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柴油污染对土壤水分特征曲线的影响研究

文档作者：李小飞李一菲钱天伟文档来源：太原科技大学环境科学研究所		点击数：	更新时间： 2025年08月31日
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22 节水灌溉·2015年第6期
文章编号：l007—4929(2015)06—0022—04
柴油污染对土壤水分特征曲线的影响研究
李小飞，李一菲，钱天伟
(太原科技大学环境科学研究所，太原030024)
摘要：采用压力膜仪法结合砂箱法测定不同类型石英砂的土壤水分特征曲线，运用RETC软件拟舍得到土壤
VanGenuchten模型参数，对柴油污染土壤水分特征曲线的变化进行了研究。结果表明，柴油污染会导致土壤润湿性
发生明显改变，斥水性增强，引起土壤水分特征曲线的变化，降低土壤在低水吸力段的持水能力。受污染土壤中有机
质的含量的变化也会对水分特征曲线的变化产生较大的影响。
关键词：柴油；土壤水分特征曲线；压力膜仪法；沙箱法；Van Genuchten模型
中图分类号：S152．7 文献标识码：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
随着我国石油工业的飞速发展，在开采和运输过程中，石
油不可避免地会入渗到土壤中，对土壤及地下水造成污染。据
资料统计，当前我国每年有近60万t石油有机污染物进入环境
中，约500万hm2的土壤受到不同程度的污染[1]。柴油是石油
化工中应用较广泛的一种产品，也是土壤石油污染的主要污染
物之一。柴油成分较为复杂，一旦进入到土壤中能破坏土壤结
构，影响土壤通透性，损害植物根部，阻碍植物根的呼吸与吸
收，最终导致植物死亡-⋯。柴油污染也会导致土壤与水间的接
触角增大，表面张力降低，从而使土壤毛细水上升高度减小[3]。
土壤水分特征曲线是研究土壤水分运动、调节利用土壤
水、进行土壤改良等方面最基本的工具。很多学者注意到石油
类污染土壤对水分特征参数会造成影响[4]，并对污染程度不同
的土壤物理参数进行了研究。但不同质地及不同地区土壤有
机质含量可能是不相同的，它是一可变因素。有机质对疏水性
油类污染物具有较强的吸附能力[5j，能对受污染土壤的水分特
征曲线产生影响。本文以石英砂为介质，对不同柴油处理条件
下石英砂土壤水分特征曲线进行测定，结合RETC软件探讨柴
油污染对土壤水分特征曲线及相关参数的影响，为研究受石油
产品污染土壤的水分运动和进行土壤改良提供最重要的参数。
1材料与方法
1．1实验试剂
十八烷基三氯硅烷(C，。H。，C1。Si，()TS)、正已烷(CeH一分
析纯)、Piranha溶液(98％的浓硫酸(HzS04)和30％双氧水
收稿日期：2014—07—22
基金项目：国家自然科学基金面上项目(41072265)；山西省科技重大专项计划(20131101028)；山西省回国留学人员科研资助项目(2013一重点
2)；太原科技大学博士启动基金(20142042)。
作者简介：李小飞(1990一)，男，硕士研究生，主要从事土壤水动力学研究。E—mail：xiaofei—tykd@163．corn。
通讯作者：钱天伟(1968一)，男，博士，教授，主要从事土壤水动力学以及土壤和地下水污染修复。E—mail：twqiang@sohu．coin。
万方数据
柴油污染对土壤水分特征曲线的影响研究李小飞李一菲钱天伟23
(H：02)按体积比7：3混合而成)、柴油(密度0．83 kg／L，中国
石化公司提供)、腐植酸(化学纯，天津光复精细化工研究所
提供)。
1．2实验材料及制备
石英砂过筛得到粒径为0．5～0．9 ITIITI的实验砂，再通过
不同处理方法得到五种不同种类的石英砂，包括①普通石英砂
(SAND)；②含1％、5％、15％经柴油处理的石英砂(1％D—
SAND、5％D—SAND、15％D—SAND)；③疏水性石英砂(OTS—
SAND)；④含有机质的石英砂(()-SAND)；⑤含1％经柴油处理
的有机质石英砂(1％DO-SAND)。
OTS-SAND的制备¨j：将清洗干净的普通石英砂放入烘
箱中于120 oC烘干，然后用Piranha溶液浸泡，水浴加热至溶液
无气泡冒出后取出。之后用大量的去离子水冲洗石英砂，直到
冲洗水的pH值接近中性为止，再次放入烘箱中，100℃烘干。
再用十八烷基三氯硅烷来使其表面硅烷化，得到疏水性石英砂
()TS-SAND。
()_SAND的制备：按15 g／kg的含量称取一定量烘干后的
普通石英砂和腐植酸于烧杯中混合，再把烧杯口密封，晃动石
英砂直至腐植酸比较均匀地吸附于石英砂表面，烧杯底部基本
无腐植酸粉末为止。
1％D-SAND、5％D-SAND、15％D-SAND和1％DO—SAND
的制备：将一定量的柴油置于1 000 mL烧杯中，再将洗净烘干
后的普通石英砂(或有机质石英砂)加入到杯中，并在加入的过
程巾用玻璃棒不断地搅拌柴油，使石英砂与柴油充分混合，放
置阴凉处两周并每天定期进行搅拌。之后再用滤纸过滤掉多
余的柴油，然后把石英砂斜铺在玻璃板上让其自然挥发一周，
之后再转移到滤纸上再让其自然挥发一周(如果滤纸柴油含量
较多则需更换滤纸)。在此期间用玻璃棒定期地对石英砂进行
疏松，使其表面柴油均匀挥发，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经柴油
处理的石英砂(或O-SAND与13()一SAND)于烧杯中混合摇匀，
最终得到1％D-SAND、5％D—SAND、15％D—SAND和1％DO—
SAND。
1．3实验装置
环刀(d一5 cm，h一1 cm)、玻璃培养皿(d一100 thin，h一30
mm)、玻璃管(d一1 cm，h一50 cm)、电子天平(精确度0．01 g)、
沙箱(Eijkelkamp公司生产，荷兰)和1500型压力膜仪(Soil
moisture公司生产，美国)。
1．4实验方法
1．4．1润湿性的测定
(1)采用滴水穿透时间法(WDPT)：7’80分别对SAND、O—
SAND、1％D-SAND、5％D—SAND、15％D—SAND、1％DO—SAND
和不同含量(IFS-SAND的润湿性进行分析。各取干燥的石英砂
样品80 g，分别放人干净的玻璃培养皿中(直径100 rain，深30
mm)，然后轻轻把石英砂表面抹平，用一滴定管将蒸馏水滴到石
英砂表面，测定水滴渗入石英砂所需要的时间，并根据水滴入渗
时间的不同来表示其表面的润湿程度，时间越长则越难入渗，疏
水性越强，润湿性也就越差。实验采用Dekker和Jun培erius类标
准[9“⋯，将表面斥水性分为5个等级，如表1所示。
表1 wI)PT斥水性分类标准
Tab．1 WDIyr water repellency da鹤incati∞standards
(2)毛细管上升法测定接触角[11]对SAND、1％1>SAND、O
—SAND、1％DO-SAND和含OTS—SAND的石英砂进行石英砂
润湿性的分析。用记号笔将长为50 cm，内径为1 cm的玻璃管
标上刻度，管的一端用玻璃棉封住(记下玻璃棉长度H)，再从
另一端装人称重的石英砂样，敦实到土柱高度基本不变(记下
石英砂的填充高度ho)。设定埋深为5 cm，将90 mL的正已烷
和水分别倒人100 mL的烧杯中。再将装入样品的玻璃管垂直
插入烧杯中，当管内液面达到埋深时用秒表开始计时，每隔20
S记录液体卜升的高度h。如图1所示．
图1毛细管上升法测定接触角
n舀1 Measumement device of eontact ar唧e
然后根据其关系作出h2一t，再根据Washburn方程[12．13]
(公式1)计算出接触角。h2一笪掣￡(1)
Z力
式中：盯为液体表面张力；77为液体黏度；口为接触角；c为毛细孔
在粉末中不规则校正因子；r为土柱平均毛细管半径。实验一
般用一种对样品润湿接触角0=0。的液体，先求出cr值，然后再
进行相同实验条件下水对样品接触角0的测定，各液体的黏度
数据7／可能过化学手册查得[14。5I。
1．4．2土壤水分特征曲线的测定
实验采用压力膜仪结合砂箱法对各石英砂的土壤水分特
征曲线进行测定[1“，其中低吸力段含水量采用砂箱法测定，高
吸力段的含水量采用压力膜仪法测定。
(1)砂箱法测定各石英砂低吸力段对应的体积含水率。将
装好的环刀土样放入砂箱中，标记环刀的位置并调节水位对试
样进行24 h的饱和。然后小心取出环刀，擦干底部的悬挂水
滴进行称重，计算出各石英砂的饱和含水率。称重完后再重新
将样品环刀按标记的位置依次放入砂箱内，轻压并盖上箱盖。
调节吸力调整器来设置不同的水吸力，静置两天待达到新的平
万方数据
24 柴油污染对土壤水分特征曲线的影响研究李小飞李一菲钱天伟
衡，再称重测出新平衡下水吸力对应的含水率。依次施加的水
吸力为1、5、10、15、20、40、60、80、100 cm。
(2)压力膜仪法测定高吸力段对应的含水率。将环刀试样
从砂箱中取出放在饱和过的陶土板上，并使环刀与陶土板充分
接触。然后合上压力膜仪顶盖并上紧螺丝，确保压力膜仪密封
不漏气。施加一定压力待达到平衡后，称量在该吸力下各样品
的质量以便测定其对应的含水率。依次施加的水吸力为100、
400、1 000、2 000 cm。
2结果与分析
2．1润湿性的测定结果
通过对比不同含量OTS—SAND与1％D—SAND的滴水人
渗实验现象可得，lo％OTS-SAND与1％D-SAND的水滴人渗
现象比较相似，两者的润湿性较为接近。WDPT实验中，不同
类型石英砂的斥水性测定结果如表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时均能够很快人渗，其人渗时间都小
于5 S，无明显斥水性，表明这些石英砂表面的接触角小于90。，
因此可用毛细管上升法对其进行接触角的测定。而当水滴滴
入到15％D-SAND和5％D()一SAND中时，石英砂表现出明显
的斥水性，5％IK)-SAND已达到强烈斥水等级。由此可知，当
柴油渗入到石英砂中，较低含量的柴油就会引起其润湿性能发
生较大的改变，产生明显的斥水性，该变化在含有机质石英砂
上表现得尤为明显。
表2 WDPT测定石英砂斥水性
Tab．2、】~，DPr determination of quartz sand water repellency
用毛细管上升法测定接触角，进一步比较无斥水性石英砂
的润湿性能。本实验认为正已烷对任意石英砂具有完全润湿
性0=O哪]。再根据水对石英砂的h2一￡关系图，求出其表面接
触角。SAND、1％D-SAND、10％OTS-SAND、O-SAND、1％IX)
一SAND的接触角测定结果如表3所示。
表3毛细管上升法测定接触角
Tab．3 Measurement device of contact angle
毛细管上升法测得接触角越大，表明其疏水性越强。由表
3可知，1％D—SAND的接触角为71．820远大于SAND的
41．170，与10％()T孓SAND 68．480的接触角较为接近，因此我
们可视其两者的润湿性基本相同。对比DSAND与SAND的
接触角我们可知，含有机质石英砂的疏水性质比普通石英砂要
强，1％IX)-SAND的接触角约为普通石英砂的两倍，表明其润
湿性发生了明显改变，疏水性能增强。这与一些文献中提到的
疏水性石油污染物能极大的减弱土壤表面张力，增大土壤接触
角的结论相一致[3]。
2．2土壤水分特征曲线的测定结果
根据沙箱结合压力膜仪法测定出不同水吸力对应石英砂
的土壤体积含水量，采用RETC软件拟合得到Van Genuchten
模型参数[17](表4)，获得相应的土壤水分特征曲线(图2)。
Van Genuchten模型拟合函数如公式(2)。臼一研+丽糯(2)
式中：0为体积含水率；研为残留含水量；良为饱和含水量；h为
水吸力，cm；0r、鼠、口、行为拟合参数，m一1—1In。
柴油污染影响土壤的水分运动参数。由表2可知，1％D—
SAND的饱和体积含水率酿和剩余体积含水率0，相比SAND
均出现了不同程度的降低，经验拟合参数12'和行也发生了改
变；1％DDsAND相比()-SAND的饱和体积含水率良和剩余
体积含水-90，则均出现了增大，鼠增幅较大，而剩余体积含水
表4 Van Genuchten模型参数的拟合值
Tab．4 Parametric fitting of the Van Genuchtetts equation
。。篇
郅嚣
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)
图2石英砂的土壤水分特征曲线
Fig．2 soil¨,ater characteristic curve of quartz sands
万方数据
柴油污染对土壤水分特征曲线的影响研究李小飞李一菲钱天伟25
率研却只有微小的增加，a和行也发生了改变，由此可见，柴油
入渗到石英砂会对石英砂的水分特征参数产生较大的影响。
由()-SAND和SAND的水分特征参数可知：有机质的存在能
改变石英砂的水分特征参数，良和0，均相对增大。这与一些文
献中提到的有机质能改善土壤结构，提高土壤导水及持水能力
的观点一致u“。对比分析SAND、1％D—SAND和1％DO—
SAND可知：石英砂水分特征参数的改变不仅与柴油污染有
关，还与石英砂中有机质的存在有着密切的关系。1％D-SAND
与1％D()-SAND土壤水分特征参数的不同，可能是由于1％
DO-SAND受有机质和柴油共同作用的结果。
图2给出的是不同处理条件下石英砂的土壤水分特征
Van Genuchten模型拟合曲线。从图2(a)可以看出，润湿性相
同的1％D-SAND、10％OTSSAND水分特征曲线基本重合，根
据毛细管上升法对接触角的测量结果，1％D—SAND和10％
()TSSAND这两种样品的润湿性基本相同，说明柴油污染低
含量有机质石英砂造成其水分特征参数的改变主要是由于柴
油人渗改变石英砂的表面润湿性引起的；1％D—SAND在低水
吸力段(<10 cm)含水量的下降速率明显的快于SAND。从图
2(b)可知，有机质能增强石英砂的持水能力，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。由此可见柴油污染石英砂使其土壤水分特征曲线在低
吸力段会出现快速出水现象，减弱石英砂的持水能力。
3结语
(1)柴油污染能够改变土壤的表面润湿性，较低含量柴油
污染就会造成土壤产生较强的斥水现象，在有机质含量比较高
的土壤中该现象更明显，土壤的水分特征曲线及特征参数均发
生较大改变。
(2)在低含量有机质土壤中，柴油污染导致土壤持水能力
下降，土壤饱和含水量和剩余含水量均降低，在低水吸力段出
现了快速出水现象；当土壤有机质含量较高时，柴油污染使得
土壤饱和含水量和剩余含水量增大，同时在低水吸力段相比低
有机质含量土壤出现相对不明显的快速出水现象，这可能是由
于有机质本身不仅能增强土壤的持水能力，还对疏水性柴油具
有很强的吸附能力，柴油污染土壤的水分特征曲线的变化结果
受土壤有机质含量和土壤中柴油含量的共同作用。
致谢：感谢太原科技大学环境科学研究所钱天伟老师和李
一菲老师的支持与帮助!
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