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        鹽漬土水分下滲能力及水鹽動(dòng)態(tài)運(yùn)移試驗(yàn)

        2021-03-23 10:40:22孫曉慶卞建民趙玉紅孟修敬
        實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2021年2期
        關(guān)鍵詞:模型

        孫曉慶,卞建民,趙玉紅,楊 平,孟修敬

        (1.吉林大學(xué)新能源與環(huán)境學(xué)院,長(zhǎng)春 130021;2.中兵勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100053)

        0 引言

        在世界干旱和半干旱地區(qū)分布著大面積的鹽漬土,且在原來(lái)沒(méi)有鹽漬化土壤的地區(qū),由于農(nóng)業(yè)灌區(qū)灌排管理不當(dāng)?shù)仍?,在特定地質(zhì)條件下同樣易引起土壤次生鹽漬化問(wèn)題,嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,土壤鹽漬化防治已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要問(wèn)題之一。鹽漬土在灌溉或降雨等條件下的水鹽動(dòng)態(tài)和水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律已成為防止鹽漬土產(chǎn)生及其防治的重要理論研究基礎(chǔ)[1-3],更是研究鹽漬土的形成,沖洗、排水與種稻等改良措施效果的前提條件,具有重要的實(shí)際意義[4-7]。

        土壤水鹽動(dòng)態(tài)運(yùn)移規(guī)律研究,首先要了解水分的運(yùn)移動(dòng)態(tài)規(guī)律,目前已有很多學(xué)者采用不同的方法對(duì)于土壤水分入滲規(guī)律展開(kāi)了大量研究,總結(jié)了眾多土壤水分入滲模型,主要分為三類:基于物理意義的模型,包括Green-Ampt 模型、Philip 公式(1957)、Smith模型、Smith-Parlange 入滲公式;半經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,包括Horton 模型、Holtan 模型、Overton 模型、Singh-Yu 模型;經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,包括Kostiacov 模型、Huggins-Monke 模型、修正的Kostiacov模型、Collis-George 模型等。其中Kostiacov模型是最簡(jiǎn)單的入滲模型,雖然其參數(shù)沒(méi)有明確的物理意義,但由于其形式簡(jiǎn)單與計(jì)算方便,且沒(méi)有太多的條件要求,所以應(yīng)用比較廣泛[8-12]。

        在土壤水分下滲模型研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)鹽漬土區(qū)的水鹽動(dòng)態(tài)展開(kāi)研究。趙永敢等通過(guò)土柱模擬試驗(yàn),對(duì)比研究了秸稈隔層及其構(gòu)成因素對(duì)土壤水分入滲、蒸發(fā)過(guò)程,毛管水運(yùn)動(dòng)和潛水蒸發(fā)特性的影響,揭示了“上膜下秸”對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的調(diào)控過(guò)程與機(jī)理,表明入滲過(guò)程中,秸稈隔層與土層交際面處的水勢(shì)逆差使隔層對(duì)其上土壤具有長(zhǎng)期的儲(chǔ)水作用,同時(shí)促使土壤中可溶性鹽充分溶解后隨水下滲,降低了隔層以上土壤含鹽量[13-21]。趙文娟等對(duì)寧夏銀北地區(qū)典型試驗(yàn)區(qū)在春夏季的鹽漬土水鹽動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行試驗(yàn)研究,在整個(gè)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)期內(nèi),淺表層土壤的水鹽動(dòng)態(tài)變化最為劇烈。在淺層土壤水平斷面中,土壤含水率呈現(xiàn)出東北高西南低的曲面形態(tài),這一曲面隨時(shí)間而波動(dòng),變幅隨深度的增加而減小。與土壤含水率變化規(guī)律相反,監(jiān)測(cè)期內(nèi)土壤水鹽動(dòng)態(tài)變化劇烈[22-29]。綜合上述研究,學(xué)者針對(duì)鹽漬土區(qū)特定的水土環(huán)境進(jìn)行水鹽動(dòng)態(tài)運(yùn)移規(guī)律的研究,論述了不同農(nóng)業(yè)區(qū)域,土壤水分和鹽分的動(dòng)態(tài)分布及耦合作用。

        不同鹽漬土土壤結(jié)構(gòu)影響土壤水鹽的動(dòng)態(tài)分布,同時(shí)也具有不同的水分下滲規(guī)律。在以往研究基礎(chǔ)上。本文設(shè)計(jì)定水頭分層土壤水分下滲試驗(yàn)和變水頭土壤剖面水分下滲試驗(yàn),針對(duì)吉林西部鹽漬土區(qū)不同深度與不同結(jié)構(gòu)的土壤剖面,展開(kāi)灌溉條件下定水頭與變水頭供水時(shí)水分下滲規(guī)律、下滲能力及水鹽動(dòng)態(tài)運(yùn)移規(guī)律研究,為區(qū)域鹽漬土的演變和防治研究提供重要的理論基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)土樣

        試驗(yàn)土樣取自吉林西部大安地區(qū),為鹽漬土。分5 個(gè)剖面進(jìn)行取樣,深度合計(jì)100 cm,每個(gè)剖面20 cm,剖面由上之下依次記為P1、P2、P3、P4、P5。土壤理化性質(zhì)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。采用激光粒度儀進(jìn)行土樣顆粒分析,結(jié)果見(jiàn)表2。

        表1 土樣理化性質(zhì)測(cè)定結(jié)果

        表2 土樣顆粒分析結(jié)果 %

        1.2 試驗(yàn)設(shè)備

        土壤試驗(yàn)裝置分為定水頭供水下滲裝置和變水頭供水下滲裝置,見(jiàn)圖1。定水頭供水下滲裝置用于進(jìn)行分層土壤水分下滲實(shí)驗(yàn),識(shí)別每層土壤的下滲能力及土壤水分分布,主要由可控制定水頭的馬里奧特供水裝置、裝樣桶兩部分構(gòu)成;變水頭供水下滲裝置用于下滲水分和鹽分在土壤100 cm 剖面的動(dòng)態(tài)運(yùn)移規(guī)律識(shí)別試驗(yàn),裝置設(shè)置兩排觀測(cè)孔,一排用于安裝土壤負(fù)壓計(jì),測(cè)負(fù)壓水頭;另一排用于安裝多參數(shù)測(cè)定儀,測(cè)定土壤含水率、孔隙水電導(dǎo)率、土壤體電導(dǎo)率指標(biāo)。

        圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

        1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

        本試驗(yàn)主要從定水頭和變水頭供水兩個(gè)角度對(duì)鹽漬化土壤水鹽下滲規(guī)律進(jìn)行研究,通過(guò)測(cè)量不同深度土壤的含水率及電導(dǎo)率值,分析鹽漬土不同土壤層的貯存和攔截水分的能力,以及土壤水分形態(tài),總結(jié)100cm深度剖面土壤水分下滲過(guò)程中水鹽運(yùn)移動(dòng)態(tài)規(guī)律。試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

        表3 土壤水鹽下滲試驗(yàn)方案

        1.4 試驗(yàn)步驟

        (1)采用5 個(gè)定水頭供水下滲試驗(yàn)裝置,按照P1~P5 每層的實(shí)際干容重(見(jiàn)表1)分別裝樣,供水箱裝滿水,連接好儀器,地表供水水深恒定2 cm,進(jìn)行方案1 的下滲實(shí)驗(yàn)。

        (2)采用變水頭供水下滲試驗(yàn)裝置,按照P1~P5每層的實(shí)際干容重(見(jiàn)表1)裝樣,由下至上浸潤(rùn)土柱,測(cè)量不同觀測(cè)點(diǎn)的含水率,滿足采集土壤初始含水率后開(kāi)始實(shí)驗(yàn),初始地表供水水深5 cm,進(jìn)行方案2 的下滲實(shí)驗(yàn)。

        (3)定水頭下滲濕潤(rùn)鋒到達(dá)剖面底部試驗(yàn)即終止,測(cè)定P1~P5 土柱表面以下4、7 cm處土壤含水率;當(dāng)變水頭供水的水深在蒸發(fā)和下滲共同作用下,水深為0 時(shí)停止試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中測(cè)定不同觀測(cè)點(diǎn)(20、40、60、80、100 cm)不同時(shí)間(間隔20 h 測(cè)量1 次,合計(jì)22次)的下滲率、孔隙水及土壤體電導(dǎo)率。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 土壤水分下滲規(guī)律

        根據(jù)定水頭下滲實(shí)驗(yàn),測(cè)試P1~P5 土壤剖面入滲率及累積下滲量(以供水水箱的下降刻度cm表示)隨時(shí)間變化數(shù)據(jù),繪制兩者變化曲線,見(jiàn)圖2。根據(jù)變水頭供水下滲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制入滲率、累積入滲量隨時(shí)間的變化曲線,見(jiàn)圖3。

        圖2 定水頭下滲實(shí)驗(yàn)各層剖面土壤入滲率與累積下滲量隨時(shí)間變化

        圖3 變水頭下滲實(shí)驗(yàn)土壤入滲率及累積入滲量隨時(shí)間變化曲線

        土壤入滲率及累積入滲量隨時(shí)間變化曲線擬合的函數(shù)關(guān)系符合冪函數(shù),與分層下滲實(shí)驗(yàn)中各剖面的下滲變化規(guī)律相同,均符合積水入滲Kostiakov模型,

        式中:i為入滲率;I為累積入滲量;a、n是與土壤質(zhì)地、初始含水率等有關(guān)的參數(shù);t是積水時(shí)間。

        根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),獲得土壤入滲率、累積下滲量隨時(shí)間變化趨勢(shì)線函數(shù)式,擬合Kostiakov 入滲模型,得到定水頭供水下滲P1~P5 及變水頭下滲模型具體函數(shù)關(guān)系式及參數(shù)a、n值,見(jiàn)表4。

        根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值與模型模擬值擬合,繪制圖4。圖4(a)~(e)與圖4(a1)~(e1)分別為定水頭供水土壤下滲實(shí)驗(yàn)的入滲率及入滲量實(shí)測(cè)值與Kostiakov 模型模擬值擬合效果,圖4(f)與圖4(f1)分別為變水頭供水土壤下滲實(shí)驗(yàn)的入滲率及入滲量實(shí)測(cè)值與Kostiakov模型模擬值擬合效果。由圖可知,擬合效果較好。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,定水頭分層土壤水分下滲及變水頭供水土壤水分下滲兩種試驗(yàn)方案條件下,水分下滲過(guò)程均符合積水入滲Kostiakov模型。

        2.2 土壤水分動(dòng)態(tài)規(guī)律

        對(duì)于農(nóng)田灌溉,土壤對(duì)水分的攔截能力是水土保持能力的重要指標(biāo)。在下滲規(guī)律探討的基礎(chǔ)上,進(jìn)行土壤下滲過(guò)程中水分形態(tài)的闡述,及各層土壤水分?jǐn)r截能力分析。下滲過(guò)程中土壤剖面不同位置,土壤水分處于不同的水分分帶,水分存在形式不同,反映了不同剖面處土壤攔截貯存水分的能力。

        表4 P1~P5 土壤入滲率及累積下滲量Kostiakov模型及相關(guān)參數(shù)

        圖4 供水土壤剖面入滲率、累積入滲量模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

        一般情況下,土壤水分分布帶分為結(jié)合水帶、孔角毛細(xì)水帶、懸掛毛細(xì)水帶、支持毛細(xì)水帶及飽水帶。隨著土壤水分下滲階段的不同,土壤含水率、水分存在形式及下滲水分的主要受力作用都均不同,詳見(jiàn)表5。

        表5 土壤水分下滲過(guò)程水分存在形式和受力分析

        下滲過(guò)程的滲潤(rùn)階段,下滲水分受分子力的作用遠(yuǎn)大于毛管力,結(jié)合水使土壤產(chǎn)生較強(qiáng)吸收水分的能力,當(dāng)接受外源補(bǔ)給,含水率顯著增加,土壤結(jié)合水帶外層,增加孔角毛細(xì)水,結(jié)合水和孔角毛細(xì)水的存在,外源補(bǔ)水入滲至此,不易向下運(yùn)移,停留在該土壤層,起到貯存水分的作用,土壤具有較強(qiáng)的攔截和貯存入滲水分的能力。當(dāng)土壤水分達(dá)到最大分子持水量時(shí),下滲水分僅受毛管力作用,滲潤(rùn)階段終止,開(kāi)始進(jìn)入滲漏階段。隨著毛管懸掛帶向下擴(kuò)展,水分不斷下滲,當(dāng)土壤含水量接近或超過(guò)孔角毛細(xì)水的最大含水率界限時(shí),土壤水進(jìn)入支持毛細(xì)水范圍,入滲水分能比較順利的對(duì)潛水進(jìn)行補(bǔ)給,起到傳輸水分的作用。當(dāng)土壤水分達(dá)到飽和態(tài)時(shí),下滲水分僅受重力作用,進(jìn)入下一個(gè)滲透階段,水分傳輸作用最強(qiáng),為支持毛細(xì)水帶,與飽水帶相連緊密。重力遠(yuǎn)小于分子力和毛管力,且穩(wěn)定、不會(huì)消失,因此,滲透階段土壤水分下滲強(qiáng)度小且穩(wěn)定。

        本實(shí)驗(yàn)中采用土壤多參數(shù)測(cè)定儀,進(jìn)行定水頭供水下滲實(shí)驗(yàn)終止時(shí)刻不同深度土壤含水率測(cè)定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,P4 和P5 兩個(gè)剖面分別在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行第8 070 min和1 316 min后,裝置底部發(fā)生滲水,定水頭供水下滲實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,P1~P5 不同深度(4 cm 及7 cm)含水率隨著土壤深度的增加而增加。P1~P5 同一深度的含水率變化依次為P5 >P4 >P3 >P2 >P1,見(jiàn)表6。根據(jù)各剖面的土壤顆粒分析結(jié)果,P1、P2 屬于粉質(zhì)黏土,P3~P5 則屬于黏土,結(jié)合土壤含水率變化與粘性土土壤水分動(dòng)態(tài)的分布關(guān)系,分析P1~P5 土壤入滲實(shí)驗(yàn)結(jié)束后土壤水分的存在形式。

        表6 分層下滲實(shí)驗(yàn)土壤水分存在形式對(duì)比

        根據(jù)定水頭充分供水的下滲試驗(yàn),0~40 cm(P1~P2)土層土壤水分由結(jié)合水帶擴(kuò)展至懸掛毛細(xì)水帶的時(shí)間大于40~100 cm(P4~P5)土層,在0~40 cm土層具有較強(qiáng)的攔截和貯存入滲水分的能力。

        2.3 土壤鹽分運(yùn)移趨勢(shì)

        變水頭供水條件下,土壤水分下滲影響著土壤剖面鹽分的再分配狀態(tài)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,不同土壤剖面孔隙水電導(dǎo)率及土體電導(dǎo)率變化,見(jiàn)圖5。

        由圖5 可見(jiàn),入滲過(guò)程中,僅P1~P2 剖面土壤孔隙水電導(dǎo)率變化具有對(duì)數(shù)函數(shù)減小變化規(guī)律,P1、P2趨勢(shì)線函數(shù)決定系數(shù)分別為0.911 4、0.694 0,P1 函數(shù)匹配相關(guān)性極強(qiáng),P2 較弱,P3~P5 剖面變化不大,基本平穩(wěn)。說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,土壤表層(0~40 cm)土壤孔隙水鹽分變化較為明顯,P1 呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系顯著減小,P2 在波動(dòng)幅度較大的情況下逐漸減小,減小程度弱于P1。深層土壤(40~100 cm)孔隙水鹽分含量大小順序?yàn)镻3 >P4 >P5,且每層數(shù)值基本保持平穩(wěn)。

        圖5 P1~P5土壤孔隙水電導(dǎo)率變化圖

        與土壤孔隙水電導(dǎo)率值變化對(duì)比,P2 土壤體電導(dǎo)率值同樣波動(dòng)幅度最大,無(wú)規(guī)律可循,說(shuō)明P2 為土壤體鹽分變動(dòng)帶。P1、P3~P5 剖面的土壤體電導(dǎo)率值呈對(duì)數(shù)函數(shù)減小,見(jiàn)圖6。

        圖6 P1~P5土壤體電導(dǎo)率變化圖

        由上述分析,在變水頭供水條件下,隨著入滲的進(jìn)行,土壤孔隙水的鹽分運(yùn)動(dòng)顯著區(qū)集中在0~40 cm土層處。土壤體鹽分在0~100 cm土層均逐漸減少。綜合土壤孔隙水和土壤體鹽分運(yùn)移,P2 均在波動(dòng)較大的范圍內(nèi)逐漸減小。P1 鹽分減少的幅度大于P2,且土壤孔隙水鹽分減少幅度大于土壤體。P3~P5 土壤孔隙水的鹽分基本平穩(wěn),而土壤體的鹽分呈對(duì)數(shù)下降趨勢(shì),由此分析,P3~P5 土壤孔隙水鹽分下滲運(yùn)移通量得到了土壤體鹽分的補(bǔ)充,下滲與補(bǔ)給兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。因此,P3~P5 土壤孔隙水的鹽分含量表現(xiàn)一定范圍內(nèi)的平穩(wěn)狀態(tài)。

        3 結(jié)語(yǔ)

        定水頭供水分層鹽漬化土壤下滲及變水頭供水土壤剖面下滲試驗(yàn)中,水分下滲率及累積下滲量的變化規(guī)律均可由積水入滲Kostiakov 模型來(lái)刻畫。定水頭供水土壤分層下滲試驗(yàn)結(jié)果,顯示鹽漬土淺層土壤(0~40 cm)相對(duì)于深層土壤(40~60 cm)具有較強(qiáng)的攔截和貯存入滲水分的能力。由變水頭供水下滲試驗(yàn)結(jié)果,鹽漬土土壤鹽分變動(dòng)帶位于淺層0~40 cm,且20~40 cm的土壤鹽分波動(dòng)幅度較大。深層土壤(40~60 cm)孔隙水溶液下滲鹽分通量由土壤體鹽分補(bǔ)充,二者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,深層土壤(40~60 cm)孔隙水溶液鹽分在試驗(yàn)中數(shù)值相對(duì)平穩(wěn)。變水頭與定水頭相結(jié)合的土壤水分下滲實(shí)驗(yàn)。

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