申云云，朱樹輝

( 青縣水利局，河北 青縣062650)

1 概 述

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，如何保持農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、提高水資源的有效利用率、確保水土和水與環(huán)境之間的平衡是亟待解決的問(wèn)題［1］，研究土壤水分運(yùn)移特性和參數(shù)成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展不可或缺的因素［2］。

1.1 水力擴(kuò)散度

土壤水力擴(kuò)散是土壤水力傳導(dǎo)度與土壤比容水度的比值，量綱為［L2T－1］，常以符號(hào)D( θ) 表示，它是為簡(jiǎn)化非飽和土壤水流方程而設(shè)置的一個(gè)參數(shù)。

非飽和土壤水力擴(kuò)散度，又叫擴(kuò)散率或擴(kuò)散系數(shù)，水力擴(kuò)散度是非飽和土壤水分運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)于地表水—土壤水—地下水轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究、農(nóng)田土壤水分預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、區(qū)域水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究等，它是一個(gè)必不可少的參數(shù)，其值的大小對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大影響［3－4］; 它是運(yùn)用土壤水動(dòng)力學(xué)基本原理建立土壤水運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，模擬不同降雨或灌溉強(qiáng)度下土壤含水量的一維空間分布、入滲、徑流過(guò)程和產(chǎn)流總量以及溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)、污染物遷移等水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程研究中必不可少的重要參數(shù)［5］。

1.2 常用的測(cè)定方法

非飽和土壤水分運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散度的計(jì)算早已為人們所重視。用水平土柱測(cè)定非飽和土壤水分?jǐn)U散度實(shí)驗(yàn)，普遍使用的方法是Bruse 和Klute(1956年) 提出的，即利用一個(gè)半無(wú)限長(zhǎng)水平土柱吸滲實(shí)驗(yàn)，忽略重力作用，根據(jù)一維水平流動(dòng)的偏微分方程和定解條件，引入Boltzmann 變換后，將偏微分方程化為常微分方程，用解析法求得計(jì)算公式，再由實(shí)驗(yàn)資料列表計(jì)算D( θ) 值。此法不失為室內(nèi)測(cè)定D( θ) 的重要方法之一。在非飽和土壤水分運(yùn)動(dòng)研究中起到了重要的作用。水平土柱法是實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤水力擴(kuò)散度D( θ) 的非穩(wěn)定流方法，最早由Bruse 和Klute(1956) 提出。該方法是依據(jù)土壤水分在較長(zhǎng)的( 水平半無(wú)限邊界) 均質(zhì)土柱中發(fā)生水平運(yùn)動(dòng)的情況進(jìn)行分析計(jì)算的，本文中即采用此方法［6］。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

水平土柱法是實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤水力擴(kuò)散度D( θ) 的非穩(wěn)定流方法，最早由Bruse 和Klute(1956) 提出。該方法是依據(jù)土壤水分在較長(zhǎng)的( 水平半無(wú)限邊界) 均質(zhì)土柱中發(fā)生水平運(yùn)動(dòng)的情況進(jìn)行分析計(jì)算的［7］，其裝置如圖1 所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置的構(gòu)件與土壤水力傳導(dǎo)度測(cè)定實(shí)驗(yàn)基本相同，包括水勢(shì)、水量及溫度的傳感器，且數(shù)量也完全相同，因此，兩個(gè)參數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)采用一套主機(jī)，兩套輸入系統(tǒng)的方法，所以整個(gè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)的工作原理完全一致，測(cè)定實(shí)圖見圖2。

圖1 水平土柱法實(shí)驗(yàn)室測(cè)定原理示意圖Fig.1 Diagram of principle mensuration with the horizontal soil column method in laboratory

圖2 水平土柱法實(shí)驗(yàn)室測(cè)定實(shí)圖Fig. 2 Diagram of practical mensuration with the horizontal soil column method in laboratory

3 實(shí)驗(yàn)步驟

1) 制備土樣及裝填土柱，準(zhǔn)備好足夠的具有風(fēng)干含水量的實(shí)驗(yàn)土樣，按一定容重裝填，將螺桿旋緊然后水平放置。

2) 瞬時(shí)給進(jìn)水室充水，并使供水平水裝置定位。

3) 開始計(jì)時(shí)并記下馬氏瓶中水位的初始讀數(shù)。

4) 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間( 濕潤(rùn)鋒未到達(dá)土柱末端之前) 后，記錄水勢(shì)傳感器讀數(shù)，即可停止供水，結(jié)束實(shí)驗(yàn)，記下整個(gè)實(shí)驗(yàn)的歷時(shí)及總?cè)霛B水量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以某區(qū)原位砂土深30 cm和黏土深60 cm兩種土壤為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別作3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同土樣的非飽和水力擴(kuò)散度表Table 1 The table of unsaturated hydraulic diffusivity in different soil

4.1 沙土30 cm非飽和擴(kuò)散度

沙土30 cm非飽和擴(kuò)散度試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 砂土30 cm的非飽和水力擴(kuò)散度表Table 2 The table of 30 cm sand unsaturated hydraulic diffusivity

圖3 沙土30 cm－A 水力擴(kuò)散度與土壤含水量關(guān)系圖Fig 3 The relational chart of 30 cm sand hydraulic diffusivity and soil water content.

圖4 沙土30 cm－B 水力擴(kuò)散度與土壤含水量關(guān)系圖Fig 4 The relational chart of 30 cm sand hydraulic diffusivity and soil water content.

圖5 沙土30 cm－C 水力擴(kuò)散度與土壤含水量關(guān)系圖Fig 5 The relational chart of 30 cm sand hydraulic diffusivity and soil water content.

4.2 黏土60 cm非飽和擴(kuò)散度

表3 黏土60 cm的非飽和水力擴(kuò)散度表Table 3 The table of 60 cm sand unsaturated hydraulic diffusivity

圖6 黏土60 cm－A 水力擴(kuò)散度與土壤含水量關(guān)系圖Fig 6 The relational chart of 60cmsand hydraulic diffusivity and soil water content.

圖7 黏土60 cm－B 水力擴(kuò)散度與土壤含水量關(guān)系圖Fig 7 The relational chart of 60cmsand hydraulic diffusivity and soil water content.

圖8 黏土60 cm－C 水力擴(kuò)散度與土壤含水量關(guān)系圖Fig 8 The relational chart of 60cmsand hydraulic diffusivity and soil water content.

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析比較可以看出:

1) 由于3 次實(shí)驗(yàn)采用同一裝置進(jìn)行測(cè)定，實(shí)驗(yàn)時(shí)間及入滲水量均相同，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要因素就是土壤含水率的測(cè)定，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束的瞬間從各測(cè)點(diǎn)取土烘干( 在105℃～110℃的烘箱中烘干至恒重，約6 ～8 h) 來(lái)測(cè)定其含水率分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3 次實(shí)驗(yàn)所得含水率分布曲線基本吻合。

2)3 次實(shí)驗(yàn)配線結(jié)果基本吻合，但從配線圖可以看出，在θ 較小時(shí)，測(cè)定結(jié)果比較精確，而在高含水率情況下擴(kuò)散度均出現(xiàn)較大波動(dòng)。

3) 水平土柱法是實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤水力擴(kuò)散度D( θ) 的非穩(wěn)定流方法，通過(guò)對(duì)某區(qū)土壤水運(yùn)動(dòng)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定過(guò)程，可以肯定水平土柱法具有較高的直觀性，方便快捷。

［1］鄒朝望. 土壤水動(dòng)力參數(shù)的測(cè)定及數(shù)值模擬分析［D］. 武漢:武漢大學(xué)，2004.

［2］徐紹輝，劉建立. 土壤水力性質(zhì)確定方法研究進(jìn)展［J］. 水科學(xué)進(jìn)展，2003(4) : 494－501.

［3］程金茹，郭擇德. 非飽和土壤特性參數(shù)獲取方法［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1996(2) :56－58.

［4］沈榮開，張瑜芳，王富慶. 確定土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的短柱試驗(yàn)分析法［J］. 武漢水力電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，29(1) :7－10.

［5］Waston K K. An instantaneous profiles method of determining the hydraulic conductivity of unsaturated porous material［J］. Water Resources Research，1966(2) :709－715.

［6］張蔚臻. 地下水與土壤水動(dòng)力學(xué)［M］. 北京: 中國(guó)水利水電出版社，1996:165－169.

［7］中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所. 土壤物理性質(zhì)測(cè)定法［M］. 北京:科學(xué)出版社，1978.