盐碱土冲洗试验

盐碱土冲洗试验一 试验目的 冲洗是盐碱地改良中一项普遍采用的水利工程措施，土壤中的盐分，有时固体结晶，有时溶于水形成含盐溶液。冲洗就是渗入淡水，使土壤中各种状态的盐分溶解于水中，通过对流与弥散作用，随冲洗水的下渗，将溶解于水中的盐分带至深层并经由排水系统排至承泄区。 冲洗定额是指将计划冲洗土层（一般指作物根系层）中的含盐量冲洗到作物能允许的含盐程度时，单位面积所需要冲洗水量，以m3亩计。冲洗定额的大小取决于土壤的盐碱化程度，盐分组成及其在土壤中分布状况，计划冲洗土层厚度。冲洗脱盐标准还取决于土壤的水分物理性质，地下水出流条件，此外，还与冲洗技术和时间有关。这些关系比较复杂且互相影响，一般情况下，要精确计算冲洗定额是比较困难的。最好通过野外试验确定。 野外现场试验能综合反映各种因素的影响，所测得的资料数据反应试区的实际情况，实验结果可靠，能直接在与试验区相似区应用。室内试验不可能完全模拟野外的情况，但可以进行单因子影响试验，便于取得较完整的资料，有利于进行理论上的分析研究。 室内试验多在垂直土柱中进行，可进行的试验内容有： 1：不同冲洗水质冲洗效果的对比试验； 2：不同冲洗方式下，如连续冲洗，间断冲洗，不同冲洗间隔时间等的冲洗效果对比试验； 3：不同冲洗水质，不同冲洗方式下，盐分分布的动态过程。 4：不同冲洗水质，不同冲洗方式下，冲洗定额的试验： 5在一定冲洗水质，冲洗方式和冲洗定额情况下，达到要求冲洗效果时的冲洗时间的实验等 上述各种实验的实验原理，测试设备及操作方法基本上是一致的，以下以冲洗定额试验为例，使实验者掌握饱和溶质运移的室内运移装置，量测设备，实验原理和方法。 二 实验原理 根据冲洗定额的概念，可用公式表达如下： Mm1m2ep （8-1） 式中：M——冲洗定额（m3亩）； 3 m1——计划冲洗层内，冲洗前的含水量与最大持水量的差额（m亩）； m2冲走计划冲洗层中的过多盐分所需要的水量或冲洗定额中起运输作用的水量（m3亩）； 3e冲洗时期内的蒸发损失量（m亩3）； p冲洗时期内可利用的降水量（m 当e与p大致相等时，上式可简化为： 亩）； Mm1m2 （8-2） 其中：m1ww0 @: .

式中：w——计划冲洗蹭的最大持水量； w0——冲洗前计划层含水量。 m2的确定比较困难，上述各种实验内容或冲洗定额的实验都是指m2这部分水量，以下简要介绍两种确定冲洗定额方法; 1 以实验资料为基础的计算法 m2667H(S0S)kkg （8-3） 式中：H——计划湿润层深度（m）； ——土壤容重(m3)； S0——冲洗前土壤中的含盐量（以干土重的百分数计）； ； S——冲洗后所允许的土壤含盐量（以干土重的百分数计）kgK——排盐系数，即每立方米冲洗水所能冲走的盐分重量(m3)； 2 以水动力弥散理论为基础的计算方法 盐分之所以能冲洗，主要是通过对流和水动力弥散两个途径实现。在压力差的作用下，溶液有压力高的地方向压力低的地方运动，称为对流。水动力弥散又由分子扩散和机械扩散两部分组成，分子扩散是一种物理化学现象，它是由溶质浓度的不同而产生的由浓度高向浓度低的地方运动。在静止的溶液中，只要存在浓度差，这种过程就存在。机械弥散是溶质在土壤中的对流传输而产生，它主要是由于流速的局部变化而产生的溶质弥散。根据费克定律和质量守恒原理，均质各向同性含水层中溶质运移方程为： cc2c2ccDx2Dy2UxUy （8-4） txyxy对于一维问题，其方程为： cc2cDx2Ux （8-5） txx对于冲洗改良的盐碱地来说，式8-5的定解条件为 c(x,t)c1 t0 c(x,t)c0 x0 c(x,t)c1 x 上述定解问题的解析解为 c1c1xutuxxuterfc()exp()erfc() （8-7） c1c02D2Dt2Dt 式中：D——弥散系数 U——水流空隙流速 @: .

C——x点的浓度 c0 c1——分别为冲洗水和土层中原来的含盐浓度。 当已知弥散系数D时，可由式8-7求得冲洗定额m2，方法是：根据要求的冲洗深度x，冲洗后含盐浓度c，由式8-7求出冲洗时间t，由t和孔隙流速u求出要求的冲洗定额m2，即 m20.67unt （8-8） 孔隙流速u根据排水系统的布置形式和规格由相应的计算公式推求（单位为cm），nn为土层有效孔隙率，t（小时）为冲洗时间。 三 测试设备及试验装置 在采用冲洗措施改良盐碱土地区，一般均开挖配套完善的排水系统，在排水沟中间断面处的变化情况可以作为衡量冲洗效果的指标。 饱和土壤中全盐量（即可溶性盐分总量）的测定方法很多，但比较简单，快速，准确又可以定位观测的方法是电导法。 土壤中可溶盐是强电解质，在水溶液中为带电粒子，它在电场作用下产生的运动具有导电作用，其导电能力的强度称为电导度。溶液浓度不同，其电导度（或称电导率）不同，因电极常数（即极板间距与极板截面积之比）是定值，故可以通过电报用电导仪测出溶液的浓度。 因为电导仪测出的是溶液的电导率，为此应事先做出不同盐类的浓度与其相应电导率的标准关系曲线，实验时，依据土壤盐溶液的类型及所测的电导率，查相应盐溶液的标准曲线即得溶液的浓度值。 同一浓度纯溶液的电导率与其土壤中溶液的电导率是不一样的，需要事先测定纯溶液电导率折算成相应纯溶液时的电导率值。 溶液电导率值受温度的影响较明显，据测定，大多数离子，温度每增加一度（1℃），其电导率约增加2%，因此，看实验过程中温度变化较大或试验时温度与测定标准曲线的温度差别较大时，需将测定值进行温度校正。 试样可采用原状土或扰动土，采用原状土时，土柱与土简壁要进行密封处理。在进行扰动土的试验时，式样先进行风干，然后按一定容量分层填装在有机玻璃圆管内，管的内径10~15厘米，管长1~1.5米，土柱下端装设滤层，在有机玻璃圆管的一侧，安装四个测压管，用以测量各测压管位置的测压管水头并兼作充水结构时排气之用。 咸水供水本水装置：冲洗试验是在饱和垂直土柱中进行的，试验前应将土柱用盐溶液充分饱和（盐溶液的种类和浓度根据实验要求配置），为保证良好的饱和效果，成水供水平水装置应能调节自如，根据需要置于不同的高度。 冲洗水供水平水装置：冲洗试验是控制在一定的渗透速度下进行的，通过调整整个渗流运动的水头差控制冲洗流量的大小。 排水出流装置：与土柱底部出水管相连，在饱和过程中它是关闭的，冲洗开始后，从出水口处可量得冲洗排水量和不同的入渗速度。 量测系统：包括电导电极、电导仪器及电子电位差计（长图自动平衡记录仪），电极按一定间隔埋设在土柱中（埋设时应使电极的两个铂金板极与水流方向平行），在土柱上部间隔较小（取5cm）30cm以后，每隔10cm埋设，由电导电极直接与电导仪联接，试验人员可直@: .

接测读测点电导值，若要进行多点连续观测，可采用长图自动平衡记录仪，该仪可顺序施测十二个测点的电导值（测点数视长图自动平衡记录仪的型号而异），它可根据试验者予置的测量时间间隔自动走点测量和记录。

试验以20g/l（可按各地要求用其它浓度）的Nacl溶液作为盐碱地土壤水的浓度，冲洗水为一般的自来水，为便于由溶液电导率换算成相应的溶液浓度，试验前应测定电导率与浓度关系。

仪器设备清单：

1. 有机玻璃土柱及附属的供水平水装置； 2. 电导电板，依测点数目确定； 3. 电导仪一台；

4. 长图自动记录仪一台； 5. 秒表及量筒量杯等。 四．试验步骤及人员分工 （一）.试验前准备工作

1.按规定容量分层装填试样，装填完毕后测定试样的干容重和比重，计算孔隙率n。 2.以一定浓度的盐溶液（例：可取20%的Nacl溶液）饱和土柱。饱和自土柱下部开始，首先关闭排水阀4，控制阀1及2，打开控制阀3及5，咸水由供水平水箱通过土柱下端进下土柱内，为保证土柱能充分饱和，可通过改变咸水供水平水箱的高度或调节控制阀5进行控制。当供水速度过快，土壤中的空气来不及排逸，一部分空气将残留在土壤中影响饱和质量，严重时还可能造成土壤被空气托起而破坏土柱的整体结构。 3.土柱自底部一直饱和至顶部后，应继续供咸水3-4小时，以使土柱全部浓度相等，然后关闭控制阀，供水率水箱的位置应保持进气管下缘与拟控制的土柱淹灌水层同一高度处。

4.用电导仪测定各测点浓度，如果各测点电导率均相等，只需测出一条纯溶液电导率与相同浓度下土壤溶液浓度电导率关系曲线即可；如果各测点侧得的值不相等，则需对每一电极分别求得上述关系曲线。

5.固定咸水供水平水装置，打开控制阀1及排水阀4，调整排水出口高程，使咸水的流速度在要求的范围内（注：此时土柱内使咸水在流动；土柱顶部水层厚度即为冲洗格田中淹灌水层的厚度，约2-4cm，水高程可通过改变供水平水箱位置进行调节，在试验过程中不改变）。 （二）.试验过程测试

渗流达到稳定后（可通过测定流量判定），即可以开始正式冲洗试验。 1. 将冲洗水供水平水装置与咸水供水平水装置放在同一高程上（指控制作用水头的进

气管下缘）；

2. 计时开始，迅速将供水水源由咸水改成冲洗水，并应设法将原咸水淹灌层换成冲洗

水淹灌层。

3. 保持排水出口的高程不变，亦即渗流状况与冲洗前完全一样。

4. 定期测定各测点的电导值，如果不用自动记录仪，则按事先确定测量时间间隔人工

测读，对于砂性土壤，时间间隔不宜太长，如用轻壤土进行试验，开始时每20分钟或30分钟读一次数，后期可逐渐加大。当淡水前锋到达某一观测点的位置后，给测点应加密观测次数，当该断面淡化水尚未抵达或淡水已通过，则不予观测或较长时间观测一次即可。

5. 自土柱底部的排水浓度也应定期进行测定，前者是监测渗流是否仍维持稳定状态，

发现变化较大时要及时进行调整。后者可以了解冲洗水是否抵达土柱底部及自底部

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排水的浓度变化过程。 （三）人员分工 若有可能，试验者应参加试样装填，电导电极埋设，咸水饱和的试验前准备阶段的工作，冲洗开始后，应设指挥及计时一人，自土柱底部测量排水过程（兼取水样）1-2人，采用长图自动记录仪时，因一起自动走时走点，试验者仅需监视仪器是否正常工作即可，若人工观测记录，则设观测记录2人。 五.数据试验结果确定冲洗定额m2 测定出试验过程中达到冲洗要求（即土壤水浓度淡化深度）时的排水量w，即可求出相应的冲洗定额m2，即 m26.673W3m/亩 A式中，A是土柱截面积（cm）,达到m2时的时间即为所要求的冲洗时间。 2.根据试验资料，确定计算冲洗定额的经验公式 根据试验实测资料，绘制土样平均浓度C与需水系数Y关系线，需水系数是排盐系数的倒数，即达到某一平均冲洗浓度时，平均单位浓度（单位冲洗前后浓度差）所需要的冲洗水量（cm/ge）。 该关系的一般形式为Yac型曲线，可通过最小二乘法确定a、b值，直接将Y、C值点绘在双对数纸上，其截距即为a值，斜率为b值。 3.根据短期试验资料用弥散理论计算冲洗定额 （1）用配线法确定弥散系数D 对（（试）8-7）式作如下代换，令 bQutut, P xDQut/xDt Pux/Dx2（（试）8-7）式变为： c1c11Q1Q（试）8-10） erfc()exp(p)erfc() （c1c02QQ22PP上式左项以c(x,t)代替，右项为Q、P的函数以Z(Q,P)代替，即 c(x,t)1Z(Q,P) （（试）8-11） 2当P为某一定值时，（（试）8-11）变为 c(x,t)1'Z(Q) （（试）8-12） 2ut而 Q （（试）8-13） x@: .

对（（试）8-12）及（（试）8-13）式分别取对数，得 ' lgclgZ （（试）8-14） ulgQ xx（试）8-15） lgtlgQlg （uxlgc与lgt的关系相当于lgZ'与lgQlg的关系，因而可以采用配线方法求参数。 ulgtlg1．绘制c1cuxut~~ 标准曲线族。 c1c0Dx''（（试）8～12）式是在P为固定值时的 c~z 关系，不同的P值就会有不同的 c~z 关系，因而它们是一组曲线族。固定变量P，绘上c1c~Q 关系曲线，选定不同的P，c1c0可得c1cccuxut~P~Q 即1~~ 曲线族， c1c0c1c0Dx2．根据试验数据在双对数纸上点绘c1c~t 数据。 c1c03．将c1c~t 关系数据与标准曲线进行配线，配线时，两图的横座标重合，平行移c1c0动纵座标，使大部分数据落在标准曲线上，读出标准曲线的P值，因U为孔隙流速，X为测点位置，均为已知，由Pux ，求出弥线系数D值，在配线时，实测数据不能与绘出的D不同P值的标准曲线吻合时，可用插值法标出P值。 1.4g/m30.34cm/h2．计算冲洗定额（D/u816/0.342400cm24m） m2根据冲洗后要求的浓度C，计划冲洗深度X，冲洗水的浓度c0 ，土壤原来含盐浓度c1 ，孔隙流速U及弥散度D，（（试）8-7）中只有T（即相应的冲洗时间）为未知数，可以用试称法或查标准曲线求出T值，代入下式即可求得m2 值： m26.67nut m3/亩 （（试）9-17） 式中：u以cm/h计 @: .

t以h 例：对某一试样进行冲洗试验，已知土壤孔隙率为0。4容重1.4g/m ，孔隙流速为 ，冲洗水浓度为零，已0.34cm/h ，土壤原含盐量20g/l（按干土重百分数计为 0.57% ）测得距土柱表三石24CM处一侧点的浓度变化过程。试求使一未土层冲洗后浓度为3.5g/l 时的冲洗时间和冲洗定额 m2 。 1． 用配线法该土样的弥散系数D值 根据试验结果点绘 3c1c~t 关系曲线，并与标准曲线相配（如图（试）8-6），由c1c0配线结果可见，实测数据与p0.01的标准曲线图配合较好，故取p0.01 ，由Dux0.3424816cm2/hr,弥散度 D/u816/0.342400cm24m p0.012．根据已知 D,u,x, c1和c0值，通过((试)8-7)式计算冲洗时间。以试算法为例： 设冲洗时间为 100 小时； 求：x=100cm处冲洗后的浓度C值 以上述数值代入式((试)8-7)，进行计算（注：在计算中，要求erfc(xut)及2Dterfc(xut)两个余误差函数值，该余误差函数见表((试)8-1) 求得c=3.4g/l，接近3.5g/l2Dt认为试算成功，即冲洗100小时，已达到目的冲洗要求。 2相应的冲洗定额m26.670.340.410090.7m/亩 @: .

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