張少妮, 徐學選,, 高朝俠, 宇苗子, 趙傳普
(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100; 2.中國科學院 水利部
水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農林科技大學 資源環(huán)境學院, 陜西 楊凌 712100)
大孔隙扭曲度對土壤水分入滲的影響
張少妮1, 徐學選1,2, 高朝俠2, 宇苗子3, 趙傳普2
(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100; 2.中國科學院 水利部
水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農林科技大學 資源環(huán)境學院, 陜西 楊凌 712100)
摘要:[目的] 探究大孔隙扭曲度對土壤水分入滲的影響,為深入了解大孔隙扭曲度影響優(yōu)先流的物理機制提供理論依據(jù)。[方法] 采用室內含大孔隙土柱的定水頭入滲試驗,以長武地區(qū)黑壚土為研究對象,分析大孔隙不同扭曲度對土壤濕潤鋒運移、累積入滲量和水分穿透時間的影響。[結果] 大孔隙的形狀深刻影響入滲濕潤鋒的形狀,對濕潤鋒縱向、橫向運移具有引導作用;大孔隙扭曲度減小可加速濕潤鋒運移,增加累計入滲量;水分穿透土柱的時間隨扭曲度的增大而增加,穿透時間與扭曲度可用對數(shù)關系描述;濕潤鋒運移深度、累積入滲量與時間均呈明顯的乘冪關系,其函數(shù)式的參數(shù)取決于土體中大孔隙扭曲度。 [結論] 大孔隙扭曲度對水分入滲影響深刻,是研究大孔隙流的重要因素。
關鍵詞:大孔隙扭曲度; 濕潤鋒; 累積入滲量; 穿透時間
大孔隙流是土壤水分優(yōu)先流現(xiàn)象的一種,它是指水分沿著植物根系路徑、蚯蚓孔洞、狹長裂隙等大孔隙運動的非平衡流,水流繞過結構密實、滲透率低的土壤基質,優(yōu)先通過導水能力強的大孔隙通道而快速下滲[1]。土壤大孔隙中水分運動與溶質運移現(xiàn)象,在19世紀中后期就被發(fā)現(xiàn),但直到20世紀70年代末Thomas和Phillips[2],以及Beven和German[3]的研究才引起更多學者對大孔隙流的關注。近些年,大孔隙形態(tài)學逐漸成為研究的重點,包括大孔隙度、平均長度、平均扭曲度等研究內容。大孔隙的扭曲度屬于大孔隙空間網(wǎng)絡參數(shù),出于不同的研究目的,學者采用不同的公式表示扭曲度[4-5]。由于天然狀態(tài)下,大孔隙的扭曲度受多因素影響,對其的研究比較復雜,為了簡化扭曲度的研究,有學者將人造大孔隙放置于回填土柱中進行供水試驗來研究大孔隙的特性[6-7],并取得了一定的成果。Allaire等[7]通過土壤水分穿透曲線來研究大孔隙的扭曲度,指出大孔隙的扭曲度必須建立在連通性(與土壤表面連通)存在的情況下才對水分入滲有作用(因為只有與土壤表面連通的大孔隙才能起到水分的傳導作用),而且扭曲度主要影響水分及溶質在土壤剖面的分布。Schwen等[8]指出土壤中生物活動可以增加大孔隙的連通性,降低孔隙的扭曲度。也有學者指出大孔隙的粗糙度越大,扭曲度越大,連通性越小[9-10]。Arora等[11]研究指出大孔隙域與基質域交界面的水力特性是大孔隙扭曲度、界面飽和導水率和其他界面參數(shù)的一個函數(shù)。以上研究表明影響大孔隙扭曲度的因素較多,孔隙的扭曲度與連通性都影響到土壤入滲能力,大孔隙扭曲度對于水分及溶質運移的過程機理因其本身的復雜性而需要更多的試驗研究。因此,本研究在借鑒前人研究成果的基礎上,利用含人工大孔隙土柱入滲的方法,研究不同扭曲度下大孔隙流的濕潤鋒運移、最小穿透時間、累積入滲量等入滲特征,以期深入了解大孔隙扭曲度影響優(yōu)先流的物理機制。
1材料與方法
采集陜西省長武縣塬區(qū)耕層0—60 cm黑壚土土壤,將土樣去除雜質、碾碎,自然風干,過2 mm篩,土壤機械組成結果詳見表1。
表1 供試土樣機械組成
試驗裝置由供水系統(tǒng)、土柱箱以及收集系統(tǒng)3個部分組成,供水系統(tǒng)由馬氏瓶(Φ=8 cm)提供2.5 cm的恒定水頭,精度為0.1 cm。土柱箱由厚1 cm的有機玻璃制成,規(guī)格為30 cm×2 cm×70 cm(長×寬×高)。本試驗土柱的高度為60 cm。裝土前在玻璃容器底部鋪一層濾紙,避免土壤粉末堵塞出流孔或從出流孔中漏出,濾網(wǎng)上面加入一層3 cm石英砂作為反濾層。對欲安裝大孔隙的土柱,應根據(jù)孔隙位置先安裝大孔隙再裝土,保證土樣和大孔隙之間的密實。裝樣結束后在土柱上部放一薄層石英砂(1 cm)做緩沖層,防止進水時頂部的土樣被沖掉。頂部用寬塑料膠帶粘貼覆蓋以防止蒸發(fā)。土柱底部開孔(Φ=0.5 cm),開孔密度為1孔/cm2,防止水分在土柱底部累積。收集系統(tǒng)是由厚度為0.8 cm的PVC漏斗制成,自由排出的水分流經塑料燒杯進行收集。
試驗時黑壚土的初始含水率為3.01%,控制容重為1.3 g/cm3。選擇不銹鋼絲網(wǎng)[12](60目)來制作大孔隙,這是因為60目的不銹鋼絲網(wǎng)與土壤的孔隙相近,能起到側滲的作用,更好地貼近實際情況。將不銹鋼鋼絲網(wǎng)卷在一根2 mm的鐵絲上,然后再用紗布纏繞,最后將2 mm的鐵絲抽掉,制作成為總直徑為5 mm的大孔隙,按照大孔隙設計類型制作成不同的形狀。試驗布設5種大孔隙和1個沒有大孔隙的對照組(CK),大孔隙的長度均為30 cm,其形狀或擺放位置存在差異,每種布設方式設置3個重復。試驗設計中的6種大孔隙布設類型分別對應不同梯度大小的孔隙扭曲度,扭曲度定義為孔隙長度與孔隙深度的比值[11,13]。根據(jù)扭曲度定義可知,筆直的孔隙扭曲度為1,除此之外其它孔隙的扭曲度均大于1,無空隙的扭曲度為∞。土柱中大孔隙的布設狀況如圖1所示,扭曲度用Ti表示,i表示扭曲度值大小。試驗過程中,記錄馬氏瓶中水面的高度,前10 min每1 min記錄1次,10~30 min每5 min記錄1次,30~60 min每10 min記錄1次,60 min后每20 min記錄1次。濕潤鋒根據(jù)土壤入滲特性每隔5~20 min采用數(shù)碼相機拍照,直至土柱底部每隔20 min出流體積連續(xù)5次相同即可停止試驗。
2結果與分析
室內試驗獲取的照片,經Erdas 9.2幾何校正和ArcGIS 9.3編輯處理,不同扭曲度下的大孔隙流濕潤鋒隨時間的變化情況如圖1所示。由圖1可以看出,大孔隙扭曲度會深刻影響水分在土壤中的分布。大孔隙對于濕潤鋒在縱向和側向上的運移均具有引導作用。在入滲10 min時,從水分運移的側向來看,T∞的濕潤鋒在水平方向上幾乎呈直線;其余幾組的濕潤鋒形狀在大孔隙處出現(xiàn)不同程度的凹陷,而且沿孔隙左右兩側出現(xiàn)不同程度的側滲。在縱向上,隨著扭曲度的增大,濕潤鋒的最大入滲深度是減小的。總之,在入滲10 min時,水分基本上沿著大孔隙提供的路徑運移,扭曲度越大,土壤水分縱向運移越小,橫向運移越大。
注:與橫線相連的是大孔隙,與豎軸相連的是濕潤鋒。T為扭曲度,i為扭曲度值的大小。
大孔隙的扭曲方向會影響局部的水分入滲。在30 min時,濕潤鋒的形狀較10 min逐漸趨于平緩,但是其影響依舊存在。具體表現(xiàn)為濕潤鋒運移沿大孔隙向兩側繼續(xù)側滲,T1很明顯可以看出濕潤鋒沿大孔隙的對稱性。T3和T2的大孔隙呈S形,由于大孔隙的扭曲方向不同(大孔隙均表現(xiàn)為先向左扭動,后向右扭動),濕潤鋒的左側高于右側,即右側入滲的快,說明大孔隙的扭曲方向會影響水分的分布,影響濕潤鋒的形狀。而從T1.5和T1.2中,更容易看出右側的濕潤鋒運移快于左側(大孔隙下部向右側扭曲)。因此,橫向的大孔隙對于濕潤鋒的運移也有一定的促進作用。在60,120 min時,隨著時間的延長,大孔隙域逐漸失去縱向入滲的作用,在橫向水勢梯度下拉動了水分的橫向運移,濕潤鋒形狀逐漸趨于水平,呈現(xiàn)整體性穩(wěn)步向下推移。濕潤鋒運移速率初期較快,之后逐漸減小至穩(wěn)定。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因主要是由于在入滲初期,土壤含水量低,入滲邊界與濕潤鋒之間形成較高的水勢梯度,濕潤鋒的推進速率較快;隨著時間的延長,濕潤體內含水量增大,水勢梯度明顯減小,導致濕潤鋒向下推移速度減緩。大孔隙扭曲度越小,土壤入滲界面承受的壓力勢瞬時增大,濕潤鋒的推進速度越快。扭曲度增大,水流所受的阻力加大,一定程度上降低了濕潤鋒的推進速度。綜合分析認為,大孔隙扭曲度深刻的影響著初期土壤水分的分布及整個濕潤鋒的推進速度,在模擬土壤水分入滲時,必須考慮大孔隙形狀對水分運移的影響。
為了定量分析大孔隙扭曲度對濕潤鋒的影響程度,將每個時間段的濕潤鋒深度平均化,得到大孔隙不同扭曲度下濕潤鋒深度隨時間的變化曲線(圖2)。由圖2可知,T1入滲最快,T∞入滲最慢,說明對于同樣長度的大孔隙,隨著扭曲度增大,濕潤鋒運移減慢;扭曲度減小,濕潤鋒運移加快。土體中大孔隙越陡直,水分沿大孔隙運動時與大孔隙間的摩擦阻力越小,水分入滲越快,濕潤鋒運移越快;大孔隙越扭曲,水分沿大孔隙運動時所受的阻力越大,水分入滲越慢,濕潤鋒運移越慢。
圖2 不同扭曲度下優(yōu)先流濕潤鋒入滲深度隨時間的變化
濕潤鋒深度(Zf)隨時間(t)的變化可以用冪函數(shù)進行擬合(Zf=atb),擬合參數(shù)結果詳見表2。由表2可看出,可用冪函數(shù)模擬不同扭曲度下濕潤鋒最大入滲深度,參數(shù)a值隨著大孔隙扭曲度的減小而增大,參數(shù)b隨大孔隙扭曲度的減小而減小。
表2 不同扭曲度大孔隙濕潤鋒最大
試驗中唯一變量是大孔隙的扭曲度,通過擬合扭曲度與參數(shù)a和參數(shù)b的關系,發(fā)現(xiàn)參數(shù)a,b與大孔隙扭曲度分別呈冪函數(shù)相關和對數(shù)相關。擬合結果分別為:
a=26.679T-1.571,T>1
(1)
b=0.1801lnT+0.177 1,T>1
(2)
式中:a——模型擬合的參數(shù);b——模型擬合的參數(shù);T——扭曲度。
結合Zf=atb得到濕潤鋒最大入滲深度于扭曲度的函數(shù)關系:
Zf=26.679T-1.571t0.180lnT+0.177 1,
T>1,R2>97.00%
(3)
式中:Zf——濕潤鋒入滲深度(cm);t——時間(min);T——扭曲度。
穿透時間是指水流穿透土柱的最小用時,即底孔開始出流的時間。土柱大孔隙扭曲度與水分穿透時間的關系對數(shù)函數(shù)進行很好的擬合(R2=0.960 5)??梢钥闯?,扭曲度越大,穿透時間越長。這是由于相同長度的大孔隙,其扭曲度越大,說明其孔隙深度越小,說明其經過的土柱越淺,繼而存在優(yōu)先流的區(qū)域越小,穿透一定高度的土柱所需要的時間也會越長。
圖3為不同大孔隙扭曲度下累積入滲量隨時間的變化曲線。在前50 min,累計入滲量增加速率由大至小依次為:T1>T1.2>T1.5,T2>T3>T∞,說明前50 min內,累計入滲量隨著扭曲度的增大而減小,即扭曲度越小,此段時間內的入滲量越大,扭曲度越大,此段時間的入滲量越??;而在50 min后,大孔隙所在土層,已經完全浸濕,進入到無大孔隙介質層,單位時間入滲量趨于穩(wěn)定,而累計入滲量呈現(xiàn)出穩(wěn)定增長的趨勢,而其增長幅度遠小于有大孔隙時的增加量。在全部入滲時段,累積入滲量隨大孔隙扭曲度增加均表現(xiàn)為減少趨勢。其原因在于,對于相同長度的大孔隙,扭曲度越小,說明孔隙越陡直,水分在沿重力方向(孔隙方向)上受到的阻力越小,越有利于水分的下滲。而扭曲度越大,說明大孔隙彎曲的程度越大,其在沿重力方向入滲時,受到的阻力越大,水分下滲速率下降。
圖3 扭曲度對累積入滲量的影響隨時間的變化
為定量分析大孔隙扭曲度對優(yōu)先流累積入滲量的影響,采用Kostiakov入滲模型不同扭曲度的大孔隙整個入滲過程的累積入滲量數(shù)據(jù)進行分析。Kostiakov入滲模型認為累積入滲量和時間呈冪函數(shù)關系,即
I=mtn
(4)
式中:I——累積入滲量(cm);t——入滲時間(min);m,n——模型參數(shù)。
經過擬合累計入滲量隨時間的變化關系得出各個扭曲度下的m,n,R2值(表3)。從表3可以看出,相關系數(shù)均大于0.98,說明Kostiakov入滲模型擬合大孔隙流累計入滲量的方法可行。同時,參數(shù)m隨著扭曲度的變化較大,呈現(xiàn)出隨著扭曲度的減小逐漸增大的趨勢。n隨著扭曲度波動較小,但是依舊能體現(xiàn)出其隨著扭曲度的減小逐漸減小的趨勢。
試驗中唯一變量是大孔隙的扭曲度,通過擬合扭曲度與參數(shù)m和參數(shù)n的關系,發(fā)現(xiàn)參數(shù)m和n與大孔隙扭曲度分別呈冪函數(shù)相關和對數(shù)相關。擬合結果分別為:
m=5.952 6T-1.408 1,T>1
(5)
n=0.202 8lnT+0.304 0,T>1
(6)
結合I=mtn得到累計入滲量與扭曲度的函數(shù)關系:
I=26.679T-1.408 1t0.202 8ln(T)+0.304 0
T>1,R2>99.30%
(7)
式中:I——累計入滲量(cm);t——時間(min);T——扭曲度。
表3 不同扭曲度下累計入滲量隨時間變化模型擬合
3結 論
(1) 大孔隙的形狀對于濕潤鋒運移的形狀影響較為明顯,大孔隙的扭曲方向深刻影響著濕潤鋒的形狀,當濕潤鋒運行到大孔隙之下深度時,濕潤鋒形狀逐漸趨于直線,形如無大孔隙存在的T∞。
(2) 大孔隙扭曲度對于濕潤鋒的最大入滲深度影響明顯。扭曲度越大,濕潤鋒運移的最大深度就越小。濕潤鋒運移深度與時間具有乘冪函數(shù)關系。
(3) 大孔隙的扭曲度對水分穿透土柱時間具有顯著影響。大孔隙扭曲度越大,穿透土柱用時越長,基本呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)關系
(4) 大孔隙扭曲度對于累計入滲量的影響可用類似Kostiakov入滲模型描述。扭曲度越大,一定時間內的累計入滲量越?。慌で热〈薑ostiakov入滲模型中的m,n參數(shù)。
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Effect of Macropore Tortuosity on Soil Infiltration
ZHANG Shaoni1, XU Xuexuan1,2, GAO Zhaoxia2, YU Miaozi3, ZHAO Chuanpu2
(1.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)
Abstract:[Objective] The effect of macropore tortuosity on infiltrition was examined in order to provide theoretical basis for how tortuosity influenced preferential flow transport. [Methods] The laboratory soil column infiltration experiments were conducted with man-made macropore in Heilu soils under different initial tortuosity. The effects of macropore tortuosity on wetting front migration, cumulative infiltration and penetration time were determined. [Results] The macropore tortuosity considerably influenced the shape of the wetting front migration and its movement in vertical and lateral directions; the decrease of macropore tortuosity could accelerate the migration of wetting front and increase the cumulative infiltration; the time for water to penetrate the soil column increased with the rise of macropore tortuosity; the depth of wetting front migration and the amount of cumulative infiltration had the exponential relationship with time. The parameters in these functions depended on the macropore tortuosity. The relationship between penetration time and macropore tortuosity could be described by a logarithmic function. [Conclusion] The macropore tortuosity extensively impacted some factors of infiltrition, and was one of the most important factors in studying preferential flow.
Keywords:macropore tortuosity; wetting front; cumulative infiltration; breakthrough time
文獻標識碼:A
文章編號:1000-288X(2015)04-0024-05
中圖分類號:S152.7
通信作者:徐學選(1966—),男(漢族),陜西省大荔縣人,博士,研究員,主要從事生態(tài)水文研究。E-mail:xuxuexuan@nwsuaf.edu.cn。
收稿日期:2014-05-03修回日期:2014-05-28
資助項目:國家自然科學基金項目“黃土丘陵區(qū)小流域大氣降水—土壤水—地下水轉化行為機理研究”(41171421)
第一作者:張少妮(1989—),女(漢族),碩士研究生,主要研究方向為流域管理。E-mail:zhshn1029@126.com。