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柴油污染對(duì)土壤水分特征曲線的影響研究

文檔作者：李小飛李一菲錢天偉文檔來(lái)源：太原科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年08月31日
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22 節(jié)水灌溉·2015年第6期
文章編號(hào)：l007—4929(2015)06—0022—04
柴油污染對(duì)土壤水分特征曲線的影響研究
李小飛，李一菲，錢天偉
(太原科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所，太原030024)
摘要：采用壓力膜儀法結(jié)合砂箱法測(cè)定不同類型石英砂的土壤水分特征曲線，運(yùn)用RETC軟件擬舍得到土壤
VanGenuchten模型參數(shù)，對(duì)柴油污染土壤水分特征曲線的變化進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，柴油污染會(huì)導(dǎo)致土壤潤(rùn)濕性
發(fā)生明顯改變，斥水性增強(qiáng)，引起土壤水分特征曲線的變化，降低土壤在低水吸力段的持水能力。受污染土壤中有機(jī)
質(zhì)的含量的變化也會(huì)對(duì)水分特征曲線的變化產(chǎn)生較大的影響。
關(guān)鍵詞：柴油；土壤水分特征曲線；壓力膜儀法；沙箱法；Van Genuchten模型
中圖分類號(hào)：S152．7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Effect of Diesel Contaminated on Soil Water Characteristic Curve
LI Xiao-fei，LI Yi—fei，OIAN Tian—wei
(Institute of Environmental Science，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024)
Abstract：In order to explore the effect of diesel contaminated on soil water characteristic curve，a series of soil water contents of
quartz sands were measured by pressure chamber method and sand box method．The Van Genuchten model was fitted to soil water
retention data using RETC．The results showed that diesel contaminated soil would lead to the marked change of soil wettability and
the increase of water repellency，and cause changes in soil water characteristic curve and reduce the water holding capacity ability of
the soil at 10W water suction．Contaminated soil organic matter content also has a great effect on the change of soil water characteris—
tic curve．
Key words：diesel；soil water characteristic curve；pressure chamber；sand box；Van Genuchten model
隨著我國(guó)石油工業(yè)的飛速發(fā)展，在開(kāi)采和運(yùn)輸過(guò)程中，石
油不可避免地會(huì)入滲到土壤中，對(duì)土壤及地下水造成污染。據(jù)
資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前我國(guó)每年有近60萬(wàn)t石油有機(jī)污染物進(jìn)入環(huán)境
中，約500萬(wàn)hm2的土壤受到不同程度的污染[1]。柴油是石油
化工中應(yīng)用較廣泛的一種產(chǎn)品，也是土壤石油污染的主要污染
物之一。柴油成分較為復(fù)雜，一旦進(jìn)入到土壤中能破壞土壤結(jié)
構(gòu)，影響土壤通透性，損害植物根部，阻礙植物根的呼吸與吸
收，最終導(dǎo)致植物死亡-?。柴油污染也會(huì)導(dǎo)致土壤與水間的接
觸角增大，表面張力降低，從而使土壤毛細(xì)水上升高度減小[3]。
土壤水分特征曲線是研究土壤水分運(yùn)動(dòng)、調(diào)節(jié)利用土壤
水、進(jìn)行土壤改良等方面最基本的工具。很多學(xué)者注意到石油
類污染土壤對(duì)水分特征參數(shù)會(huì)造成影響[4]，并對(duì)污染程度不同
的土壤物理參數(shù)進(jìn)行了研究。但不同質(zhì)地及不同地區(qū)土壤有
機(jī)質(zhì)含量可能是不相同的，它是一可變因素。有機(jī)質(zhì)對(duì)疏水性
油類污染物具有較強(qiáng)的吸附能力[5j，能對(duì)受污染土壤的水分特
征曲線產(chǎn)生影響。本文以石英砂為介質(zhì)，對(duì)不同柴油處理?xiàng)l件
下石英砂土壤水分特征曲線進(jìn)行測(cè)定，結(jié)合RETC軟件探討柴
油污染對(duì)土壤水分特征曲線及相關(guān)參數(shù)的影響，為研究受石油
產(chǎn)品污染土壤的水分運(yùn)動(dòng)和進(jìn)行土壤改良提供最重要的參數(shù)。
1材料與方法
1．1實(shí)驗(yàn)試劑
十八烷基三氯硅烷(C，。H。，C1。Si，()TS)、正已烷(CeH一分
析純)、Piranha溶液(98％的濃硫酸(HzS04)和30％雙氧水
收稿日期：2014—07—22
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41072265)；山西省科技重大專項(xiàng)計(jì)劃(20131101028)；山西省回國(guó)留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目(2013一重點(diǎn)
2)；太原科技大學(xué)博士啟動(dòng)基金(20142042)。
作者簡(jiǎn)介：李小飛(1990一)，男，碩士研究生，主要從事土壤水動(dòng)力學(xué)研究。E—mail：xiaofei—tykd@163．corn。
通訊作者：錢天偉(1968一)，男，博士，教授，主要從事土壤水動(dòng)力學(xué)以及土壤和地下水污染修復(fù)。E—mail：twqiang@sohu．coin。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
柴油污染對(duì)土壤水分特征曲線的影響研究李小飛李一菲錢天偉23
(H：02)按體積比7：3混合而成)、柴油(密度0．83 kg／L，中國(guó)
石化公司提供)、腐植酸(化學(xué)純，天津光復(fù)精細(xì)化工研究所
提供)。
1．2實(shí)驗(yàn)材料及制備
石英砂過(guò)篩得到粒徑為0．5～0．9 ITIITI的實(shí)驗(yàn)砂，再通過(guò)
不同處理方法得到五種不同種類的石英砂，包括①普通石英砂
(SAND)；②含1％、5％、15％經(jīng)柴油處理的石英砂(1％D—
SAND、5％D—SAND、15％D—SAND)；③疏水性石英砂(OTS—
SAND)；④含有機(jī)質(zhì)的石英砂(()-SAND)；⑤含1％經(jīng)柴油處理
的有機(jī)質(zhì)石英砂(1％DO-SAND)。
OTS-SAND的制備¨j：將清洗干凈的普通石英砂放入烘
箱中于120 oC烘干，然后用Piranha溶液浸泡，水浴加熱至溶液
無(wú)氣泡冒出后取出。之后用大量的去離子水沖洗石英砂，直到
沖洗水的pH值接近中性為止，再次放入烘箱中，100℃烘干。
再用十八烷基三氯硅烷來(lái)使其表面硅烷化，得到疏水性石英砂
()TS-SAND。
()_SAND的制備：按15 g／kg的含量稱取一定量烘干后的
普通石英砂和腐植酸于燒杯中混合，再把燒杯口密封，晃動(dòng)石
英砂直至腐植酸比較均勻地吸附于石英砂表面，燒杯底部基本
無(wú)腐植酸粉末為止。
1％D-SAND、5％D-SAND、15％D-SAND和1％DO—SAND
的制備：將一定量的柴油置于1 000 mL燒杯中，再將洗凈烘干
后的普通石英砂(或有機(jī)質(zhì)石英砂)加入到杯中，并在加入的過(guò)
程巾用玻璃棒不斷地?cái)嚢璨裼停故⑸芭c柴油充分混合，放
置陰涼處兩周并每天定期進(jìn)行攪拌。之后再用濾紙過(guò)濾掉多
余的柴油，然后把石英砂斜鋪在玻璃板上讓其自然揮發(fā)一周，
之后再轉(zhuǎn)移到濾紙上再讓其自然揮發(fā)一周(如果濾紙柴油含量
較多則需更換濾紙)。在此期間用玻璃棒定期地對(duì)石英砂進(jìn)行
疏松，使其表面柴油均勻揮發(fā)，制得D—SAND(或DO—SAND)。
然后再按99：1等的比例量取一定量的普通石英砂和經(jīng)柴油
處理的石英砂(或O-SAND與13()一SAND)于燒杯中混合搖勻，
最終得到1％D-SAND、5％D—SAND、15％D—SAND和1％DO—
SAND。
1．3實(shí)驗(yàn)裝置
環(huán)刀(d一5 cm，h一1 cm)、玻璃培養(yǎng)皿(d一100 thin，h一30
mm)、玻璃管(d一1 cm，h一50 cm)、電子天平(精確度0．01 g)、
沙箱(Eijkelkamp公司生產(chǎn)，荷蘭)和1500型壓力膜儀(Soil
moisture公司生產(chǎn)，美國(guó))。
1．4實(shí)驗(yàn)方法
1．4．1潤(rùn)濕性的測(cè)定
(1)采用滴水穿透時(shí)間法(WDPT)：7’80分別對(duì)SAND、O—
SAND、1％D-SAND、5％D—SAND、15％D—SAND、1％DO—SAND
和不同含量(IFS-SAND的潤(rùn)濕性進(jìn)行分析。各取干燥的石英砂
樣品80 g，分別放人干凈的玻璃培養(yǎng)皿中(直徑100 rain，深30
mm)，然后輕輕把石英砂表面抹平，用一滴定管將蒸餾水滴到石
英砂表面，測(cè)定水滴滲入石英砂所需要的時(shí)間，并根據(jù)水滴入滲
時(shí)間的不同來(lái)表示其表面的潤(rùn)濕程度，時(shí)間越長(zhǎng)則越難入滲，疏
水性越強(qiáng)，潤(rùn)濕性也就越差。實(shí)驗(yàn)采用Dekker和Jun培erius類標(biāo)
準(zhǔn)[9“?，將表面斥水性分為5個(gè)等級(jí)，如表1所示。
表1 wI)PT斥水性分類標(biāo)準(zhǔn)
Tab．1 WDIyr water repellency da鶴incati∞standards
(2)毛細(xì)管上升法測(cè)定接觸角[11]對(duì)SAND、1％1>SAND、O
—SAND、1％DO-SAND和含OTS—SAND的石英砂進(jìn)行石英砂
潤(rùn)濕性的分析。用記號(hào)筆將長(zhǎng)為50 cm，內(nèi)徑為1 cm的玻璃管
標(biāo)上刻度，管的一端用玻璃棉封住(記下玻璃棉長(zhǎng)度H)，再?gòu)?
另一端裝人稱重的石英砂樣，敦實(shí)到土柱高度基本不變(記下
石英砂的填充高度ho)。設(shè)定埋深為5 cm，將90 mL的正已烷
和水分別倒人100 mL的燒杯中。再將裝入樣品的玻璃管垂直
插入燒杯中，當(dāng)管內(nèi)液面達(dá)到埋深時(shí)用秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)，每隔20
S記錄液體卜升的高度h。如圖1所示．
圖1毛細(xì)管上升法測(cè)定接觸角
n舀1 Measumement device of eontact ar唧e
然后根據(jù)其關(guān)系作出h2一t，再根據(jù)Washburn方程[12．13]
(公式1)計(jì)算出接觸角。h2一笪掣￡(1)
Z力
式中：盯為液體表面張力；77為液體黏度；口為接觸角；c為毛細(xì)孔
在粉末中不規(guī)則校正因子；r為土柱平均毛細(xì)管半徑。實(shí)驗(yàn)一
般用一種對(duì)樣品潤(rùn)濕接觸角0=0。的液體，先求出cr值，然后再
進(jìn)行相同實(shí)驗(yàn)條件下水對(duì)樣品接觸角0的測(cè)定，各液體的黏度
數(shù)據(jù)7／可能過(guò)化學(xué)手冊(cè)查得[14。5I。
1．4．2土壤水分特征曲線的測(cè)定
實(shí)驗(yàn)采用壓力膜儀結(jié)合砂箱法對(duì)各石英砂的土壤水分特
征曲線進(jìn)行測(cè)定[1“，其中低吸力段含水量采用砂箱法測(cè)定，高
吸力段的含水量采用壓力膜儀法測(cè)定。
(1)砂箱法測(cè)定各石英砂低吸力段對(duì)應(yīng)的體積含水率。將
裝好的環(huán)刀土樣放入砂箱中，標(biāo)記環(huán)刀的位置并調(diào)節(jié)水位對(duì)試
樣進(jìn)行24 h的飽和。然后小心取出環(huán)刀，擦干底部的懸掛水
滴進(jìn)行稱重，計(jì)算出各石英砂的飽和含水率。稱重完后再重新
將樣品環(huán)刀按標(biāo)記的位置依次放入砂箱內(nèi)，輕壓并蓋上箱蓋。
調(diào)節(jié)吸力調(diào)整器來(lái)設(shè)置不同的水吸力，靜置兩天待達(dá)到新的平
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
24 柴油污染對(duì)土壤水分特征曲線的影響研究李小飛李一菲錢天偉
衡，再稱重測(cè)出新平衡下水吸力對(duì)應(yīng)的含水率。依次施加的水
吸力為1、5、10、15、20、40、60、80、100 cm。
(2)壓力膜儀法測(cè)定高吸力段對(duì)應(yīng)的含水率。將環(huán)刀試樣
從砂箱中取出放在飽和過(guò)的陶土板上，并使環(huán)刀與陶土板充分
接觸。然后合上壓力膜儀頂蓋并上緊螺絲，確保壓力膜儀密封
不漏氣。施加一定壓力待達(dá)到平衡后，稱量在該吸力下各樣品
的質(zhì)量以便測(cè)定其對(duì)應(yīng)的含水率。依次施加的水吸力為100、
400、1 000、2 000 cm。
2結(jié)果與分析
2．1潤(rùn)濕性的測(cè)定結(jié)果
通過(guò)對(duì)比不同含量OTS—SAND與1％D—SAND的滴水人
滲實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可得，lo％OTS-SAND與1％D-SAND的水滴人滲
現(xiàn)象比較相似，兩者的潤(rùn)濕性較為接近。WDPT實(shí)驗(yàn)中，不同
類型石英砂的斥水性測(cè)定結(jié)果如表2所示。由表2可知，水滴
滴人SAND、10％()TS—SAND、1％D—SAND、5％D—SAND、()一
SAND和1％DO-SAND時(shí)均能夠很快人滲，其人滲時(shí)間都小
于5 S，無(wú)明顯斥水性，表明這些石英砂表面的接觸角小于90。，
因此可用毛細(xì)管上升法對(duì)其進(jìn)行接觸角的測(cè)定。而當(dāng)水滴滴
入到15％D-SAND和5％D()一SAND中時(shí)，石英砂表現(xiàn)出明顯
的斥水性，5％IK)-SAND已達(dá)到強(qiáng)烈斥水等級(jí)。由此可知，當(dāng)
柴油滲入到石英砂中，較低含量的柴油就會(huì)引起其潤(rùn)濕性能發(fā)
生較大的改變，產(chǎn)生明顯的斥水性，該變化在含有機(jī)質(zhì)石英砂
上表現(xiàn)得尤為明顯。
表2 WDPT測(cè)定石英砂斥水性
Tab．2、】~，DPr determination of quartz sand water repellency
用毛細(xì)管上升法測(cè)定接觸角，進(jìn)一步比較無(wú)斥水性石英砂
的潤(rùn)濕性能。本實(shí)驗(yàn)認(rèn)為正已烷對(duì)任意石英砂具有完全潤(rùn)濕
性0=O哪]。再根據(jù)水對(duì)石英砂的h2一￡關(guān)系圖，求出其表面接
觸角。SAND、1％D-SAND、10％OTS-SAND、O-SAND、1％IX)
一SAND的接觸角測(cè)定結(jié)果如表3所示。
表3毛細(xì)管上升法測(cè)定接觸角
Tab．3 Measurement device of contact angle
毛細(xì)管上升法測(cè)得接觸角越大，表明其疏水性越強(qiáng)。由表
3可知，1％D—SAND的接觸角為71．820遠(yuǎn)大于SAND的
41．170，與10％()T孓SAND 68．480的接觸角較為接近，因此我
們可視其兩者的潤(rùn)濕性基本相同。對(duì)比DSAND與SAND的
接觸角我們可知，含有機(jī)質(zhì)石英砂的疏水性質(zhì)比普通石英砂要
強(qiáng)，1％IX)-SAND的接觸角約為普通石英砂的兩倍，表明其潤(rùn)
濕性發(fā)生了明顯改變，疏水性能增強(qiáng)。這與一些文獻(xiàn)中提到的
疏水性石油污染物能極大的減弱土壤表面張力，增大土壤接觸
角的結(jié)論相一致[3]。
2．2土壤水分特征曲線的測(cè)定結(jié)果
根據(jù)沙箱結(jié)合壓力膜儀法測(cè)定出不同水吸力對(duì)應(yīng)石英砂
的土壤體積含水量，采用RETC軟件擬合得到Van Genuchten
模型參數(shù)[17](表4)，獲得相應(yīng)的土壤水分特征曲線(圖2)。
Van Genuchten模型擬合函數(shù)如公式(2)。臼一研+麗糯(2)
式中：0為體積含水率；研為殘留含水量；良為飽和含水量；h為
水吸力，cm；0r、鼠、口、行為擬合參數(shù)，m一1—1In。
柴油污染影響土壤的水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)。由表2可知，1％D—
SAND的飽和體積含水率釀和剩余體積含水率0，相比SAND
均出現(xiàn)了不同程度的降低，經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)12'和行也發(fā)生了改
變；1％DDsAND相比()-SAND的飽和體積含水率良和剩余
體積含水-90，則均出現(xiàn)了增大，鼠增幅較大，而剩余體積含水
表4 Van Genuchten模型參數(shù)的擬合值
Tab．4 Parametric fitting of the Van Genuchtetts equation
。。篇
郅囂
妊黑
fl 5
水吸力h／crn
al SAN【)、1％I)一SAND、10％(
1I) 100 l(JI J()
水吸力^一cm
hl SAND、0。SAND、l‘％【)0．SANt)
圖2石英砂的土壤水分特征曲線
Fig．2 soil¨,ater characteristic curve of quartz sands
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
柴油污染對(duì)土壤水分特征曲線的影響研究李小飛李一菲錢天偉25
率研卻只有微小的增加，a和行也發(fā)生了改變，由此可見(jiàn)，柴油
入滲到石英砂會(huì)對(duì)石英砂的水分特征參數(shù)產(chǎn)生較大的影響。
由()-SAND和SAND的水分特征參數(shù)可知：有機(jī)質(zhì)的存在能
改變石英砂的水分特征參數(shù)，良和0，均相對(duì)增大。這與一些文
獻(xiàn)中提到的有機(jī)質(zhì)能改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤導(dǎo)水及持水能力
的觀點(diǎn)一致u“。對(duì)比分析SAND、1％D—SAND和1％DO—
SAND可知：石英砂水分特征參數(shù)的改變不僅與柴油污染有
關(guān)，還與石英砂中有機(jī)質(zhì)的存在有著密切的關(guān)系。1％D-SAND
與1％D()-SAND土壤水分特征參數(shù)的不同，可能是由于1％
DO-SAND受有機(jī)質(zhì)和柴油共同作用的結(jié)果。
圖2給出的是不同處理?xiàng)l件下石英砂的土壤水分特征
Van Genuchten模型擬合曲線。從圖2(a)可以看出，潤(rùn)濕性相
同的1％D-SAND、10％OTSSAND水分特征曲線基本重合，根
據(jù)毛細(xì)管上升法對(duì)接觸角的測(cè)量結(jié)果，1％D—SAND和10％
()TSSAND這兩種樣品的潤(rùn)濕性基本相同，說(shuō)明柴油污染低
含量有機(jī)質(zhì)石英砂造成其水分特征參數(shù)的改變主要是由于柴
油人滲改變石英砂的表面潤(rùn)濕性引起的；1％D—SAND在低水
吸力段(<10 cm)含水量的下降速率明顯的快于SAND。從圖
2(b)可知，有機(jī)質(zhì)能增強(qiáng)石英砂的持水能力，1％DO—SAND在
低水吸力段(<10 cm)土壤含水量的下降速率快于1％DO—
SAND。由此可見(jiàn)柴油污染石英砂使其土壤水分特征曲線在低
吸力段會(huì)出現(xiàn)快速出水現(xiàn)象，減弱石英砂的持水能力。
3結(jié)語(yǔ)
(1)柴油污染能夠改變土壤的表面潤(rùn)濕性，較低含量柴油
污染就會(huì)造成土壤產(chǎn)生較強(qiáng)的斥水現(xiàn)象，在有機(jī)質(zhì)含量比較高
的土壤中該現(xiàn)象更明顯，土壤的水分特征曲線及特征參數(shù)均發(fā)
生較大改變。
(2)在低含量有機(jī)質(zhì)土壤中，柴油污染導(dǎo)致土壤持水能力
下降，土壤飽和含水量和剩余含水量均降低，在低水吸力段出
現(xiàn)了快速出水現(xiàn)象；當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量較高時(shí)，柴油污染使得
土壤飽和含水量和剩余含水量增大，同時(shí)在低水吸力段相比低
有機(jī)質(zhì)含量土壤出現(xiàn)相對(duì)不明顯的快速出水現(xiàn)象，這可能是由
于有機(jī)質(zhì)本身不僅能增強(qiáng)土壤的持水能力，還對(duì)疏水性柴油具
有很強(qiáng)的吸附能力，柴油污染土壤的水分特征曲線的變化結(jié)果
受土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤中柴油含量的共同作用。
致謝：感謝太原科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所錢天偉老師和李
一菲老師的支持與幫助!
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