半湿润气候下填海造陆区水盐运移机制研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhaoyu_hit
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沿海地区社会经济的发展受到土地不足的限制,填海造地成为普遍现象。由于受到海水入侵、地下水位波动等影响,土壤盐渍化、地下结构物易腐蚀等一系列生态与环境问题在填海造陆区也逐渐显现。如不及时控制,其危害将日益严重,进而影响着相应地区的可持续发展。中国北方沿海地区的降雨量远小于蒸发量,此类问题更为突出。本文以维护生态环境可持续发展为目标,重点研究填海造陆区的土壤盐分分布与变化。通过广泛对比填海造陆工程的成陆方式和土体结构,明确了人工填土的理化性状和区域分布特征。在对典型填海造陆区水盐状态进行系统检测、模拟和分析的基础上,探索了潜水蒸发和降雨淋洗过程和机制,剖析实际环境中潜水蒸发与地表积盐现象的内在关系,分析了淡水渗透和潜水蒸发共同作用下的水盐运动过程。以半湿润气候下的填海造陆区为对象,系统地进行水盐代谢分析,研究维持良性水盐代谢过程的自然或半自然化保护措施。主要研究内容及结论如下:  (1)针对半湿润气候下的填海造陆工程进行分类调查,对比分析发现填海工程的成陆方式、土壤性状以及土体结构受到地理环境的影响显著。其中,低山丘陵区以抛石填海工程为主,填土类型为压实填土;河口冲积平原以吹沙填海为主,填土类型为吹填土。尽管两者在土体结构方面存在相似性,但其土壤理化性质存在显著差异。吹填土的初始含盐量高且土壤质地粘重,容易形成氯化钠型盐渍土;压实填土的厚度大和下粗上细的“倒漏斗”结构使得抛石填海区下层的连通性较好,对预防地下水引起的土壤盐渍化问题更具有优势。  (2)选择大连市凌水湾填海区作为研究对象,研究半湿润气候下填海造陆区土壤盐渍化的形成机制。通过现场监测和定期取样分析手段,结合环境要素的季节性变化规律,分析土壤盐分的来源和离子迁移的驱动力所在。结果表明,填海初期表层的盐分主要来自上层填土,且受雨水的影响明显。地下水中的盐分在夏末水位抬升时进入潜水蒸发深度内,之后在蒸发作用下上升至地表。地表盐分在降雨径流作用下,汇集于地势低洼处。离子的迁移速率受所带电荷及其化学性质的影响,同时离子迁移也改变着土壤环境。伴随着盐分迁移过程,阳离子的化学反应过程可划分为氧化物阶段、碳酸盐阶段、离子交换阶段、饱和结晶阶段,而阳离子交换是填海初期最主要的离子反应。  (3)针对季节性降雨引起的地下水位间歇性抬升现象,以填海造陆区抬升区的压实填土和种植土为对象,模拟了持续蒸发、稳定渗流以及侧向壤中流遭遇弱透水层等状态下的盐分迁移过程。研究表明,持续蒸发作用下盐分离子将以垂向迁移为主,形成了Ca2+和Na+两大阳离子基团。当地下水位抬升形成稳定的侧向壤中流,湿润锋协同盐锋移动并坦化,盐锋过后土壤含盐量大幅下降。当湿润锋遭遇弱透水层或建筑基础后向上攀升,直至形成与弱透水层渗透系数相适应的稳定渗流面,盐锋向上迁移将加剧表层土壤的盐渍化。  (4)基于土壤水吸力与湿度的关系,提出了潜水蒸发系数的确定方法,明确了潜水蒸发系数与地下水埋深之间的幂函数关系。针对恒定状态下压实填土的积盐过程,设定了不同矿化环境下的土柱蒸发试验方案,并依此建立了积盐速率与累计蒸发量的线性关系。研究表明,矿化度对蒸发量的影响微弱,但对积盐速率的影响明显。前期上层的积盐主要来自于上层填土,类型以CaSO4为主,积盐速率与矿化度的关系不大。下层的积盐类型以NaCl为主,当矿化度为3g/L时土壤盐分达到吸附和释放平衡。当累计蒸发量达到130mm左右,下层盐分突破毛管上升高度进入上层土壤,自上而下形成由CaSO4向NaCl过渡的布局状态。  (5)在不同的淋洗环境下,考察了填土和混合土样中盐分的吸附和释放过程。结果表明,压实填土的渗透系数随时间推移而减小并趋于稳定,掺入一定比例的吹填土后渗透系数将稳定8.33×10-6cm/s至2.50×104cm/s之间。在蒸馏水淋洗下,压实填土的盐分释放速率与渗透系数呈幂函数关系;矿化度增大后转变为线性关系。海水淋洗下,混合土样的盐分吸附速率与渗透速率呈显著的线性关系。淋洗过程中,土壤pH值持续升高,土壤中的Ca2+、Mg2+和SO2-4、HCO-3持续释放,而Na+、K+和Cl-在渗流的矿化度大于1g/L时表现为吸附,反之则释放;在矿化度为3g/L时,土壤盐分整体达到吸附和释放平衡。  (6)在年均降雨量和蒸发量整体下降的趋势下,春季降雨和蒸发量均有所上升,夏季降雨类型趋向于暴雨和大暴雨。因此,半湿润地区将面临着更为严重的土壤盐渍化威胁。雨水是生态建设用水的主要来源,通过推广雨水集蓄措施来促进雨水入渗的形势将更为迫切。根据目前排盐系统的特点来看,覆膜+暗管排碱和PECT技术分别适用于抛石填海区和吹沙填海区。另外,填海造陆区客土资源丰富,提前规划土体结构,综合运用沸石、煤渣或改性底泥等材料,构建长效脱盐机制,引导自然淡化过程来改善填海区土体以及地下水盐环境,将成为经济有效的土壤盐渍化防治措施。  综上所述,半湿润气候是填海造陆区表层土壤盐渍化形成的最主要因素,而地下水位抬升为盐分补给提供了重要渠道。积盐类型前期与填土初始盐分类型一致,后期逐步与地下水盐分类型一致,地势相对低洼或地下存在弱透水层的地区将更容易形成积盐。长序列气象数据表明,未来土壤盐渍化防治形势将更为严峻。
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