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柴油污染對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源：太原科技大學環(huán)境科學研究所		點擊數：	更新時間： 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：l007—4929(2015)06—0022—04
柴油污染對土壤水分特征曲線的影響研究
李小飛，李一菲，錢天偉
(太原科技大學環(huán)境科學研究所，太原030024)
摘要：采用壓力膜儀法結合砂箱法測定不同類型石英砂的土壤水分特征曲線，運用RETC軟件擬舍得到土壤
VanGenuchten模型參數，對柴油污染土壤水分特征曲線的變化進行了研究。結果表明，柴油污染會導致土壤潤濕性
發(fā)生明顯改變，斥水性增強，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
質的含量的變化也會對水分特征曲線的變化產生較大的影響。
關鍵詞：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：S152．7 文獻標識碼：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
隨著我國石油工業(yè)的飛速發(fā)展，在開采和運輸過程中，石
油不可避免地會入滲到土壤中，對土壤及地下水造成污染。據
資料統計，當前我國每年有近60萬t石油有機污染物進入環(huán)境
中，約500萬hm2的土壤受到不同程度的污染[1]。柴油是石油
化工中應用較廣泛的一種產品，也是土壤石油污染的主要污染
物之一。柴油成分較為復雜，一旦進入到土壤中能破壞土壤結
構，影響土壤通透性，損害植物根部，阻礙植物根的呼吸與吸
收，最終導致植物死亡-?。柴油污染也會導致土壤與水間的接
觸角增大，表面張力降低，從而使土壤毛細水上升高度減小[3]。
土壤水分特征曲線是研究土壤水分運動、調節(jié)利用土壤
水、進行土壤改良等方面最基本的工具。很多學者注意到石油
類污染土壤對水分特征參數會造成影響[4]，并對污染程度不同
的土壤物理參數進行了研究。但不同質地及不同地區(qū)土壤有
機質含量可能是不相同的，它是一可變因素。有機質對疏水性
油類污染物具有較強的吸附能力[5j，能對受污染土壤的水分特
征曲線產生影響。本文以石英砂為介質，對不同柴油處理條件
下石英砂土壤水分特征曲線進行測定，結合RETC軟件探討柴
油污染對土壤水分特征曲線及相關參數的影響，為研究受石油
產品污染土壤的水分運動和進行土壤改良提供最重要的參數。
1材料與方法
1．1實驗試劑
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
基金項目：國家自然科學基金面上項目(41072265)；山西省科技重大專項計劃(20131101028)；山西省回國留學人員科研資助項目(2013一重點
2)；太原科技大學博士啟動基金(20142042)。
作者簡介：李小飛(1990一)，男，碩士研究生，主要從事土壤水動力學研究。E—mail：xiaofei—tykd@163．corn。
通訊作者：錢天偉(1968一)，男，博士，教授，主要從事土壤水動力學以及土壤和地下水污染修復。E—mail：twqiang@sohu．coin。
萬方數據
柴油污染對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
石化公司提供)、腐植酸(化學純，天津光復精細化工研究所
提供)。
1．2實驗材料及制備
石英砂過篩得到粒徑為0．5～0．9 ITIITI的實驗砂，再通過
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含有機質的石英砂(()-SAND)；⑤含1％經柴油處理
的有機質石英砂(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(或有機質石英砂)加入到杯中，并在加入的過
程巾用玻璃棒不斷地攪拌柴油，使石英砂與柴油充分混合，放
置陰涼處兩周并每天定期進行攪拌。之后再用濾紙過濾掉多
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石英砂進行
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實驗裝置
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，荷蘭)和1500型壓力膜儀(Soil
moisture公司生產，美國)。
1．4實驗方法
1．4．1潤濕性的測定
(1)采用滴水穿透時間法(WDPT)：7’80分別對SAND、O—
SAND、1％D-SAND、5％D—SAND、15％D—SAND、1％DO—SAND
和不同含量(IFS-SAND的潤濕性進行分析。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，測定水滴滲入石英砂所需要的時間，并根據水滴入滲
時間的不同來表示其表面的潤濕程度，時間越長則越難入滲，疏
水性越強，潤濕性也就越差。實驗采用Dekker和Jun培erius類標
準[9“?，將表面斥水性分為5個等級，如表1所示。
表1 wI)PT斥水性分類標準
Tab．1 WDIyr water repellency da鶴incati∞standards
(2)毛細管上升法測定接觸角[11]對SAND、1％1>SAND、O
—SAND、1％DO-SAND和含OTS—SAND的石英砂進行石英砂
潤濕性的分析。用記號筆將長為50 cm，內徑為1 cm的玻璃管
標上刻度，管的一端用玻璃棉封住(記下玻璃棉長度H)，再從
另一端裝人稱重的石英砂樣，敦實到土柱高度基本不變(記下
石英砂的填充高度ho)。設定埋深為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，當管內液面達到埋深時用秒表開始計時，每隔20
S記錄液體卜升的高度h。如圖1所示．
圖1毛細管上升法測定接觸角
n舀1 Measumement device of eontact ar唧e
然后根據其關系作出h2一t，再根據Washburn方程[12．13]
(公式1)計算出接觸角。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為毛細孔
在粉末中不規(guī)則校正因子；r為土柱平均毛細管半徑。實驗一
般用一種對樣品潤濕接觸角0=0。的液體，先求出cr值，然后再
進行相同實驗條件下水對樣品接觸角0的測定，各液體的黏度
數據7／可能過化學手冊查得[14。5I。
1．4．2土壤水分特征曲線的測定
實驗采用壓力膜儀結合砂箱法對各石英砂的土壤水分特
征曲線進行測定[1“，其中低吸力段含水量采用砂箱法測定，高
吸力段的含水量采用壓力膜儀法測定。
(1)砂箱法測定各石英砂低吸力段對應的體積含水率。將
裝好的環(huán)刀土樣放入砂箱中，標記環(huán)刀的位置并調節(jié)水位對試
樣進行24 h的飽和。然后小心取出環(huán)刀，擦干底部的懸掛水
滴進行稱重，計算出各石英砂的飽和含水率。稱重完后再重新
將樣品環(huán)刀按標記的位置依次放入砂箱內，輕壓并蓋上箱蓋。
調節(jié)吸力調整器來設置不同的水吸力，靜置兩天待達到新的平
萬方數據
24 柴油污染對土壤水分特征曲線的影響研究李小飛李一菲錢天偉
衡，再稱重測出新平衡下水吸力對應的含水率。依次施加的水
吸力為1、5、10、15、20、40、60、80、100 cm。
(2)壓力膜儀法測定高吸力段對應的含水率。將環(huán)刀試樣
從砂箱中取出放在飽和過的陶土板上，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。施加一定壓力待達到平衡后，稱量在該吸力下各樣品
的質量以便測定其對應的含水率。依次施加的水吸力為100、
400、1 000、2 000 cm。
2結果與分析
2．1潤濕性的測定結果
通過對比不同含量OTS—SAND與1％D—SAND的滴水人
滲實驗現象可得，lo％OTS-SAND與1％D-SAND的水滴人滲
現象比較相似，兩者的潤濕性較為接近。WDPT實驗中，不同
類型石英砂的斥水性測定結果如表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時均能夠很快人滲，其人滲時間都小
于5 S，無明顯斥水性，表明這些石英砂表面的接觸角小于90。，
因此可用毛細管上升法對其進行接觸角的測定。而當水滴滴
入到15％D-SAND和5％D()一SAND中時，石英砂表現出明顯
的斥水性，5％IK)-SAND已達到強烈斥水等級。由此可知，當
柴油滲入到石英砂中，較低含量的柴油就會引起其潤濕性能發(fā)
生較大的改變，產生明顯的斥水性，該變化在含有機質石英砂
上表現得尤為明顯。
表2 WDPT測定石英砂斥水性
Tab．2、】~，DPr determination of quartz sand water repellency
用毛細管上升法測定接觸角，進一步比較無斥水性石英砂
的潤濕性能。本實驗認為正已烷對任意石英砂具有完全潤濕
性0=O哪]。再根據水對石英砂的h2一￡關系圖，求出其表面接
觸角。SAND、1％D-SAND、10％OTS-SAND、O-SAND、1％IX)
一SAND的接觸角測定結果如表3所示。
表3毛細管上升法測定接觸角
Tab．3 Measurement device of contact angle
毛細管上升法測得接觸角越大，表明其疏水性越強。由表
3可知，1％D—SAND的接觸角為71．820遠大于SAND的
41．170，與10％()T孓SAND 68．480的接觸角較為接近，因此我
們可視其兩者的潤濕性基本相同。對比DSAND與SAND的
接觸角我們可知，含有機質石英砂的疏水性質比普通石英砂要
強，1％IX)-SAND的接觸角約為普通石英砂的兩倍，表明其潤
濕性發(fā)生了明顯改變，疏水性能增強。這與一些文獻中提到的
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
角的結論相一致[3]。
2．2土壤水分特征曲線的測定結果
根據沙箱結合壓力膜儀法測定出不同水吸力對應石英砂
的土壤體積含水量，采用RETC軟件擬合得到Van Genuchten
模型參數[17](表4)，獲得相應的土壤水分特征曲線(圖2)。
Van Genuchten模型擬合函數如公式(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，m一1—1In。
柴油污染影響土壤的水分運動參數。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
均出現了不同程度的降低，經驗擬合參數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，則均出現了增大，鼠增幅較大，而剩余體積含水
表4 Van Genuchten模型參數的擬合值
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
萬方數據
柴油污染對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，柴油
入滲到石英砂會對石英砂的水分特征參數產生較大的影響。
由()-SAND和SAND的水分特征參數可知：有機質的存在能
改變石英砂的水分特征參數，良和0，均相對增大。這與一些文
獻中提到的有機質能改善土壤結構，提高土壤導水及持水能力
的觀點一致u“。對比分析SAND、1％D—SAND和1％DO—
SAND可知：石英砂水分特征參數的改變不僅與柴油污染有
關，還與石英砂中有機質的存在有著密切的關系。1％D-SAND
與1％D()-SAND土壤水分特征參數的不同，可能是由于1％
DO-SAND受有機質和柴油共同作用的結果。
圖2給出的是不同處理條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，潤濕性相
同的1％D-SAND、10％OTSSAND水分特征曲線基本重合，根
據毛細管上升法對接觸角的測量結果，1％D—SAND和10％
()TSSAND這兩種樣品的潤濕性基本相同，說明柴油污染低
含量有機質石英砂造成其水分特征參數的改變主要是由于柴
油人滲改變石英砂的表面潤濕性引起的；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，有機質能增強石英砂的持水能力，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。由此可見柴油污染石英砂使其土壤水分特征曲線在低
吸力段會出現快速出水現象，減弱石英砂的持水能力。
3結語
(1)柴油污染能夠改變土壤的表面潤濕性，較低含量柴油
污染就會造成土壤產生較強的斥水現象，在有機質含量比較高
的土壤中該現象更明顯，土壤的水分特征曲線及特征參數均發(fā)
生較大改變。
(2)在低含量有機質土壤中，柴油污染導致土壤持水能力
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
現了快速出水現象；當土壤有機質含量較高時，柴油污染使得
土壤飽和含水量和剩余含水量增大，同時在低水吸力段相比低
有機質含量土壤出現相對不明顯的快速出水現象，這可能是由
于有機質本身不僅能增強土壤的持水能力，還對疏水性柴油具
有很強的吸附能力，柴油污染土壤的水分特征曲線的變化結果
受土壤有機質含量和土壤中柴油含量的共同作用。
致謝：感謝太原科技大學環(huán)境科學研究所錢天偉老師和李
一菲老師的支持與幫助!
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