賀衛(wèi)華， 梁欣欣， 陸 飛

(1. 湖南省湘潭市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南湘潭 411400；2.南昌工程學(xué)院，江西南昌 330099)

容重對(duì)紅壤土水平一維入滲水分運(yùn)移特性的影響

賀衛(wèi)華1， 梁欣欣2， 陸 飛2

(1. 湖南省湘潭市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南湘潭 411400；2.南昌工程學(xué)院，江西南昌 330099)

摘要[目的]研究水平一維入滲條件下，容重對(duì)紅壤土水分入滲的影響。[方法]以不同容重的紅壤土為研究對(duì)象，進(jìn)行了室內(nèi)水平入滲試驗(yàn)。[結(jié)果]相同時(shí)間內(nèi)容重越大，水分運(yùn)移的速度越慢，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離越小，累積入滲量越??；在濕潤(rùn)鋒之上,相同容重的土壤含水量差別不大，在相同的入滲距離,土壤容重越大，含水量越小。[結(jié)論]建立了紅壤土一維水平入滲條件下容重與濕潤(rùn)鋒關(guān)系模型，改進(jìn)了一維水平入滲條件下的Philip模型。

關(guān)鍵詞紅壤；水平入滲；容重

江西省是農(nóng)業(yè)大省[1]，也是我國(guó)紅壤集中分布的地區(qū)。在土壤水分入滲方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[2-6]，關(guān)于土壤容重對(duì)入滲的影響也有一些研究。潘云等[5]研究了土壤容重對(duì)土壤水分入滲特性的影響，李濤等[7]研究了土壤容重對(duì)深層坑滲灌入滲特性的影響，吳軍虎等[8]研究了容重對(duì)不同有機(jī)質(zhì)含量土壤水分入滲特性的影響，李卓等[9]進(jìn)行了容重對(duì)土壤水分入滲能力影響的模擬試驗(yàn)，張振華等[10]定量分析了氣相阻力與土壤容重對(duì)一維垂直入滲的影響。筆者通過室內(nèi)試驗(yàn)研究水平一維入滲條件下容重對(duì)紅壤土水平入滲及硝態(tài)氮運(yùn)移的影響，以期為紅壤區(qū)灌溉提供理論支撐。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料供試土樣取自江西省進(jìn)賢縣，取地表40 cm的種植土，將試驗(yàn)土樣風(fēng)干、粉碎，過2 mm篩，用塑料薄膜覆蓋保存，備用。試驗(yàn)開始前測(cè)得初始含水率為3.60%，容重1.30 g/cm3土樣的飽和導(dǎo)水率為2.141×10-5cm/s。采用 BT-9300H激光粒度分布儀測(cè)定土壤顆粒，粒徑>0.050 mm的土壤含量為21.13%,0.050～0.001 mm的含量為38.26%，<0.001 mm的含量為40.61%。顆粒分析試驗(yàn)土樣為中黏壤土。試驗(yàn)地點(diǎn)在南昌工程學(xué)院灌溉排水試驗(yàn)中心。

1.2試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置由水平土柱和供水系統(tǒng)2部分組成。水平土柱采用直徑10.00 cm、長(zhǎng)度80.00 cm的有機(jī)透明玻璃筒，土筒每間隔2.50 cm開1個(gè)直徑為1.00 cm的小孔取土；供水系統(tǒng)由馬氏瓶提供穩(wěn)定入滲水頭。

1.3試驗(yàn)方法采用水平一維入滲試驗(yàn)，土壤容重設(shè)定5個(gè)水平,分別為 1.20、1.25、1.30、1.35、1.40 g/cm3。供試土樣按照設(shè)定容重計(jì)算每層(5.00 cm)土的質(zhì)量，用自制的夯土器夯實(shí)均勻，土柱表層用濾紙鋪墊以防止入滲不均勻，土層之間用軟毛刷刷平防止土層之間分層。試驗(yàn)開始前將土柱倒立并打開馬氏瓶給水室供水，當(dāng)水室充滿水時(shí)，立即將土柱放平開始試驗(yàn)，同時(shí)打開秒表計(jì)時(shí)和記錄馬氏瓶的初始讀數(shù)。

試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)間間隔按照先密后疏的原則，待入滲穩(wěn)定后結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束供水后取土樣，剖面取土點(diǎn)布置在土柱的水平剖面上，每5.00 cm布設(shè)1個(gè)取土點(diǎn)，取樣方向自濕潤(rùn)鋒處取土至進(jìn)水口，取得土樣迅速裝入鋁盒，采用烘干法測(cè)定含水量。

2結(jié)果與分析

2.1不同容重對(duì)一維水平入滲條件下土壤濕潤(rùn)鋒的影響濕潤(rùn)鋒為入滲過程中土壤濕潤(rùn)區(qū)的前緣，它指示水分入滲的最大深度，隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)，濕潤(rùn)鋒深度不斷增加。在水平一維入滲中,水分在土壤基質(zhì)吸力的作用下進(jìn)入土體并在土體內(nèi)運(yùn)動(dòng),形成濕潤(rùn)區(qū)。在入滲初期,由于土壤初始含水率很低,土壤基質(zhì)勢(shì)梯度大,在短時(shí)間內(nèi)濕潤(rùn)鋒前進(jìn)的速度很快。隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng),基質(zhì)勢(shì)梯度變小并接近某一穩(wěn)定的值，濕潤(rùn)鋒向前推移的速率變小并趨于穩(wěn)定。從圖1可見，在相同時(shí)間內(nèi)，不同容重紅壤在入滲過程中濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離差異顯著，隨著容重的增大，濕潤(rùn)鋒依次顯著降低。555 min時(shí)，5個(gè)容重水平下的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離依次為41.87、34.57、26.77、23.10、21.83 cm。達(dá)到穩(wěn)定入滲時(shí)，紅壤容重越大，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離越小。

圖1　不同容重下紅壤濕潤(rùn)鋒距離隨時(shí)間的變化情況Fig.1　The variation law of wetting front distance with time in different bulk density red soil

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在水平一維入滲過程中，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的距離可用下式表示：

Xt=Kt0.5

(1)

式中,Xt為t時(shí)刻濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離，K為系數(shù)項(xiàng)。采用最小二乘估計(jì)擬合模型參數(shù)，5種容重水平紅壤的溶液入滲擬合模型見表1。由表1可知，各模型的R2均大于0.990 0，模型的回歸精度很高。模型說明濕潤(rùn)鋒前進(jìn)距離與時(shí)間的平方根呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系；K值隨著土壤容重的增大而減小，說明隨著紅壤容重的增大,密實(shí)度增大,大孔隙減少,水分通道變小,水分的運(yùn)移速度變慢，濕潤(rùn)鋒前進(jìn)越慢。

表1濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系模型

Table 1The relationship model between wetting front transport distance and time

容重Bulkdensity∥g/cm3模型ModelKR21.20Xf=1.7422t0.51.74220.99381.25Xf=1.4510t0.51.45100.99391.30Xf=1.1355t0.51.15500.99941.35Xf=0.9967t0.50.99670.99601.40Xf=0.8637t0.50.86370.9922

為進(jìn)一步分析紅壤容重與濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移系數(shù)(K)的關(guān)系，對(duì)容重與K進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如式(2)?；貧w模型的R2=0.994 2，說明模型的回歸精度很高。

K=4.016ρ-4.623

(2)

將式(2)代入式(1)，得到紅壤容重與濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離的關(guān)系模型：

Xt=4.016ρ-4.623t0.5

(3)

2.2不同容重對(duì)一維水平入滲條件下土壤累積入滲量的影響從圖2可見，累積入滲量隨容重的增大而減少。從圖3可見，相同時(shí)間內(nèi)，隨著土壤容重的增大,土壤累積入滲量減少。

圖2　不同容重下紅壤累積入滲量隨時(shí)間的變化情況Fig.2　The variation of cumulative infiltration volume with time in different bulk density red soil

圖3　同一時(shí)刻不同容重下紅壤累積入滲量的變化情況Fig.3　The variation of cumulative infiltration volume in different bulk density red soil at the same time

2.3不同容重對(duì)一維水平入滲條件下土壤入滲率的影響從圖4可見，隨著紅壤容重的增大，入滲率逐漸減少。在試驗(yàn)前200 min，入滲率保持較高水平，入滲率變化較大，不同容重入滲率的斜率差別較大，說明在入滲前期，容重對(duì)入滲率的影響較大；200 min后，入滲率趨于穩(wěn)定，不同容重入滲率的斜率變化較小，說明在入滲后期，容重對(duì)入滲率的影響變化較小。

圖4　不同容重下紅壤入滲率隨時(shí)間的變化情況Fig.4　The variation of infiltration rate with time in different bulk density red soil

從圖5可見，不同容重紅壤入滲率與時(shí)間平方根的倒數(shù)呈顯著的線性關(guān)系，這與Philip入滲模型相符合。

Philip入滲模型具有明確的物理意義，在入滲試驗(yàn)中得到很好的驗(yàn)證，應(yīng)用很廣泛[11-12]。水平一維入滲的Philip模型如下[13]：

土壤累積入滲量(I)表示為：

I=St0.5

(4)

對(duì)累積入滲量求導(dǎo)，就可以得到入滲率(i)：

(5)

式中,S為吸濕率，t為入滲時(shí)間。

利用回歸分析，對(duì)Philip模型的參數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見表2。

圖5　不同容重下紅壤入滲率與時(shí)間平方根的倒數(shù)關(guān)系Fig.5　The relationship between the infiltration rate and the reciprocal of the square root of time in different bulk density red soil

Table 2The Philip infiltration model in the different bulk density red soil

容重Bulkdensity∥g/cm3模型ModelSR21.20i=5.2976t-0.510.59520.95181.25i=3.8240t-0.57.64800.95341.30i=3.2731t-0.56.54620.95811.35i=3.1331t-0.56.26620.99671.40i=2.8963t-0.55.79260.9924

從各個(gè)容重的水平一維入滲Philip模型回歸精度來看，R2均大于0.950 0，模型的回歸精度較高。為了進(jìn)一步分析紅壤容重與入滲的關(guān)系，將容重與吸濕系數(shù)(S)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如式(6)。回歸模型的R2=0.972 0，回歸精度較高。

S=164.85ρ2-450.53ρ+313.67

(6)

將式(6)代入式(5)，可得以容重、時(shí)間為自變量，改進(jìn)的紅壤土一維水平入滲的Philip模型：

i=(82.43ρ2-225.27ρ+156.84)t-0.5

(7)

2.4不同容重對(duì)一維水平入滲條件下土壤含水率的影響從圖6可見，不同容重紅壤的水平一維入滲各土層含水量分布趨勢(shì)相同，除濕潤(rùn)鋒附近含水量有明顯陡降外，其余土層含水量隨入滲方向緩慢減小但變化不大；在相同入滲距離，容重越大，土層含水量越小。這是由于容重反映了土壤的緊密程度，其變化能夠影響土壤的大孔隙含量，大孔隙量隨容重的增大而減小，從而影響土壤水分的運(yùn)移。

圖6　不同紅壤容重下各土層含水量分布Fig.6　The moisture distribution in each layer of different bulk density red soil

3結(jié)論

(1)入滲率、累積入滲量以及濕潤(rùn)鋒均隨紅壤容重的增大而減小，表明紅壤容重的變化改變了土壤的孔隙度，從而改變土壤的導(dǎo)水能力。

(2)經(jīng)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，建立了紅壤土一維水平入滲條件下，容重與濕潤(rùn)鋒關(guān)系的模型；改進(jìn)了一維水平入滲條件下的Philip模型，使模型能夠直接反映容重與入滲率、入滲量之間的關(guān)系。

(3)在濕潤(rùn)鋒之上,相同容重的土壤含水量差別不大，在相同的入滲距離,土壤容重越大，含水量越小。

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Study on the Effect of Bulk Density on One-dimensional Horizontal Infiltration and Water Transport Properties in Red Soil

HE Wei-hua1, LIANG Xin-xin2, LU Fei2

(1. Xiangtan Water Resources and Hydro-power Design Institute, Xiangtan, Hunan 411400; 2. Nanchang Institute of Technology, Nanchang, Jiangxi 330099)

Abstract[Objective] The aim was to study the effects of soil bulk density on moisture infiltration under the condition of one-dimensional horizontal infiltration. [Method] With different bulk density red soil as the research object, indoor horizontal infiltration experiment was conducted. [Result] The experimental results showed that during the same time, the higher the density, the slower the moisture migration speed, the smaller wetting front transport distance and the cumulative infiltration amount; On the wetting front, the soil’s moisture of same density aren’t very different, but in the same infiltration distance, the greater the soil bulk density, the smaller the moisture content. [Conclusion] The relationship model between bulk density and wetting front under the condition of red soil one-dimensional horizontal infiltration is established, the Philip model under one-dimensional horizontal infiltration condition is improved.

Key wordsRed soil; Horizontal infiltration; Bulk density

基金項(xiàng)目江西省科技成果重點(diǎn)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化項(xiàng)目 (20142BBI0020);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51269020)。

作者簡(jiǎn)介賀衛(wèi)華(1973- )，男，湖南湘潭人，工程師，從事農(nóng)業(yè)水利工程、水資源管理研究。

收稿日期2016-03-21

中圖分類號(hào)S 152.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)12-165-03