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温度、表面张力的变化势对土壤的收缩开裂的影响

来源:土壤学报 浏览 194 次 发布时间:2023-12-07

随着近年来土壤污染的频发,表面活性剂作为一种常用淋洗剂,因其少量高效的修复效果,在污染土壤淋洗修复技术中得到了越来越广泛的应用。表面活性剂的加入在显著改善土体性质的同时,也使水的气—液界面张力(表面张力)发生了明显变化,在利用表面活性剂对土壤进行改性时,少量的表面活性剂就会大幅降低水的表面张力。另一方面,再生水灌溉在水资源紧缺的地区有普及的趋势,它能很好地解决区域水资源短缺的问题,再生水中的多种元素还能提高农业产量。但再生水中会含有污水中未被处理完净的有机物质,有研究发现,有机化合物加入水中也会改变水的表面张力。再生水灌溉后土壤中混入的有机物会改变土壤的力学性质,对土壤的物理性质造成影响。


由此可见,表面活性剂和有机化合物的加入会使孔隙水的表面张力发生明显变化,而界面特性的三大方程,即Young方程、Laplace方程和Kelvin方程均与表面张力有关,表面张力改变会使得表层土壤的力学性质发生变化,而表层土壤最显著的特性就是收缩开裂,因此,表面张力的变化势必会对土壤的收缩开裂造成影响。

不同表面张力下土壤收缩开裂裂隙度

考虑到自然环境的复杂多变性,土体一般要经历多次干湿循环。干湿循环会引起土—水特征曲线的滞回效应,在相同的含水率条件下,吸湿和脱湿所对应的基质吸力不尽相同,而导致干湿循环滞回效应的一个最重要因素就是接触角的改变。在球体颗粒模型基础上提出了张力吸力的概念,分析了基质吸力与张力吸力随接触角变化规律,并从理论上合理地解释了“随着土变干,饱和度对土的强度作用减弱”的试验现象;对吸湿与脱湿过程中引起非饱和土的土—水特征曲线滞后性质进行机制分析,认为接触角的差异是造成土—水特征曲线滞后效应的主要原因,而接触角与表面张力又是密不可分的。土壤在脱湿过程中,含水率不断降低,连接土壤颗粒的液桥体积减少,基质吸力变大,当达到土壤开裂的临界基质吸力时,土壤颗粒间的液桥将破裂,从而土壤产生裂隙。从细观的角度来看,土壤中的基质吸力是由液桥的表面张力所引起的,表面张力的改变会影响液桥断裂的程度和时间点,从而影响干湿循环条件下的土壤收缩开裂特性。土壤收缩开裂破坏了土壤原有的结构,会引发优先流,而裂隙则会成为灌溉水和雨水的优先路径;收缩开裂还会改变土壤中水分和养分的正常运移,严重则会造成地下水污染、阻碍农业灌溉、影响农业产量等问题。随着全球环境变化的影响,土壤和水污染问题会越来越多,越来越典型。表面张力对水—气界面的影响明显,可以肯定对土壤开裂的性质也有重要影响,因此,有必要从表面张力的角度对干湿循环下的土壤收缩开裂特性进行深入研究,对农业灌溉和环境保护方面也将具有重要的理论和实际指导意义。


在两种控制温度条件下,对三种孔隙水表面张力不同的土样开展了一系列的干湿循环试验,分析了温度和表面张力因素对土样裂隙发育过程及最终裂隙度的影响,得到如下结论:干湿循环对土样裂隙发育有一定影响,随着干湿循环次数的增加,试样的最终裂隙度有所增加,但增长幅度不大;干湿循环次数越多,相同含水率下对应的收缩开裂裂隙度越大;相同裂隙度对应的时间随循环次数增多而减小。温度对土壤的收缩开裂有直接影响。温度越高,土样出现裂隙的初始时间就越短,对应的初始临界含水率也越高,土样的收缩开裂发育程度越高,最终收缩开裂裂隙度δ也相应越高。在相同含水率的情况下,高温环境中脱湿的试样表面裂隙发育也明显增加。表面张力对土壤收缩开裂有明显的制约作用。表面张力增大,会使土样的曲率半径变小,从而增大基质吸力,间接对土样的裂隙发育产生影响。土样的表面张力越大,其裂隙发育程度越高,对应的最终δ也就越大;表面张力越小的试样其最终δ越小,但在土样表面裂隙发展过程中,相同含水率或者相同脱湿时间时,表面张力小的试样裂隙度有可能高于表面张力较大的试样。