畢 遠(yuǎn) 杰

(山西省水利水電科學(xué)研究院，太原 030002)

0 引 言

土壤水分入滲過程受到諸多因素的影響，其中入滲水水質(zhì)就是其主要影響因素之一。入滲水中所含化學(xué)物質(zhì)隨入滲水分進(jìn)入土壤后，與土壤中原有的化學(xué)物質(zhì)及土壤顆粒之間發(fā)生物理化學(xué)作用，從而導(dǎo)致土壤孔隙分布特征發(fā)生改變，進(jìn)而影響作物對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的吸收[1,2]。隨著淡水資源的日益緊缺，除了采取一定的措施提高淡水資源的利用效率外，合理開發(fā)利用微咸水資源已成為緩解水資源供需矛盾的有效途徑。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從入滲水礦化度[3-5]、入滲水量[6]、土壤初始條件[7]、土壤質(zhì)地[8,9]等方面就微咸水入滲特征及理論做了大量的研究，結(jié)果表明微咸水入滲后土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致其土壤水分入滲特性發(fā)生改變。史曉楠[10]、吳忠東[11]、栗濤[12]等利用一維代數(shù)入滲模型和Green-Ampt模型分析微咸水入滲過程，結(jié)果表明兩模型均可以用于描述微咸水入滲土壤水分運(yùn)動(dòng)及分布規(guī)律，但由于微咸水入滲改變了傳統(tǒng)淡水入滲公式推求的基本條件，從而導(dǎo)致淡水入滲模型描述微咸水入滲時(shí)計(jì)算的誤差相對(duì)較大。因此，如何將入滲水的水質(zhì)因素融入模型，是改善淡水入滲模型對(duì)微咸水入滲計(jì)算精度的關(guān)鍵。

論文首先采用一維代數(shù)模型模擬微咸水入滲土壤含水率分布，在對(duì)模擬結(jié)果對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，對(duì)淡水入滲條件下的一維代數(shù)模型進(jìn)行改進(jìn)，把微咸水入滲對(duì)土壤水分入滲特性的影響歸結(jié)為土壤孔隙率發(fā)生改變的結(jié)果，建立微咸水入滲條件下的一維代數(shù)模型，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。論文所建立的微咸水入滲條件下的一維代數(shù)模型僅通過代數(shù)計(jì)算就可以推求出土壤水分運(yùn)動(dòng)特征，減少了數(shù)值計(jì)算過程所引起的誤差，為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)微咸水灌溉條件下的土壤水分特征提供了準(zhǔn)確、便捷的方法。

1 一維代數(shù)模型在微咸水入滲中的應(yīng)用

1.1 一維代數(shù)模型

一維代數(shù)模型是王全九等[13]推求的一種適用于描述恒定水頭條件下土壤一維積水入滲過程的土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，該模型計(jì)算過程簡(jiǎn)單，其代數(shù)計(jì)算過程可有效減小由于數(shù)值計(jì)算所引起的誤差。當(dāng)土壤初始含水量較低時(shí)，取滯留含水量等于土壤初始含水量，一維代數(shù)模型可以表達(dá)為：

(1)

(2)

(3)

式中：i為入滲率，cm/min；ks為飽和導(dǎo)水率，cm/min；β為非飽和土壤吸力分配系數(shù)，1/cm；zf為濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離，cm；I為累積入滲量，cm；θs為土壤飽和含水量，cm3/cm3；α為土壤水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率綜合性狀系數(shù)；θi為土壤初始含水量，cm3/cm3；θ為土壤含水量，cm3/cm3；z為土體中任意一點(diǎn)距離土表的深度，cm。

由式(1)～(3)可知，在應(yīng)用一維代數(shù)模型分析土壤水分運(yùn)動(dòng)特征時(shí)，α、β和ks需要根據(jù)試驗(yàn)資料確定，而θs、θi是土壤水分基本參數(shù)，可通過試驗(yàn)獲得。

明確了累積入滲量與濕潤(rùn)鋒的關(guān)系，計(jì)算出α值后，土體中任意一點(diǎn)的土壤含水量便可以由式(3)計(jì)算得出。

1.2 微咸水入滲試驗(yàn)

礦化度和鈉離子相對(duì)含量是微咸水兩個(gè)重要的水質(zhì)指標(biāo)，鈉離子相對(duì)含量一般用鈉吸附比(簡(jiǎn)寫做SAR)表示。研究表明[14]：入滲水的礦化度(簡(jiǎn)寫做C)和鈉吸附比均一定程度的影響土壤水分入滲特性。本文為了分析不同礦化度和鈉吸附比組合的微咸水入滲特性，選擇了8種不同的微咸水進(jìn)行了一維積水入滲試驗(yàn)。

供試土樣容重1.42 g/cm3，初始含水量4.8%，飽和含水量49.8 %，土壤顆粒組成及主要離子含量列于表1中。

表1 土壤顆粒組成及主要離子含量

利用式(2)對(duì)8組不同水質(zhì)入滲的實(shí)測(cè)資料對(duì)累積入滲量與濕潤(rùn)鋒推進(jìn)深度間關(guān)系進(jìn)行擬合，并計(jì)算相應(yīng)的α值，結(jié)果如表2所示。

表2 擬合及計(jì)算結(jié)果

將α值帶入式(3)，計(jì)算得到土體中任意一點(diǎn)的含水率值，將不同入滲水質(zhì)入滲后的土壤含水量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示。從圖1可以看出，入滲水為蒸餾水時(shí)，計(jì)算的土壤含水量與實(shí)測(cè)值吻合較好，其余處理計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間差別較大，且主要表現(xiàn)為上層土壤計(jì)算含水量小于實(shí)測(cè)值，下層土壤則恰恰相反，這也從某種角度說(shuō)明了微咸水入滲后改變土壤結(jié)構(gòu)特征，降低土壤保水能力。在8組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，含水量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差的絕對(duì)值介于0.17%～15.76%之間，剖面含水量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差介于1.38%～16.72%之間，可見，采用一維入滲模型計(jì)算微咸水入滲時(shí)，計(jì)算結(jié)果均可以反映土壤水分分布特征，但計(jì)算精度受水質(zhì)指標(biāo)影響較大，其計(jì)算精度得不到保證。

2 微咸水入滲條件下的一維代數(shù)模型

2.1 模型建立

由于微咸水滲入到土壤后導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)及孔隙性改變，因此把微咸水入滲對(duì)土壤水分入滲特性的影響歸結(jié)為土壤孔隙率發(fā)生改變的結(jié)果，而土壤孔隙率改變?cè)谝痪S代數(shù)模型中則反應(yīng)在土壤飽和含水量上，這樣，一維代數(shù)模型可以寫作：

(4)

(5)

式中：λ為土壤孔隙率變化系數(shù)；其他符號(hào)意義同前。

2.2 參數(shù)確定

在分析不同水質(zhì)入滲條件下的入滲資料時(shí)發(fā)現(xiàn)，相同的入滲時(shí)間內(nèi)，入滲水質(zhì)不同，濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離不同，土壤累積入滲量亦有所不同。定義入滲結(jié)束時(shí)累積入滲量與濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離的比值為整個(gè)濕潤(rùn)體平均含水量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同入滲水質(zhì)入滲后，濕潤(rùn)體平均含水量不同。這種差別間接地反映了土壤孔隙性的變化，因此，以此為出發(fā)點(diǎn)，尋求微咸水入滲后土壤孔隙性變化的規(guī)律。

圖1 含水量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比圖

上述分析中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于入滲水質(zhì)為蒸餾水的情況，用一維代數(shù)模型計(jì)算其含水量剖面的結(jié)果較為理想。為了進(jìn)一步分析其計(jì)算含水量與實(shí)測(cè)含水量之間的差別，特利用線性函數(shù)對(duì)計(jì)算含水量和實(shí)測(cè)含水量進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見式(6)，從擬合結(jié)果可以看出，計(jì)算的含水量和實(shí)測(cè)的含水量之間的相對(duì)誤差分別為0.3%，可見計(jì)算精度較高。因此，假定采用這種水質(zhì)入滲對(duì)土壤孔隙性沒有影響，進(jìn)而以該入滲水條件下的濕潤(rùn)體平均含水量作為對(duì)照，其他水質(zhì)入滲后的濕潤(rùn)體平均含水量與其比值作為該入滲水質(zhì)入滲條件下土壤孔隙率變化系數(shù)。土壤孔隙率變化系數(shù)計(jì)算過程見表3。

θ計(jì)算=0.997θ實(shí)測(cè)R2=0.996

(6)

用實(shí)測(cè)資料擬合累積入滲量與濕潤(rùn)鋒的關(guān)系后，將相應(yīng)λ帶入(4)，便可計(jì)算出修正后的α值，將其帶入式(5)便可以計(jì)算出修正后的剖面含水量，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料的對(duì)比如圖2所示。

由圖2可以看出，一維代數(shù)模型經(jīng)過改進(jìn)后，計(jì)算的含水量與實(shí)測(cè)值之間吻合較好，經(jīng)計(jì)算知其最大相對(duì)誤差的絕對(duì)值不超過5%。

D K Singh[15]、Schwartzman and Zur[16]等研究表明地下滴灌的濕潤(rùn)鋒與其影響因子之間呈較好的多元乘冪函數(shù)關(guān)系。

表3 土壤孔隙率變化系數(shù)計(jì)算

由上述分析可知，礦化度和SAR為影響微咸水入滲過程的主要因素，因此，在此對(duì)不同水質(zhì)入滲水入滲后濕潤(rùn)鋒與其影響因子之間的關(guān)系也采用zf=aSARbCc形式的多元乘冪函數(shù)擬合，擬合的相關(guān)系數(shù)較高，達(dá)到0.87。擬合結(jié)果見式(7)。

zf=21.879SAR-0.396C0.173R=0.87

(7)

式中：zf為入滲結(jié)束時(shí)濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離，cm。

圖2 含水量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比圖

由上述分析可知，濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離與入滲水的SAR和礦化度之間呈較明顯的多元乘冪函數(shù)形式，而土壤孔隙率變化系數(shù) 與濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離有關(guān)，于是采用元乘冪函數(shù)形式對(duì) 與入滲水礦化度和SAR值進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)擬合結(jié)果較為理想，其擬合的相關(guān)系數(shù)較高，達(dá)到了0.981。擬合結(jié)果見式(8)。

λ=0.872SAR0.046C-0.011R=0.97

(8)

這樣，微咸水入滲條件下的一維代數(shù)模型便可以寫作：

(9)

(10)

(11)

2.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述模型的準(zhǔn)確性及計(jì)算精度，采用另外兩組實(shí)測(cè)資料對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，選用的兩組入滲資料其入滲水水質(zhì)指標(biāo)分別為：SAR=14.32，C=1.55；SAR=11.67，C=5.2。將其帶入式(8)計(jì)算得到λ分別為：0.981和0.959。累積入滲率與濕潤(rùn)鋒之間的擬合結(jié)果為：I=0.367zf，R2=0.972；I=0.338zf，R2=0.969，因此α值分別為0.200和0.271，將其帶入式(11)計(jì)算剖面含水量，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料的對(duì)比如圖3所示。

圖3 含水量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比圖

利用線性函數(shù)對(duì)計(jì)算含水量和實(shí)測(cè)含水量進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見式(12)及(13)，從擬合結(jié)果中可以看出，計(jì)算的含水量和實(shí)測(cè)含水量之間的誤差分別為1.1%和-1.8%，可見模型的計(jì)算精度較高。

θ計(jì)算= 1.011θ實(shí)測(cè)R2=0.989

(12)

θ計(jì)算= 0.982θ實(shí)測(cè)R2=0.994

(13)

3 結(jié) 論

在采用一維代數(shù)模型計(jì)算微咸水入滲土壤含水量時(shí)發(fā)現(xiàn)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間差別較大，且主要表現(xiàn)為上層土壤計(jì)算含水量小于實(shí)測(cè)值，下層土壤則恰恰相反。通過多組入滲資料的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用一維入滲模型計(jì)算微咸水入滲時(shí)，模型均可以反映土壤水分分布特征，但計(jì)算精度受水質(zhì)指標(biāo)影響較大，其計(jì)算精度得不到保證。因此對(duì)淡水入滲條件下的一維代數(shù)模型進(jìn)行改進(jìn)，把微咸水入滲對(duì)土壤水分入滲特性的影響歸結(jié)為土壤孔隙率發(fā)生改變的結(jié)果，而土壤孔隙率改變?cè)谝痪S代數(shù)模型中則反應(yīng)在土壤飽和含水量上，因此將土壤飽和含水量乘以一個(gè)土壤孔隙率變化系數(shù) ，建立了微咸水入滲條件下的一維代數(shù)模型并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明計(jì)算的含水量和實(shí)測(cè)含水量之間的誤差較小，模型的計(jì)算精度較高。

參考文獻(xiàn)：

[1] Rhoades J D. The use of saline water for crop production[R]. Irrigation and drainage, Rome FAO, 1992．

[2] Oster J D. Irrigation with poor quality water[J]. Agricultural Water Manage, 1994,25:271-275．

[3] 劉婷姍，高艷明，李建設(shè). 不同礦化度微咸水入滲下土壤水鹽運(yùn)移特征研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2014，33(3)：68-72．

[4] 史曉楠,王全九,蘇 瑩,等.微咸水水質(zhì)對(duì)土壤水鹽運(yùn)移特征的影響[J].干旱區(qū)地理,2005,28(4):516-520.

[5] 郭太龍,遲道才,王全九,等.入滲水礦化度對(duì)土壤水鹽運(yùn)移影響的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005,21(Z1):84-87.

[6] 蘇 瑩,王全九,葉海燕,等.微咸水不同入滲水量土壤水鹽運(yùn)移特征研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2005,23(4):43-48.

[7] 王全九,葉海燕,史曉南, 等.土壤初始含水量對(duì)微咸水入滲特征影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2004,18(1):51-53.

[8] 楊 艷,王全九.微咸水入滲條件下堿土和鹽土水鹽運(yùn)移特征分析[J].水土保持學(xué)報(bào),2008,22(1):13-19.

[9] 趙麗麗,張振華,李陸生.濱海鹽漬土和棕壤咸水入滲特征分析[J].水土保持通報(bào),2013,33(3):44-48,117.

[10] 史曉楠,王全九,巨 龍,等.微咸水入滲條件下Philip模型與Green-Ampt模型參數(shù)的對(duì)比分析[J].土壤學(xué)報(bào),2007,44(2):360-363.

[11] 吳忠東，王全九. 利用一維代數(shù)模型分析微咸水入滲特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(6)：21-26.

[12] 栗 濤，王全九. 淡水入滲模型對(duì)咸水入滲過程的適用性[J].灌排機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，32(1)：80-85.

[13] 王全九，邵明安，鄭紀(jì)勇．土壤中水分運(yùn)動(dòng)與溶質(zhì)運(yùn)移[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，2007：12-14.

[14] 王全九,單魚洋. 微咸水灌溉與土壤水鹽調(diào)控研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，(12):117-126.

[15] D K Singh, T B S Rajput, D K Singh, et al. Simulation of soil wetting pattern with subsurface drip irrigation from line source[J]. Agricultural Water Management, 2006,83(1-2):130-134.

[16] Schwartzman M, Zur B. Emitter spacing and geometry of wetted soil volume[J]. J. Irrig. Drain. Eng. 1986,112(3):242-253.