（农业水土工程专业论文）不同土壤冻结过程中水分、盐分迁移规律的研究.pdf

独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 时间：年月日 时间： z 觑，f 年月f 2 日 关于论文知识产权和使用授权的说明 本论文的知识产权为沈阳农业大学所有。本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使 用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可 以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的内容。 学位论文中的所有内容不经沈阳农业大学授权不得以任何方式擅自对外发表。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：王硷隆 i t , j n ：年月 e t 导师签名：艺乙 时间：2 抑f 年f 月，2 日 摘要 不同土壤冻结过程中水分、盐分迁移规律的研究摘要 研究生：王璐璐导师：陈晓飞教授 土壤在冻融过程中水、热、溶质迁移规律的研究，是土木工程的冻害防治、水土环 境保护、陆地水循环、土壤次生盐渍化防治等领域的重要基础内容。到目前为止，该领 域的研究仍然很不充分。本研究通过室内试验对沈阳和康平地区四种不回质地的土壤冻 结过程中的水分、盐分的迁移规律以及冻融特征曲线进行了研究 结果表明：土壤中的盐分对土壤的冻融特征曲线有影响，盐分种类不同其影响程度 不同。本研究采用的五种盐分溶液中，硫酸铵、磷酸二氢钾、氯化钾的混合溶液对土壤 冻融特征曲线影响最大，其次为硝酸钙溶液，五氧化二磷溶液对其影响最小。当盐分相 同时，土壤质地不同其冻融特征曲线亦不同。在任意负温下，加入任一盐分溶液的潮棕 壤表层土、潮棕壤下层土和康平表层土的冻融过程中的未冻水含量明显高于康平下层土 的未冻水含量。土壤质地不同、所含盐分不同都将导致水分迁移量与冻胀量的差异潮 棕壤表层、下层土在冻结过程中的水分迁移量大于康平表层、下层土，这是由于土质不 同所致。冻结过程中土壤中的c l 幂ls 0 2 - 随着水分的迁移面发生迁移，其迁移的趋势与 水分迁移趋势大致相同，都是从暖端向冷端迁移。但由于土壤冻结过程中，水分的冻结、 盐溶液的浓缩诱发了离子的扩散机制，使土壤中的可溶性离子在冻结后的重新分布与水 分的重新分布之间存在差异。 关键词：冻融特征曲线，水分迁移，冻胀量，盐分迁移 英文摘要 s t u d y o nt h et r a n s p o r tr e g u l a r i t yo f w a t e ra n ds a l t si nd i f f e r e n t s o i l sd u r i n gf r e e z i n g a b s t r a c t c a n d i d a t e ：w a n g l u l u s u p e r v i s o r ：p r o f c h e r tx i a o f e i s t u d yo i lt h et r a n s p o r tr e g u l a r i t yo f w a t e ra n ds a l t si ns o i l sd u r i n gf r e e z i n ga n dt h a w i n g i sv e r yi m p o r t a n tb a s i cc o n t e n ti np r e v e n t i n ga n dc u r i n gc i v i le n g i n e e r i n gf r o mf r e e z ei n j u r y , t h ep r o t e c t i o no fs o i la n dw a t e re n v i r o n m e n t , l a y d r a u l i ec y c l eo fl a n da n dt h ep r e v e n t i o na n d c u r eo fs e c o n d a r ys a l i n i z a t i o no ra l k a l i n i z e a t i o no f s o i l ，e t c u pt ot h ep r e s e n t , s t a n d yo nt h i s f i e l di ss t i l ln o te n o u g hy e t t h i ss t u d yi st or e s e a r c hi n t ot h et r a n s p o r tr e g u l a r i t yo f w a t e ra n d s a l t si nd i f f e r e n ts o i l sd u r i n gf r e e z i n g , a n dt l a ef r e e z ea n dt h a w ec h a r a e t e r i s t i ec l l l v e so ff o u r t y p e so f s o i l sw i t hd i f f e r e n tt e x t u r ei ns h e n y a n ga n dk a n g p i n g , t h r o u g hi n d o o re x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a t s a l ti nt h es o i la f f e c to nt h ef r e e z i n ga n dt h a w i n gc h a r a c t e r i s t i c c l t n - v e $ o fs o i l ，d i f f e r e n ts a l t sl e a dt od i f f e r e n te f f e c t a m o n gf i v ek i n d so fd i f f e r e n ts o l u t i o n u s e di nt h i ss t u d y , t h ei n f l u e n c eo ft h es o l u d o nm i x e dw i t h 删h 班s 0 4a n dk h 2 p 0 3a n dk c i o nt h ef r e e z i n ga n dt h a w i n gc h a r a c t e r i s t i cc u i v c si st h el a r g e s t , t h en e x ti st h es o l u t i o no f c a ( n 0 3 ) 2 ，a n dt h es o l u t i o no fp 2 0 5i st h es m a l l e s t w h e ns o i lw a sm i x e dw i t ht h es a m l e s o l u t i o n , t h ed i f f e r e n c e so ft h et e x t u r el e a dt od i f f e r e n c e so ft h ef r e e z i n ga n dt h a w i n g c h a r a c t e r i s t i cc u r v e s t h eu n f r o t _ 觉nw l l t 盯c o n t e n to f t l a el o w e rl a y e rs o i lo f k a n g p i n ga r cl o w e r t h a nt h es l l l f a c ea n dl o w e rl a y e ro f f l u v o - a q u i eb r o w ns o i la n dt h es l l l f a c el a y e ro f t h es o i lo f k a n 卯i n gm i x e dw i t hd i f f e r e n ts a l t s 1 kd i f f e r e n c e so ft h et e x t u r ea n ds a l to fs o i ll e a dt o d i f f e r e n c e so f t h ea m o u n to f t h er e m o v c m e n to f w a t e ra n df r o s th e a v eo fs o i l 孔ea m o u n to f t r a n s p o r t e dw l i i 盯i nt h es u r f a c ea n dl o w e rl a y e ro ff l u v o - a q u i eb r o w ns o i ld u r i n gf r e e z i n ga l a r g e rt h a nt h es u r f a c ea n dl o w e rl a y e ro fk a n g p i n g ，t h i si sm a i n l yc a u s e db yt h ed i f f e r e n c eo f t e x t u r e mr e m o v i n gt r e n do f c i a n ds 0 4 2 。i ns o i li ss i m i l a rt ot h es o i lw a t e rd u r i n gf i e e z i n g , i e f r o mw a r ms i d et oc o l ds i d e b u tt h e r ee x i s td i 伍黜嚣b e t w e e nt h er e d i s t r i b u t i o mo f t h e a b o v ei o n sa n dt h er e d i s l r i b u t i o no fw a t e ri ns o i la f t e rf t e e z e ，t h i si sm a i n l yc a u s e db yt h e e n r i c h m e n to f s o i ls o l u t i o nw i t hw a t e rf r e e z i n gw l a i e l al e a dt od i f f u s i o no f i o n d u r i n gf r e e z i n g k e yw o r d s ：f r e e z i n ga n dt h a w i n gc h a r a c t e r i s t i cc u i v c p r e m o v e m e n to f s a l t s 2 沈阳农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 冻土的概述 土壤和水是自然环境和农业生产的两项基本资源，也是人类赖以生存的两大支柱， 称之为土水体系。它的分类方法有很多种，其中一种是根据温度和含冰状况进行分类， 按这种方法可将土分为三类( 徐学祖等，2 0 0 1 ) ：未冻土( 或融) 、寒土、已冻土、正 融土。通常情况下，我们把已冻土、正冻土和正融土合称为冻土，即一种温度低于o 且含有冰的土岩冻土与非冻土之所以不同，主要在于冻土最突出的特征就是它有冰在 其中起胶结作用，使原为散体的土壤变成整体较硬、强度较高的冻土 冻土是一种含冰晶的特殊土水体系。它是广泛分布在地球表面的一种低温质体，并 且冻土区有丰富的土地、森林和矿物资源，它的存在及其演变对人类的生存环境、生产 活动方式和可持续发展具有重要影响根据冻土存在的时间长短。地球上主要分布着三 种冻土( 徐学祖等，2 0 0 1 ) ：一是多年冻土，即两年以上处于冻结状态，只有表层几米 的土层处于夏融冬冻的状态；二是季节冻土，即只在地表几米范围内冬季冻结，夏季消 融；三是瞬时冻土。 土壤冻结是一种常见的自然现象，多年冻土的分布面积约占全球陆地面积的2 3 ， 主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地；季节冻土则遍布纬度高于2 4 0 的地区。我国多年冻土分布面积约占世界多年冻土分布的1 0 ，占我国国土面积的2 1 5 ，是世界第三大冻土国。我国的多年冻土主要分布在中、低纬度的号称世界第三极的 青藏高原、帕米尔高原和西部的高山上，另外还分布在高纬度的大小兴安岭；我国季节 性冻土分布面积约占国土面积的5 3 5 ；瞬时冻土的分布南界大致与北回归线( 2 2 a n ) 相一致，此界线以南，除山地外一般无冻土( 徐学祖等，2 0 0 1 ) 近二十年来，美国、苏联、加拿大等国加紧开发北极和近北极地区的石油和天然气， 揭开了人类大规模开发冻土区的序幕。广阔的冻土区已成为人类生产和生活的场所冻 土的存在给人类提供了一种寒冷的自然地理和地质环境。冻土的存在影响和制约着冻土 区的经济和社会活动。 1 2 研究壤冻融过程中水、热、盐分迁移规律的目的与意义 随着冻土区的开发和利用，人们在各种生产活动中遇到的冻土问题越来越多( 徐学 祖。邓友生，1 9 9 1 ) 对冻土的研究最初是由于冻土区开展工程建设引发的工程问题开 始的，逐渐开展了冻土在自然条件下形成过程、演变靓律、影响因素等基础性研究。目 前，冻土研究正沿着下列方向在发展：人工冻结、冻土解冻、防冻、防冻胀、防融沉和 防盐渍化( 徐学祖等，1 9 9 0 ) 。其中冻胀、融沉和盐渍化是土壤冻结过程中水、热、盐 共同作用的结果( 程国栋，2 0 0 1 ) 。 对于那些常年处于冻结状态下的多年冻土地区，随着气候的转暖，一些地区退化为 3 第一章绪论 季节冻土地区不论多年冻土区或是季节冻土区，工程建设者不能回避的一个重要问题是 土体的冻胀融沉问题。在土体的冻融过程中，土体中的温度场、水分场以及溶质场是动 态变化的，热质迁移导致土体冻胀、盐胀及融沉，给工程建设及运营带来极大危害( 何 平等，2 0 0 1 ) 。因此，热质迁移机理研究一直是国际冻土研究的热点之。1 9 9 8 年在加 拿大召开的第七届国际多年冻土大会以及2 0 0 0 年在比利时召开的国际土层冻结( 第九 届) 和冻胀作用( 第四届) 联合会议，有关水、热、溶质迁移方面的文章达5 0 多。近 年来，在学术期刊上也陆续有相关内容的研究成果报道，可见热质迁移研究的重要性， 在我国寒区工程建设中，尤其目前西部大开发中，基础设施建设，如正在建设中的西气东 输工程、拟建的青藏铁路等都会遇到土体的冻胀融沉问题。冻胀融沉机理研究的深入， 对解决实际工程冻害问题具有重要的指导意义。 冻土是一种含冰晶的特殊土水系，更是一种特殊的土壤资源，其特殊性主要表现在 它的性质与温度密切相关。冻土对温度十分敏感导致其性质不稳定。在低温下十分坚硬； 温度升高使冻土的性质将发生重大的变化，冻土融化后，融土含水量变大，干密度减小， 相应的抗剪强度下降，压缩性增大，结构稳定性降低，会发生不同程度的下沉因此， 冻土中未冻水的存在是冻土物理力学性质不稳定的主要原因。冻融土壤中未冻水的迁 移，对土壤热、盐的迁移转化规律有着非常重要的作用。 土壤冻结引起土壤水盐迁移的研究正引起广泛重视，正确的理解土壤水盐迁移机 理，对解决环境问题有重要作用，例如，盐分和杀虫剂的溶解、残留和侵蚀。由于土中 含盐量影响土的冻结温度，而含盐量又与土中液态水含量有关，所以含盐量又影响冻土 中未冻水含量。针对盐分对冻融过程中的未冻水含量的影响，很多研究人员对部分常见 盐类作了详细的研究。但是大多是针对西北地区和内蒙古地区盐渍土壤，或是对冻土区 建筑造成影响的盐类作的研究。 冻胀的产生源于水分迁移，因此研究探讨水分迁移机制，才能了解冻胀，以减少和 避免冻害产生( 陈瑞杰，i ch o r i g c h i ，1 9 9 6 ) 。土体的冻胀除原位冻结膨胀外，水分还源 源不断地向冻结锋面迁移、聚集并结晶形成冰透镜体，这是造成土体冻胀的主要来源， 但水分的迁移、聚集、结晶过程受控于土体的温度状况、溶质状况等条件，因此冻胀问 题属于热质迁移问题( 何平等，2 0 0 2 ) 。由此可见，冻土热状态的变化不仅影响到土水 体系热量平衡，而且也影响到液态水含量变化。因此，研究冻土的水热迁移问题是研究 冻胀问题的关键( 苗天德等，1 9 9 9 ) 。另外，温度变化会影响盐的溶解度。土体冻结过 程中水分迁移伴随产生溶质迁移，同时由于水动力弥散作用溶质亦会发生扩散。由于冰 作为纯净相析出，溶质在未冻水中发生浓缩，在冻结锋面附近的潮湿带也会发育成溶质 浓度较高的带。冻结期，这个溶质高浓度带会产生盐胀，导致建筑物损坏；融化期，冻 结带以上的过剩融水会通过表土向上渗出，形成春涝，造成养分流失和表土盐渍化等农 业灾害( 徐学祖等，1 9 9 0 ) 由于过度使用化肥、农药等化学物质出现了水体富营养化 现象，有些地区由于盐浓度过高已经出现了土壤盐渍化现象。伴随土壤冻结过程导致的 4 沈阳农业大学硕士学位论文 盐分向上迁移，春季在尚有冻层存在的情况下水分主要以蒸发形式撤入大气，导致土壤 表层出现暴发性积盐，加速土壤的现代积盐过程。所以，进行土壤冻融过程中水、热、 盐运移规律的研究具有重要的现实意义。但是，到目前为止，这方面的研究还不够充分， 所研究的土壤和盐分类型也很有限。 本试验的研究目的是：通过室内试验与分析，对沈阳市所辖区域内的潮棕壤表层土、 潮棕壤下层土，康平表层土和康平下层土这四种不同质地的土壤的冻融特征曲线、冻结 作用后的水分及盐分迁移的规律进行研究，为该地区的冻土工程、农业水土工程、农业 资源利用、水土环境保护等领域提供依据。 1 3 冻融过程中水、热、盐分迁移规律研究的发展现状 冻土的冻胀融沉过程主要取决于冻土中的水、热、溶质( 盐分) 迁移与水冰相变 过程。从5 0 年代开始国际上就开始了土壤反复冻融过程中的水分迁移机理研究；近年 来，对正冻土、已冻土和正融士中的水分迁移和成冰规律予以高度重视。对冻土中水热 迁移规律的研究已成为国际前沿学科关注热点，但对工程冻土的研究较多，对农业冻土 的研究较少n a k a n o 等( 1 9 8 2 - 1 9 8 4 ) 在试验基础上研究了等温条件下的水分迁移；m m y 采用了以土壤基质势和温度为变量的土壤水、汽、热耦合方程，适用于非均质土壤，并 用有限单元法模拟了等温、非等温条件下的土壤水分运动；j a m e 和n o m m ( 1 9 8 0 ) 利 用有限差分法模拟了水平土柱冻结情况下温度、含水量、含冰量的动态变化；f u k u d a 和n a k a g a w a ( 1 9 8 5 ) 对自然条件下土壤的冻结过程进行了模拟。 至今关于冻胀预报的模型大体有：经验型、半经验型、水动力学模型、刚性冰模型、 燕力学模型等。第一个水热迁移耦合模型是h a z l a n 在1 9 7 3 提出的。基本思想是已冻土 中未冻水的迁移类似予非饱和土体的水分迁移。之后的几个模型也是在这种概念的基础 上发展起来的，这些模型的共同特点是没有考虑非连续分凝冰的形成，同样没有考虑水、 热、盐耦合迁移作用。由于h a r l a n 模型相对简单，目前仍然被广泛使用。l i n ge t a l ( 1 9 8 0 ) 在该模型的基础上进行简化，不考虑水分迁移只考虑相变，通过有限元方法分析计算。 基于m i l l e r 的第二冻胀理论，o n e n l 甜a l ( 1 9 8 2 ) 提出刚性冰模型，强调了相变过程 中力作用的重要性，解释了非连续分凝冰的形成机理，认为孔隙水与孔隙冰之间的应力 分布存在一个合适的比例，当有效孔隙应力达到或超过上覆荷载时新的分凝冰形成，并 假设冻结缘中的孔隙冰与冰透镜体是刚性连接的。不论h a z l a n 模型或刚性冰模型都涉及 到许多土物理、力学参数。由于一些参数难以测得，而使模型应用受到限制。k o n r a de t a l ( 1 9 8 0 ) 引进迁移势( s p ) 概念。定义为温度梯度下水的迁移率。冻胀机理为冻结 锋面处冰水界面的排于。迁移势是冰透镜体处热动力学平衡以及冻结缘处低渗透性水 流被阻止而引起的负压，渗透性能与冻结缘的未冻水含量有关。按照迁移势理论，水分 向正在增长的冰透镜体的迁移量正比于冻土中的温度梯度。这个s p 模型的优点在于只 要知道温度梯度，就可以计算现场的冻胀状态( 何平等，2 0 0 1 ) 。 第一章绪论 近年来热质迁移研究主要进展为：对冻结缘的特征及参数影响进行了分析和测试， 发现分凝冰的形成过程伴随着未冻区的压密过程，分凝冰的温度也因此而降低，相平衡 温度高于结晶温度已在冻土和溶液冻结试验中得到证实。比表面积与未冻水的关系研究 表明了研究趋向与物性指标的结合。热质迁移过程受多方面因素的影响，研究内容向广 度及深度发展。水、热性质以及矿物颗粒、水合物、核废料等物质的迁移研究都在不同 程度上取得了研究成果。理论模型方面，已从试验经验模式转向理性物理、力学、热 动力学理论模式，从水热耦合向着水热力耦合的方向发展。但是，由于热质迁移机理的 复杂性以及测试手段的落后，目前的研究状况还远不能真正解释热质迁移过程中所发生 的物理、力学、化学等复杂现象，因此，理论模型的完善与物理意义的明确、参数的测 定方法、模型的实用性及可行性等方面还需进行深入的研究 国内对于水热迁移规律方面的研究起步较晚，但发展很快杨诗秀、雷志栋等( 杨 诗秀等，1 9 9 2 ) 模拟了水平、垂直土柱冻结过程；叶佰生、胡和平、陈肖柏( 1 9 9 0 ) 等引 入了c l a p c y r o n 方程来研究冻土中水热迁移问题；尚松浩( 1 9 9 7 ) 根据冻土水热基本方程 导出了水热耦合方程，对不同条件下整个越冬期长时间的土壤冻融过程中的水热迁移进 行了模拟。国内外对冻土水热的研究已有了很大进展，但有的模拟缺乏充分的实验背景 ( 如参数等) ，有的则未进行充分展开( 王海丽，1 9 9 8 ) 。 目前，对冻融过程水、热、盐运移规律的研究国内外都有一些成果，美国、苏联、 加拿大等国家在这方面的研究起步比较早，我国中科院兰州冰川冻土所的实验条件和研 究水平都处于国际较领先的地位( 马巍等，1 9 9 8 ) 。岳汉森( 1 9 9 4 ) 对土壤冻融过程中 水、热、盐耦合运移数学模型的建立进行了初探，由于冻融过程问题的复杂性和测试手 段、研究水平的限制，模型中存在许多问题。黄兴法等进行了关于冻融过程中水热- 盐 耦合作用数学模型的初步研究与探讨( 黄兴法等，1 9 9 7 ) ，但缺乏相应的计算结果和实 验观测结果( 李伟强等，2 0 0 1 ) 。后来徐学祖、王家澄、张立新等( 2 0 0 1 ) 完成了水、 热及部分土壤中常见盐类的运移规律的研究，但没有对农业中常用的氮、磷、钾盐等盐 分进行研究。 1 4 本研究的内容与方法 ( 1 ) 测定所采用的四种土壤的未冻水含量，研究不同土壤其所含盐分不同时，冻 融特征曲线的变化规律。 ( 2 ) 分析试验所采用的四种不同土壤在冻结后，水分重新分布的规律；其所含盐 分不同时，对水分重新分布规律的影响。以及分析各个试样在整个冻结过程中其总冻胀 量的变化规律。 ( 3 ) 对冻结后的土样进行系统的盐分分析，研究可溶性盐在冻结过程中的迁移规 律。 本试验采用美国生产的p r a x i s p r1 0 3 型脉冲核磁共振仪测定各个土样的冻融特征 6 沈阳农业大学硕士学位论文 曲线；采用中国杭州生产的x t 5 4 0 5 型冻融循环试验箱对土样进行冻结作用；采用滴定 法、比色法对盐分进行化学分析。 7 第二章不同含盐土壤冻融特征曲线的研究 第二章不同含盐土壤冻融特征曲线的研究 土壤冻融特征曲线包括土壤冻结特征曲线和土壤融化特征曲线，即土壤冻结过程中 温度与未冻水含量的关系曲线和土壤融化过程中温度与未冻水含量的关系曲线。它是反 映冻土强度、冻土的热性质和土壤冻融过程中的水分和盐分迁移规律的重要参数。未冻 水含量的测定方法，主要有膨胀计法、量热法、冰点降下法、核磁共振仪( n m r ) 法、 时域反射仪( t d r ) 法等，其中的前4 种方法只能用于实验室测定，时域反射仪( ) r ) 法还可用于现场测定。其中n i v l r 技术是一种较成熟的测定冻土中未冻水含量的方法。国 外从6 0 年代初期开始利用n m r 技术测定土壤中的液态水含量，我国于上世纪8 0 年代中期 引进n 偶技术并应用该技术测定冻土中的未冻水含量。瓜法的历史比较长，其有效 性早已得到了证实，并得到了广泛应用( 徐学祖，邓友生，1 9 9 0 ) 在拥有大面积冻土的我国，研究土壤冻融过程中常见盐类的迁移规律十分重要。许 多学者已针对盐碱土中常见的盆类作了具体的研究随着化肥施用量的加大，土壤的物 理、化学性质也发生了变化，过量的残留化肥也加剧土壤对地下水、地面水体等的面源 污染，在这种情况下，为了研究土壤冻结融化过程中的热质迁移规律首先就需要研究土 壤冻融曲线的交化规律。陈晓飞等( 2 0 0 3 ) 已具体研究了几种常见化肥对棕壤土的冻融 特征曲线的影响。本实验拟采用核磁共振仪法针对几种常见的盐分对不同土壤的冻融特 征曲线的影响进行研究。 2 1 实验原理 本实验所采用的核磁共振仪是美国生产的p r a x i s p r - 1 0 3 型脉冲核磁共振仪。n m r 技术的工作原理是( 徐学祖与邓友生，1 9 9 0 ) ：在强而固定的磁场中，试样中的氢核受 到射频场的干扰后需要一定的时间( 称为松弛时间) 才能回到平衡状态，处于不同物理 或化学状态的氢核受到射频信号干扰后，其松驰时间是不同的。脉冲初期快、慢松弛的 氢核都产生信号，当快松弛完成后，就只有慢松弛产生信号，测量得到快松弛和其后的 信号相对强度是慢松弛物质存在数量的标志。利用自由磁感衰减，可测得信号强度。对 于给定的土壤来说，信号强度仅与试样温度和含水量有关。 首先应用n m r 测定正温区间( 0 2 0 ) 具有特定含水量土样的n m r 值，该值是 温度的线性函数，随温度降低而增大。接着测定负温区间的n m r 值，试样冻结后n m r 值迅速减小，此时该值反映的是该负温下试样中未冻结的水量的相对大小，通过与从正 温浏定值依直线方程推至负温的假想试样未冻状态下所产生的n m r 值相比较，计算得 到该负温下的未冻水含量。这种方法的一个最基本要求就是在正温区间测定时，试样中 的水分含量不能发生改变，以保证n i v i r 值是温度的唯一函数( 张立新，1 9 9 6 ) 。土冻结 后即土中部分液态水相变成固态的冰后，信号强度随温度降低，未冻水含量减少。因此 可用下式计算不同负温下冻土中的未冻水含量： g 沈阳农业大学硕士学位论文 w = w o i 1 1 b = 口+ 6 t ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 式中：职广未冻水含量，：吼试样初始含水量，；】，_ 负温t 时信号强度；b 一 负温t 时计算的信号强度；a 和蝴验系数 2 2 实验材料与实验设计 本实验所采用的是潮棕壤表层土、下层土( 取自沈阳农业大学试验场) 和康平表层 土、下层土( 取自康平) ，其物理指标见表2 - l 。 囊2 - 1 壤的主要物理指标 t a b l e 2 - 1 m a j o r p t a y s i e s l l b 目5 0 f t h c u s c ds o i l 潮棕壤表层土、潮棕壤下层土和康平表层土的初始体积含水率为4 0 ，康平下层土 的初始体积含水率为3 0 0 , 4 ( 由于饱和含水率较低) ；所采用的盐分溶液分别为硝酸钙、 硫酸钾、五氧化二磷、混合i ( 硝酸钙、五氧化二磷、硫酸钾各占1 3 ) 和混合( 硫 酸铵、磷酸二氢钾、氯化钾各占1 3 ) ，其溶液浓度均为5 。冷浴温度变化范围是3 5 - 2 0 。 本实验的设计方案是将五种盐分溶液和纯水分别加入四种不同土壤，采用核磁共振 仪测定未冻水含量。测试步骤：将配制好的加入不同盐分的土样按原状土的容重装入玻 璃试管中，同时埋入热敏电阻；再将其放入冷浴中，在每个测试温度点先读取n m r 的 初始值，然后测出热敏电阻的读数；在把试样放到n m r 中读取数值，根据读取的数值 用( 2 1 ) 和( 2 - 2 ) 式可推出每一温度点的未冻水含量为了防止过冷现象影响实验数 据，在实验前作了2 0 分钟过冷处理。 9 第二章不同含盐土壤冻融特征曲线的研究 2 3 实验结果与分析 2 3 1 各试样的冻结特征曲线 2 3 1 1 分别加入不同盐分溶液的潮棕壤表层土的冻结特征曲线 圈2 - 1 加入纯水的土壤冻结特征曲线 r i 9 2 - 1f r e e z e c h a r a c t e r i s t i c c u f v e o f s o i l m i x e d w i l h w 岫日 图2 1 为加入纯水的潮棕壤表层土冻结特征曲线。由图2 - l 可以看出：加入纯水( 无 盐分溶液添加) 的初始体积含水率为4 0 e 的潮棕壤表层土试样在冻结过程中，在0 c o 2 5 温度范围内水分未冻结，因为实验前做了过冷处理，所以过冷现象( 陈瑞杰与 i c h o r i g u c h i ，1 9 9 6 ) 不明显；在0 2 5 1 1 温度范围内，未冻水开始大量冻结，有明 显的突变，即变化单位温度土样的未冻水含量变化很大；在1 1 2 0 温度范围内随 着温度的降低未冻水有少量冻结，即变化单位温度其未冻水含量变化都很小，但仍有一 定数量的未冻水存在，并且在该温度范围内未冻水含量与温度成指数函数关系变化。 - 2- 6- 1 0- 1 4- 1 8 龆 温度( ) 图2 - 2 加入硝酸钙5 溶液的土壤冻结特征曲线 f i f r 2 - 2f r e e z e c h a r a c t e r i s t i c c - u r v f o f s o i l m i x e d w i t h c a 钟岛k ” 图2 2 为加入硝酸钙5 溶液的潮棕壤表层土冻结特征曲线。由图2 2 可以看出：加 入硝酸钙5 溶液的初始体积含水率为4 0 n 0 的潮棕壤表层土试样在冻结过程中，在o 1 0 8 c 温度范围内水分未冻结，虽然做了过冷处理，由于有硝酸钙5 溶液的添加，过 t o 驺格坫埔0 0 ，v捌缸簧始怅 沈阳农业大学硕士学位论文 冷现象还是很明显，即未冻水存在的温度范围较大；在- 1 0 8 c 5 温度范围内，未冻 水开始大量冻结，有明显的突变过程，即变化单位温度土样的未冻水含量变化很大；在 - 5 c - 2 0 c 温度范围内随着温度的降低未冻水少量冻结，即变化单位温度其未冻水含量 变化都很小，但仍有一定数量的未冻水存在，并且在该温度范围内未冻水含量与温度成 指数函数关系变化。 图2 - 3 加入硫酸钾5 溶液的土壤冻结特征曲线 f i & 2 - 3f r e e z e c h 缸j c l 耐| l i c a m v e e f t l m i x e d w i t h k 2 s o 图2 - 3 为加入硫酸钾5 溶液的潮棕壤表层土冻结特征曲线。由图2 3 可以看出：加 入硫酸钾5 溶液的初始体积含水率为4 0 的潮棕壤表层土试样在冻结过程中，在o c - 0 6 c 温度范围内水分未冻结，虽然做了过冷处理，由于有硫酸钾5 溶液的添加，过冷 现象还是很明显，即未冻水存在的温度范围较大；在- 0 6 c - 3 e 温度范围内，未冻水开 始大量冻结，有明显的突变过程，即变化单位温度士样的未冻水含量变化很大；在3 一 0 2 0 c 温度范围内随着温度的降低未冻水少量冻结，即变化单位温度其未冻水含量变化 都很小，但仍有一定数量的未冻水存在，并且在该温度范围内未冻水含量与温度成指数 函数关系变化。 2- 6- 1 0 - 1 , 4- 1 8 船 温度( ) 图2 - 4 加入五氧化二礴，溶液的土壤冻结特征曲线 f i g 2 - 4 f r e e z ec h a n c t e t 碰 ec u r v eo f s o i lm i x e dw i t hp 2 0 s ， 图2 - 4 为加入五氧化二磷5 溶液的潮棕壤表层土冻结特征曲线。由图2 - 4 可以看出： 矩衢坫m 5 o ，v蝴如*始张 第二章不同含盐土壤冻融特征曲线的研究 加入五氧化二磷5 溶液的初始体积含水率为4 0 的潮棕壤表层土试样在冻结过程中， 在0 1 2 - - 0 0 5 ( 2 温度范围内水分未冻结，因为试验前做了过冷处理，所以过冷现象( 陈 瑞杰与k h o d g u c h i ，1 9 9 6 ) 不明显；在0 0 5 - 2 0 5 温度范围内，未冻水开始大量冻 结，有明显的突变过程，即变化单位温度土样的未冻水含量变化很大；在2 0 5 c - - 2 0 温度范围内随着温度的降低未冻水少量冻结，即变化单位温度其未冻水含量变化都很 小，但仍有一定数量的未冻水存在，并且在该温度范围内未冻水含量与温度成指数函数 关系变化。五氧化二磷与水化和生成磷酸，磷酸盐对土壤水分的过冷现象影响不是很明 显。 圈2 - 5 加入混合i5 溶液的土壤冻结特征曲线 f i g 2 - 5f r e e z e c h a r a c t e r i s t i c c l l f v c o f s o i l m i x e d w i t h m i x i5 图2 5 为加入混合i5 溶液的潮棕壤表层土冻结特征曲线。由图2 5 可以看出：加 入混合i5 溶液的初始体积含水率为4 0 的潮棕壤表层试样在冻结过程中，在0 c _ o 6 温度范围内水分未冻结，虽然做了过冷处理，由于有混合i5 溶液的添加，过冷 现象还是很明显，即未冻水存在的温度范围较大；在- o 6 c 5 温度范围内，未冻水开 始大量冻结，有明显的突变过程，即变化单位温度土样的未冻水含量变化很大；在5 - 2 0 温度范围内随着温度的降低未冻水少量冻结，即变化单位温度其未冻水含量变化 都很小，但仍有一定数量的未冻水存在，并且在该温度范围内未冻水含量与温度成指数 函数关系变化。 图2 - 6 为加入混合1 1 5 溶液的潮棕壤表层土冻结特征曲线。由图2 6 可以看出：加 入混合5 溶液的初始体积含水率为4 0 的潮棕壤表层土试样在冻结过程中，在o _ o 6 温度范围内水分未冻结，虽然做了过冷处理，由于有混合1 1 5 溶液的添加，过冷 现象还是很明显，即未冻水存在的温度范围较大；在m 6 i c - 3 0 2 温度范围内，未冻 水开始大量冻结，有明显的突变过程，即变化单位温度土样的未冻水含量变化很大；在 3 0 2 - 1 5 1 5 温度范围内随着温度的降低未冻水冻结量较大，即变化单位温度其未 冻水含量变化较大；一1 5 1 5 1 2 0 温度范围内随着温度的降低未冻水少量冻结，即变 化单位温度其未冻水含量变化都很小，但仍有一定数量的未冻水存在；并且在- 3 0 2 沈阳农业大学硕士学位论文 - 2 0 c 温度范围内未冻水含量与温度成指数函数关系变化。加入混合1 1 5 溶液的土样冻 结时降低单位温度未冻水的冻结量都较大，说明混合5 溶液对土壤水分的冻结温度 影响较大。 图2 - 6 加入混合i i ，溶液的土壤冻结特征曲线 f i 参2 - 6f r c e z 。c h 蹦枷- c a o f s o ! m x c d w i t h m x 1 1 5 2 3 1 2 分别加入不同盐分的潮棕壤下层土的冻结特征曲线 圈2 - 7 加入纯水的土壤冻结特征曲线 f i g , ? - - 7f r o z e c h 岫_ 嘶s d c c u r v e o f s o i l n 吐研d w i t h w 鲫 图2 7 为加入纯水的潮棕壤下层土冻结特征曲线。由图2 7 可以看出：加入纯水( 无 盐分溶液添加) 的初始体积含水率为4 0 的潮棕壤下层土试样在冻结过程中，在0 c o 0 5 温度范围内水分未冻结，因为试验前做了过冷处理，所以过冷现象( 陈瑞杰与 k h o r i g u c h i ，1 9 9 6 ) 不明显；在- 0 0 5 - 1 髓温度范围内，未冻水开始大量冻结，有明 显的突变，即变化单位温度其未冻水含量变化很大；在1 0 8 - 2 0 温度范围内随着温 度的降低末冻水少量冻结，即变化单位温度其未冻水含量变化很小，但仍有一定数量的 未冻水存在，并且在该温度范围内未冻水含量与温度成指数函数关系变化。 第二章不同含盐土壤冻融特征曲线的研究 图2 4 加入硝酸钙5 撂攫的土壤冻结特征曲线 f i g 2 - 8 f r o z ec h , a c t a i s f i ca 懈o f s o i lm i 】【c dw i t hc a ( n t h h 5 图2 8 为加入硝酸钙5 溶液的潮棕壤下层土冻结特征曲线。由图2 - 8 可以看出：加 入硝酸钙5 溶液的初始体积含水率为4 0 的潮棕壤下层土试样在冻结过程中，在0 1 2 m 2 5 ( 2 温度范围内水分未冻结，虽然做了过冷处理，由于有硝酸钙5 溶液的添加，过 冷现象还是很明显，即未冻水存在的温度范围较大；在- 0 2 5 c - 5 c 温度范围内，未冻 水开始大量冻结，有明显的突变过程，即变化单位温度土样的未冻水含量变化很大；在 5 - 2 0 温度范围内随着温度的降低未冻水少量冻结，即变化单位温度其未冻水含量 变化很小，但仍有一定数量的未冻水存在，并且在该温度范围内未冻水含量与温度成指 数函数关系变化。 图2 - 9 加入硫酸钾5 溶液的土壤冻结特征曲线 f 唔2 - 9f r e e z ec h a r a c t e r i s t i cg u t v so f s o i lm i x e dw i t hk 2 s o s 图2 - 9 为加入硫酸钾5 溶液的潮棕壤下层土冻结特征曲线由图2 - 9 可以看出：加 入硫酸钾5 溶液的初始体积含水率为4 0 的潮棕壤下层土试样在冻结过程中，在0 1 2 o 2 5 温度范围内水分未冻结，虽然做了过冷处理，由于有硫酸钾5 溶液的添加，过 冷现象还是很明显，即未冻水存在的温度范围较大；在- 0 2 5 c - 2 0 5 1 2 温度范围内，未 冻水开始大量冻结，有明显的突变过程，即变化单位温度土样的未冻水含量变化很大； 在2 0 5 2 0 ( 2 温度范围内随着温度的降低未冻水少量冻结，即变化单位温度其未冻水 1 4 沈阳农业大学硕士学位论文 含量变化很小，但仍有一定数量的未冻水存在，并且在该温度范围内未冻水含量与温度 成指数函数关系变化。 加 一2 5 誉 舞1 5 薹1 0 伥5 0 - 2- 6- 1 0- 1 4- 1 8 盟 温度c c ) 图2 1 0 加入五氧化二焉，溶澈的土壤冻结特征曲线 f i & 2 - 1 0f r o z ec h _ _ c 吲5 d cd l r v oo f s o i lm i x e dw i t hp 2 0 ，5 图2 - 1 0 为加入五氧化二磷5 溶液的潮棕壤下层土冻结特征曲线。由图2 1 0 可以看 出：加入五氧化二磷5 溶液的初始体积含水率为4 0 的潮棕壤下层土试样在冻结过程 中，在0 c - - 0 2 5 温度范围内水分未冻结，虽然做了过冷处理，由于有五氧化二磷5 溶液的添加，过冷现象还是很明显，即未冻水存在的温度范围较大；在0 2 5 _ o 5 5 温度范围内，未冻水开始大量冻结，有明显的突变过程，即变化单位温度土样的未冻水 含量变化很大；在- 0 5 5 c 2 0 c 温度范围内随着温度的降低未冻水少量冻结，即变化单 位温度其未冻水含量变化很小，但仍有一定数量的未冻水存在，并且在该温度范围内未 冻水含量与温度成指数函数关系变化 j 1 1 y = 1 1 8 1 9 e 。”“ j r 2 = o 8 3 9 2 ， j。一 - 26 1 0- 1 4- 1 8 2 2 温度( ) 图2 - 1 1 加入混合i ，溶液的土壤冻结特征曲线 f i g 2 - 1 1f r e e z ec h a n c t 耐s t i c o f s o l | m i x e d w i t h m i x i5 图2 - 1 1 为加入混合i5 溶液的潮棕壤下层土冻结特征曲线。由图2 1 l 可以看出： 加入混合i5 溶液的初始体积含水率为4 0 的潮棕壤下层土试样在冻结过程中，在 o _ o 5 c 温度范围内水分未冻结，虽然做了过冷处理，由于有混合i5 溶液的添加， 貉 垢 m 5 o 术v缸*嚣* 第二章不同含盐土壤冻融特征曲线的研究 过冷现象还是很明显，即未冻水存在的温度范围较大；在0 5 - 4 1 温度范围内，未 冻水开始大量冻结，有明显的突变过程，即变化单位温度土样的未冻水含量变化很大： 在- 4 1 - 2 0 c 温度范围内随着温度的降低未冻水少量冻结，即变化单位温度其未冻水 含量变化很小，但仍有一定数量的未冻水存在，并且在该温度范围内未冻水含量与温度