郭温凯　李宁　李一菲　钱天伟

摘要：通过室内土柱试验研究土壤润湿性对优先流形成的影响，并采用时间矩方法对试验结果进行拟合，分析润湿性对水分运动的影响。同时，采用保守性的示踪剂曙红Y染色示踪来直观地观察不同润湿性土柱中水分运动的特性，特别是优先流的形成。结果表明：普通石英砂柱中没有形成优先流现象，亲水性石英砂在水分运动的前锋有不明显的优先流存在，而疏水性石英砂土柱中形成典型的优先流现象。

关键词：改性介质；土壤湿润性；穿透曲线；优先流

中图分类号：S152.7 文献标志码：A 文章编号：1002—1302（2016）01—0323—03

优先流是指土壤水沿大孔隙、裂隙、虫穴洞以及作物根系等优先流通道，绕过大部分土壤基质快速通过土壤介质的现象。优先流是一种常见的土壤水分和溶质运移形式，受到包括土壤结构、温度、质地、水分含量等许多因素的影响，其形成原因复杂多样，一种众所周知的简单情形就是多孔介质中孔隙的随机分布导致一些较大的孔隙连在一起而形成优势通道，当水流在重力作用下渗入多孔介质时会倾向于沿着这样的优势通道形成优先流。湿润锋不稳定性也是优先流在土壤中产生的机制之一，由湿润锋的不稳定性引起的优先流通常称为重力驱动的指状流。除了不稳定的引力外，稳定毛细管作用力也对湿润锋形成扰动，结果也影响指流锋的大小和速度。由于在土壤中毛细管作用力取决于其接触角，所以优先流在土壤发展中会受到接触角的影响。然而，受接触角影响的优先流很少被人研究。

润湿是一种表面现象，是指一种流体从固体表面置换成另一种流体的过程。固体表面积不容易改变和表面不均匀，导致物质的润湿性仍很难确定，实际应用中可用接触角来衡量。土壤斥水性是指水分不能或很难湿润土壤颗粒表面的物理现象，具有斥水性的土壤称为斥水土壤，斥水性土壤水分的下渗过程易出现指流（优先流的一种）。土壤斥水性会导致土壤水分不均匀分布，使水中携带的溶质（污染物）更快地进入地下水，加速土壤和地下水污染，同时优先流的形成还会降低土壤持水能力，较快的疏干表层土壤水进而造成提前干旱，加强地表径流和侵蚀，并影响农药、杀虫剂等药效的充分发挥，减少植物对水分和养分的吸收。

本研究通过化学方法对石英砂进行改性，来模拟润湿性不同的土壤，并通过示踪试验和模拟计算研究润湿性对土柱中优先流形成的影响，为进一步研究溶质运移动态及风险评价提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验材料

不同润湿性石英砂的制备：石英砂过125目筛（粒径≤0.02 cm），用去离子水洗净后，放人烘箱中120℃烘干，得到普通石英砂。将处理后石英砂浸于Piranha溶液（98%浓硫酸和30%双氧水按体积比7：3混合而成）中，水浴加热（80℃）至溶液无气泡冒出；取出石英砂用大量去自来水冲洗，直到冲洗水的pH值接近中性为止，再用大量去离子水冲洗，冲洗完后再次放人烘箱中，100℃烘干，即可得到亲水性石英砂；将亲水性石英砂用十八烷基三氯硅烷（OTS，C₁₈H₃₇C₁₃si）浸泡，使它们的表面硅烷化，制成疏水性石英砂。改性石英砂的润湿性可通过滴水穿透时间（WDPT）法、乙醇溶液入渗（MED）法以及毛细上升法进行验证。

经OTS改性后的疏水性石英砂进行WDPT和MED试验，结果显示斥水性等级均为极度斥水。由于WDPT和MED的测定结果无法表征材料亲水性程度，所以对于亲水性的石英砂再用毛细上升法测定接触角，进一步比较石英砂的亲水性。经Piranha溶液浸泡后的石英砂与水的接触角为17.34°，而未经改性的普通石英砂与水的接触角为40.25°，说明酸化后的石英砂的润湿性最强，普通石英砂次之，但两者均为亲水性介质。

1.2试验方法

1.2.1试验步骤 分别用亲水性石英砂、普通石英砂、疏水性石英砂3种石英砂均匀填充6 cm×30 cm有机玻璃试验柱，土柱上下均有进出水孔。采用马氏瓶供去离子水饱和土柱，然后从土柱上端用蠕动泵注入Br-溶液（C_Br=0.17 mmol/L），供液6 h后换去离子水继续供液，土柱底部采用部分收集器对流出液进行收集。

为了更加清晰观察水流在土柱中的运动情况，同时进行了染色试验。分别用亲水性石英砂、普通石英砂、疏水性石英砂3种石英砂均匀填充6 cm×30 cm的有机玻璃试验柱，土柱上下均有进出水孔。采用马氏瓶供去离子水饱和土柱，调节蠕动泵流速达到稳定状态（0.25 mL/s）后，向土柱顶部供浓度为5 g/L的曙红Y示踪剂溶液5 mL，之后换成去离子水继续供液1 h后停止供水。试验结束后将整个土柱剖开，观测示踪剂的运动轨迹。

1.2.2测试方法 根据GB/T 23845—2009《无机化工产品中溴化物测定通用方法》测定流出液中Rr-的浓度。（1）绘制标准曲线。依次使用移液枪精确移取0.01 g/L溴化物标准液1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 mL与0.001 g/L溴化物标准液0、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 mL于25 mL容量瓶中，加入0.5 mL乙酸-乙酸钠缓冲溶液、3滴酚红溶液，摇匀；随后准确加入0.4 mL氯胺T溶液，摇匀；1 min后加入0.4 mL硫代硫酸钠溶液，摇匀；使溶液脱氯，用水稀释至刻度，摇匀，放置5 min，以试剂空白为参比，于590 nm波长处使用1 cm比色皿测定其吸光度。标准曲线以容量瓶中的溴化物含量为横坐标，对应吸光度为纵坐标。（2）测定流出液中Rr-的浓度。使用移液枪精确移取10.0 mL流出液于25 mL容量瓶中，随后加入乙酸-乙酸钠缓冲溶液、酚红溶液、氯胺T溶液和硫代硫酸钠溶液，其加入量与绘制标准曲线溴化物标准液中的投加量一致，然后稀释至刻度线，测定其吸光度。

2结果与分析

2.1 Br-在3种不同润湿性土柱中的穿透曲线

从图1可以看出，疏水性石英砂土柱中溴的穿透速度快于亲水性石英砂土柱、普通石英砂土柱；另外，亲水性石英砂土柱穿透曲线具有不对称性和拖尾特征。

2.2时间矩方法

时间矩方法常用于穿透曲线的浓度分析研究，它属于描述穿透曲线特征的一种统计学方法。时间矩定义如下：

2.3曙红Y示踪试验

为了更好地观察试验柱中水流运动的具体路径，采用曙红Y染色示踪，试验结束后对土柱进行剖分。从图2可以观察到普通石英砂没有形成优先流现象，亲水性石英砂的水流运动速度快于普通石英砂，而且在水分运动的前锋有不明显的优先流存在；在疏水性石英砂中形成典型的优先流现象。

3结论

从时间矩阵法的计算结果来看，疏水性石英砂穿透時间最短，亲水性石英砂的穿透时间最长，疏水性石英砂形成了优先流现象，亲水性石英砂没有形成明显的优先流。结合曙红Y染色示踪的试验结果可以发现，普通石英砂没有形成优先流，亲水性石英砂的水流运动速度快于普通石英砂，而且在水分运动的前锋有不明显的优先流存在，与穿透曲线结果不符，这可能是由于亲水性石英砂柱子中形成了死孔隙，导致一部分水以较快速度流过土柱，同时死孔隙中的溶质又与可动区存在溶质扩散，这种可动与不可动区域间的溶质交换导致穿透曲线的拖尾和不对称；同时，疏水性石英砂形成典型的优先流现象，其柱中水流速相对其他2类石英砂柱也明显更快。