利用生物基或生物质材料提高沙质毛细屏障蓄水能力的实验研究

《Vadose Zone Journa》：Experimental study on improving the water storage capacity of sandy capillary barrier with bio-based or biomass materials

毛细屏障改性材料研究及其性能评估，通过硅藻土、小麦秸秆和花生壳改性分析水储存、稳定性和蒸发特性。硅藻土改性层显著提升水储存能力与抗渗透性，并增强剪切强度；小麦秸秆和花生壳改性层增加孔隙率及蒸发时间，但降低剪切强度，适用于不同工程场景。

　　在土壤水分管理与环境保护领域，研究人员对传统的毛细屏障结构进行了深入探讨，旨在提升其在半湿润到湿润地区的表现。毛细屏障（Capillary Barrier, CB）是一种由细粒层覆盖在粗粒层之上的工程结构，其主要功能是通过不同渗透率的层间差异，限制水分向粗粒层的渗透，从而在细粒层中实现水分的储存、滞留或引导。然而，在半湿润和湿润地区，传统两层结构的毛细屏障在面对较大的降雨量时，其水存储性能往往表现不佳。因此，本研究探索了在细粒层中掺入硅藻土、小麦秸秆和花生壳等材料对毛细屏障性能的改善效果。

实验结果显示，掺入这些材料后，毛细屏障的水存储能力显著提升。其中，硅藻土作为改良材料表现最为突出，其改善效果比小麦秸秆和花生壳高出20%以上。这意味着硅藻土在提升毛细屏障水存储能力方面具有明显优势。此外，改良后的毛细屏障在连续降雨条件下依然表现出良好的水存储稳定性，表明其在实际应用中具有较高的适应性。同时，所有改良细粒层在蒸发特性方面均有改善，残余水分含量随着掺入材料的体积比例增加而提升。这一趋势表明，改良材料能够有效减缓水分的蒸发速率，提高水分的保留能力。

值得注意的是，硅藻土改良的细粒层表现出类似伪粘结力的特性，这表明其在结构稳定性方面具有增强作用。随着硅藻土体积比例的增加，细粒层的抗剪强度也相应提升，这为毛细屏障在湿润地区的应用提供了有力支持。相比之下，小麦秸秆和花生壳的加入虽然提高了细粒层的孔隙度，但也导致了其抗剪强度的下降。特别是在高围压条件下，这两种材料对细粒层的削弱作用更加明显。然而，它们在提高孔隙度和减缓蒸发速率方面表现优异，有助于延长水分蒸发时间，提高水分的保留能力，从而减少灌溉次数，提高水资源利用效率。

研究还发现，小麦秸秆和花生壳的加入对毛细屏障的水存储性能有积极影响，但其效果不如硅藻土显著。这可能与它们的物理特性和孔隙结构有关。例如，硅藻土具有较高的孔隙度和较低的饱和渗透系数，能够有效减少水分的流失，同时保持一定的渗透性以促进水分的均匀分布。而小麦秸秆和花生壳的加入虽然能够提高孔隙度，但同时也增加了水分蒸发的可能性，因此在提升水存储能力方面存在一定的局限性。

此外，本研究通过一系列实验方法，包括单位单元渗透测试、连续渗透测试、蒸发测试和三轴压缩测试，全面评估了改良细粒层的性能。实验过程中，研究人员还采用了不同的体积掺入比例（如1:0.1、1:0.3、1:0.6和1:1），以观察不同掺入比例对毛细屏障性能的影响。结果显示，随着掺入比例的增加，毛细屏障的水存储能力、稳定性以及蒸发特性均有所改善，但不同材料的改善效果存在差异。例如，硅藻土的掺入比例达到1:0.6时，水存储能力达到最佳状态，而小麦秸秆和花生壳在较高掺入比例下对细粒层的抗剪强度影响较大。

在实际工程应用中，改良后的毛细屏障能够更好地应对湿润地区的降雨挑战。传统毛细屏障在高降雨量条件下容易出现水分突破，导致渗滤液的产生，从而影响土壤和地下水的质量。而通过掺入硅藻土、小麦秸秆和花生壳，毛细屏障的水分突破时间得以延长，渗滤液的生成量也相应减少。这表明改良材料能够有效增强毛细屏障的防渗能力，减少水分流失，提高其在工程中的适用性。

从环保角度来看，小麦秸秆和花生壳作为常见的农业副产品，其掺入不仅有助于提高毛细屏障的水存储能力，还能减少传统焚烧方式带来的环境污染。这些材料的使用使得农业废弃物得到了有效利用，为可持续发展提供了新的思路。然而，硅藻土的使用则更多地依赖于工业资源，尽管其在提升毛细屏障性能方面具有明显优势，但在实际应用中可能面临资源获取和成本控制的问题。

本研究的结论表明，硅藻土改良的毛细屏障在湿润地区具有最佳的性能表现，特别是在水存储能力、稳定性以及抗剪强度方面。相比之下，小麦秸秆和花生壳改良的毛细屏障更适合用于干旱和半干旱地区的农田保护，因为它们在提高孔隙度和延长蒸发时间方面具有明显优势，能够有效提升土壤水分的保持能力，减少灌溉频率。然而，在高围压条件下，这两种材料对细粒层的削弱作用可能限制其在更复杂环境中的应用。

在实验方法上，本研究采用了多样的测试手段，以确保结果的可靠性。单位单元渗透测试用于评估毛细屏障的水存储能力，连续渗透测试则用于检验其在长期降雨条件下的稳定性。蒸发测试则帮助研究人员了解改良细粒层在水分蒸发过程中的表现，而三轴压缩测试则提供了关于材料抗剪强度和力学性能的重要数据。这些测试不仅涵盖了材料的物理特性，还涉及了其在不同环境条件下的行为表现，为毛细屏障的优化设计提供了科学依据。

尽管本研究取得了一定的成果，但其结论仍需在实际工程中进一步验证。例如，植物根系对改良毛细屏障的影响、材料的长期性能表现以及在实际土壤条件下的尺寸效应和横向导流能力，这些都是未来研究需要关注的方向。此外，本研究主要基于室内实验，因此其结果在实际应用中可能受到环境因素的影响，如土壤类型、气候条件以及施工方法等。因此，有必要通过现场试验进一步评估改良毛细屏障的适用性和性能表现。

总体而言，本研究为毛细屏障的改良提供了新的思路，尤其是在湿润地区的应用。硅藻土的加入显著提升了毛细屏障的水存储能力，同时增强了其抗剪强度和稳定性，使其在垃圾填埋场覆盖和边坡防护等方面具有广阔的应用前景。而小麦秸秆和花生壳的加入则为农业领域的水管理提供了新的解决方案，有助于提高土壤水分的保留能力，减少灌溉需求，并促进农业废弃物的资源化利用。这些研究成果不仅有助于提升毛细屏障的工程性能，也为环境保护和可持续发展提供了技术支持。