

前人把颗粒级配作为研究土壤毛细水上升高度的重要指标，用某一特征粒径拟合毛细水上升高度，得出了毛细水上升高度与土壤粒径之间的经验公式。但是，天然土壤具有复杂多样性，其矿物成分、颗粒级配及粒型均存在较大差异，造成土壤内部的孔隙结构复杂，毛细孔隙大小和形状各不相同[20]，这都为预测土壤毛细水上升高度造成了困难。经验公式针对特定土壤却不具有普遍适用性，本次试验依据胡杨改善胁迫水位所需的毛细水上升高度，研究不同粒组对毛细水上升的影响，并结合投影寻踪建模技术(PPR)分析土壤各粒组对毛细水上升高度的影响权重，优选颗粒级配符合柱状换土技术要求的土壤，为柱状换土技术用于胡杨的生态修复提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试验用土

试验用土壤取自塔里木盆地尉犁县至34团塔河沿岸的天然土壤，包含粉土4组，细砂、黏土和粉细砂各一组，分别标记为1号～4号粉土、5号细砂、6号黏土和7号粉细砂。土壤颗粒分析试验根据《土工试验方法标准》GB/T50123-1999的规定[21]，对于粒径大于0.075 mm的颗粒采用筛析法，粒径小于0.075 mm采用密度计法(水分法)，试验结果见表1。并对1号、3号粉土、5号细砂和6号黏土进行了变水头渗透试验，测得前3种土壤的渗透系数分别为8.27×10-6m/s、1.54×10-5m/s和2.42×10-3m/s，6号黏土经过48 h后仍未出水，认为其渗透性极小或不渗水。

表1 天然土壤颗粒级配Tab.1 Particle size distribution of natural soil

1.2 试验方案

采用室内毛细水上升高度试验，直接观测短期内土壤毛细水上升高度。为了便于观测，本次试验采用边壁强度高、透明性好、高为2 m的有机玻璃管作为试验装置；同时考虑DT/Dp≤10(DT有机玻璃管直径，Dp为土颗粒粒径)时，有机玻璃管近壁区产生的局部效应对毛细水上升规律的影响[22]，依据试验用土颗粒粒径均小于0.25 mm，选用有机玻璃管的内径为2.5 cm。

土壤毛细水上升高度试验分三组：第一组采用1号～7号天然土样，测试具有代表性的细砂、粉土和黏土的毛细水上升规律。考虑到第一组试验土壤颗粒级配丰富度低，第二组以1号粉土、5号细砂和6号黏土为原料，按不同比例混合拌匀制得8号～18号土壤，试验装填干密度控制为1.55 g/cm3，初始含水率控制为3%，颗粒级配见表2。第三组由3号粉土与5号细砂按不同占比配置成19号～23号土样，颗粒级配见表3。试验方法按照《土工试验方法标准》GB/T50123-1999毛细水上升高度试验进行(试验装置示意图如图1)，以有及玻璃管内湿润锋最高点至水面垂直距离作为毛细水上升高度，当毛细水上升高度随时间关系曲线平缓时停止试验，试验最长观测60 d。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象

当水槽注水开始试验时，透过有机玻璃管观察土壤湿润情况并测量干湿界面高度。粉土在试验开始时出现明显的干湿界面，初始阶段毛细水上升高度高低不同，随时间增长，上升速度逐渐降低；细砂在试验初期管内土壤湿润明显，毛细水迅速上升，但历时48 h后毛细水高度不再上升并保持稳定；黏土在试验开始时管内无明显的干湿界面，随着时间的增长逐渐可到土壤湿润现象并出现干湿界面的湿润锋，上升速度较粉土和细砂缓慢。

表2 第二组试验土壤颗粒级配 %

表3 第三组试验土壤颗粒级配 %

图1 土壤毛细水试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of soil capillary water test device

2.2 第一组天然土壤

试验土壤装土干密度按1.55 g/cm3控制，初始含水率为3%，试验结果见图2。从图2中可以看出，1号～4号粉土毛细水上升高度高、上升速度快，20 d时毛细水上升高度均可达到1.29 m以上。5号细砂在试验初始阶段毛细水上升速度最快、上升稳定耗时最短，24 h后其上升速度趋于0，上升稳定高度为0.47 m。6号黏土毛细水上升速度最慢，20 d时上升高度0.34 m。7号粉细砂毛细水上升高度高，在试验前期上升速度最快，随时间增长，上升速率减小，在试验20 d时上升高度为1.64 m。所以，从毛细水上升的高度来看，1号～4号粉土和7号粉细砂满足柱状换土技术所需的毛细水上升高度，而5号细砂和6号黏土不满足高度要求。

图2 不同土质毛细水上升高度与时间关系曲线Fig.2 Curve of capillary water rising height and time in different soils

结合土壤颗粒级配可知，4种粉土和粉细砂的粉粒(0.05～0.005 mm)含量均较高(大于60%)，毛细水上升高度高，因土壤粉粒颗粒含量较高时，颗粒形成的土壤孔隙小、孔隙发育、连通性好，形成利于毛细水上升的毛孔。细砂大于0.05 mm颗粒含量最高，试验初期毛细水上升速度快，由于大于0.05 mm的土颗粒比表面积小，与水接触时一般不考虑结合水膜对毛细水上升的影响；土颗粒多呈球形[23]，颗粒间接触以点对点接触为主，土壤内部形成的孔隙大，连通性好；根据毛细管径与毛细水上升高度成反比，在相同的填筑密度下，细砂土壤的孔隙比大于粉土，毛细管径大，水能快速进入内部孔隙，上升速度快。根据热动力学原理，在土壤毛细水上升过程中，小孔隙先吸水，大孔隙后吸水，土壤很快从毛细水饱和水带过渡到毛细水悬挂水带，所以大于0.05 mm颗粒含量较高时，毛细水上升高度低。黏土中黏粒(<0.005 mm)颗粒含量最高，上升速度最慢，因小于0.005 mm的土颗粒比表面积大，多成扁平状或针状[24]，颗粒间接触形式为点-面或点-点接触，扁平状的颗粒使毛细水上升阻力更大，毛细水上升迁移困难；其次黏土颗粒表面一般带有定向排列的电荷，吸附作用强烈，水在经过黏粒构成的孔道时，被牢牢地束缚住形成吸附膜[25]，减小了空隙的有效直径，甚至形成毛细孔隙死端。因此，小于0.005 mm颗粒含量越高，毛细水上升速度慢，上升高度低。

2.3 第二组试验结果与分析

本组试验8号～18号土壤毛细水上升高度试验结果见图3，从图中可以看出9号粉土和14号土壤毛细水上升高度高。14号土壤试验初期毛细水上升速度远远快于9号粉土，随试验时间14号土壤速度降低梯度较大，在试验10 d后毛细水上升高度小于9号土壤。8号～18号土壤毛细水上升速度在试验初期8号细砂最快，10号黏土最慢；试验观测的10 d内，毛细水上升高度是9号粉土最大，10号黏土最小。

图3 第二组试验毛细水上升高度与时间关系曲线Fig.3 Curve of capillary water rising height and time in the second group of tests

三种典型土壤(细砂、粉土、黏土)毛细水上升高度与时间关系见图4中的8号、9号和10号。其毛细水上升高度关系为：9号>8号>10号；试验初期的上升速度为：8号>9号>10号；测试时间内毛细水上升速度降低梯度大小关系为：8号>10号>9号。通过变水头渗透试验测得，8号细砂和9号粉土渗透系数分别为2.42×10-3m/s和8.27×10-6m/s，10号黏土经过48 h无水渗出。A.A.罗戴[18]指出土壤下渗率和土壤渗透系数直接反映其透水性强弱，同时反映出土壤孔隙大小。所以，从渗透试验结果可以得出渗透系数大小关系是8号>9号>10号，3种典型土壤在相同干密度条件下的内部孔隙大小关系为8号>9号>10号。所以，笔者认为在毛细水的上升过程中，土壤中较大的孔隙对毛细水的上升速度起决定作用，而最终的上升高度是有土壤中的小孔隙决定的。

为了更清晰地了解粉土中掺入细砂、黏土中掺入细砂后土壤孔隙结构的变化对毛细水上升高度的影响，以8号、9号、11号、14号和16号土壤为一组绘制图4；以8号、10号、13号、17号和18号土壤为一组绘制图5。从图4中可以看出，在试验初期，毛细水上升速度的大小关系为：8号>16号>14号>9号>11号，土壤内大于0.05 mm颗粒含量逐渐减小的，说明土壤中大于0.05 mm的颗粒有利于毛细水的快速上升；11号土壤大于0.05 mm颗粒含量为58.4%，其毛细水上升速度却最慢。Ning等[25]认为孔隙度只是颗粒大小分布的无量纲标准离差函数，与颗粒大小无关，对于密集的细颗粒混合物体系，其孔隙度决定于混合物的组成、平均粒度比，在较粗组分占55%～75%时，混合物具有最低孔隙度，在低孔隙度下土壤连通性降低，上升速度减慢，毛细水上升高度降低。在试验时间内，9号土壤的毛细水上升高度最高，其粉粒含量为70.1%，是几种土壤中最大的，说明粉粒含量对利于毛细水的上升高度起到决定性作用。图5显示，试验初期毛细水速度也是大于0.05 mm颗粒含量多的土壤上升速度最快，13号土壤大于0.05 mm颗粒含量为52.2%，形成低孔隙度，毛细水上升缓慢。在相同试验时间下，掺粉土的土壤毛细水高于掺黏土的土壤，说明粉土比黏土具有更好的毛细性。

图4 细砂中掺入粉土毛细水上升高度与时间关系曲线Fig.4 Curve of rising height and time of capillary water mixed with silt in fine sand

图5 细砂中掺入黏土毛细水上升高度与时间关系曲线Fig.5 Curve of rising height and time of capillary water mixed with clay in fine sand

2.4 第三组试验结果与分析

从第二组试验结果可以看出，砂土和粉土按一定比例掺合时能达到较好的毛细水上升高度，为了解不同掺入比例对毛细水上升高度的影响，进行了第三组毛细水上升高度试验。考虑人工材料对毛细水上升高度的影响，在23号土壤级配下装填土样时在中心预埋一根棉线，标记为24号，结果如图6所示。从图中可以看出，粉土含量越高毛细水上升高度越高，随着粉土含量的增加呈现出毛细水上升先慢后快，高度先低后高的过程；在试验6 h内细砂含量越高，毛细水上升速度越快，后期毛细水上升速率随时间的增长降低，并且细砂含量越高，速度梯度降低越大。对比23号和24号毛细水上升情况，其上升速度和各时间段的上升高度均无明显差异，说明在土中加入棉线对毛细水的上升无影响。

图6 粉土掺入细砂后土壤毛细水上升高度与时间关系曲线Fig.6 Curve of rising height of soil capillary water and time after Silt Mixed with fine sand

2.5 PPR分析各粒度成分对毛细水上升高度影响

在柱状换土技术中，首要是解决地下水位到胡杨根系土层之间的水位差问题，其次需有足够的上升水量来供给胡杨生长，即毛细水上升速度越快，其提升的水量越大。为探寻土壤各粒组对毛细水上升高度和速度的影响规律，对上述试验结果进行投影寻踪回归分析(PPR)。PPR是一种基于“降维寻优”思想的探索性数据分析(Exploratory Data Analysis，EDA)方法，对原始数据不进行人为假定、分割或变换处理，将多维数据投影到低维子空间上，通过极小化某个投影指标寻求反映数据结构特征的多维数据分析方法[26,27]。设(X，Y)为随机变量，X、Y分别为Q维、P维随机向量，PPR根据n次观测结果 ，采用若干个岭函数加权和逼近回归函数F(x)=E(Y|X=x)，PPR模型可表示为：

(1)

极小化准则：

(2)

式中：Mu为数值函数最优个数；Wi为应变量的权重系数。

从表4中看出，PPR模型的仿真结果与实验值吻合较好，最大相对误差为17.2%，大部分误差在5%以内，说明所选模型参数较为合理，仿真模型能准确反映毛细水上升高度规律。根据权重系数，对毛细水上升高度影响最大的土壤颗粒是0.05～0.005 mm，其次是0.25～0.1 mm，小于0.005 mm和0.25～0.1 mm对其影响较小，说明0.05～0.005 mm颗粒是决定土壤毛细水上升高度的关键因素，其次是0.25～0.1 mm颗粒含量。因此，柱状换土技术在土壤选用时应以0.05～0.005 mm颗粒含量高的粉土为主。

表4 PPR模型分析结果Tab.4 Analysis results of PPR model

利用PPR模型，对不同粒组含量的土壤进行仿真，得出在土壤不同粒组含量下的毛细水上升高度，绘制图7所示的三元等值线图。从图中看出，大于0.05 mm颗粒和0.05～0.005 mm颗粒含量的增加均使毛细水上升高度上升，而小于0.005 mm颗粒的增加使毛细水上升高度降低；在土壤粒度成分为小于0.005 mm颗粒含量为0，0.05～0.005 mm颗粒含量为65%，大于0.05 mm颗粒含量为35%时毛细水上升高度达到最大值137 cm。

图7 不同颗粒级配毛细水上升高度等值线图Fig.7 Contour map of capillary water rising height with different particle gradation

3 结 论

通过对1号～24号土壤室内毛细水上升高度试验，分析3种典型土质毛细水上升高度、毛细水上升速度以及孔隙结构特征，得到了以下结论：

(1)大于0.05 mm颗粒含量越高毛细水上升速度越快，0.05～0.005 mm颗粒含量越高使毛细水上升高度越高，大孔隙决定着毛细水上升速度，小孔隙决定着上升高度。

(2)通过7种天然土壤室内毛细水上升高度20 d的试验知，1号～4号粉土和7号粉细砂毛细水上升高度可达1.29 m，均可满足柱状换土土壤要求。其中，3号粉土毛细水上升高度达1.97 m。

(3)通过PPR分析，得出了土壤不同粒度成分对毛细水上升高度的权重，0.05～0.005 mm颗粒含量是毛细水短期内上升高度的关键粒组，利于毛细水上升的土壤粒度成分最优组合为：小于0.005 mm颗粒含量为0，0.05～0.005 mm颗粒含量为65%，大于0.05 mm颗粒含量为35%。