茹秋瑾， 楊軍超， 李曉琳,3,4

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100； 2.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安710010； 3.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048； 4.西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048； )

1 研究背景

地下水是一種重要水資源，在地下水淺埋區(qū)，地下水通過(guò)毛管上升對(duì)包氣帶的補(bǔ)給作用明顯，且毛細(xì)水上升可以用來(lái)描述地下水的補(bǔ)給量，潛水蒸發(fā)在農(nóng)田水循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，在農(nóng)田水利領(lǐng)域備受重視[1-3]。在地下水位較高地區(qū)，地下水中的可溶性鹽在蒸發(fā)作用下隨土壤水向上遷移，并在土體中聚集，增加了土壤鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)，危害作物生長(zhǎng)，成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的障礙[4-5]。潛水蒸發(fā)與土壤鹽分積累和土壤鹽漬化密切相關(guān)，開(kāi)展淺埋區(qū)潛水蒸發(fā)特性的研究對(duì)制定灌溉制度和淋洗農(nóng)田鹽分均具有重要的實(shí)踐意義。

已有的關(guān)于潛水蒸發(fā)特性的研究成果多集中于淡水地下水[6-9]，在一定程度上忽略了地下水為鹽水的情況，然而在地下水淺埋干旱地區(qū)，地下水中往往存在鹽分，這些鹽分很可能改變潛水蒸發(fā)規(guī)律，有關(guān)地下水含鹽情況下的毛細(xì)水上升和潛水蒸發(fā)特性亟需探索。科學(xué)評(píng)價(jià)潛水蒸發(fā)對(duì)土壤鹽漬化研究、地下水?dāng)?shù)值模擬參數(shù)反演、地下水循環(huán)研究以及地下水資源科學(xué)評(píng)價(jià)與管理均發(fā)揮著重要作用[10]。目前，較為常用的潛水蒸發(fā)計(jì)算方法主要有蒸滲儀直接測(cè)定法和經(jīng)驗(yàn)公式法，農(nóng)田實(shí)測(cè)法中蒸滲儀尺寸和材料的選擇往往對(duì)觀測(cè)精度具有明顯影響，而經(jīng)驗(yàn)公式法缺乏理論支撐，不利于其機(jī)理研究。基于土壤水動(dòng)力學(xué)理論的極限蒸發(fā)強(qiáng)度(Emax)模型計(jì)算方法將地下水蒸發(fā)看作蒸發(fā)條件下的非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，當(dāng)大氣蒸發(fā)能力趨于無(wú)窮大時(shí)，潛水蒸發(fā)強(qiáng)度則趨于Emax[11]，可用Gardner模型進(jìn)行估算。但采用該方法計(jì)算導(dǎo)水率(即K=a/(sn+b))時(shí)，通常忽略常數(shù)b以實(shí)現(xiàn)模型簡(jiǎn)化的目的，雖然模型得以簡(jiǎn)化，但在很大程度上將影響Emax的估算精度，關(guān)于忽略參數(shù)b如何影響Emax估算精度、簡(jiǎn)化模型是否可靠等問(wèn)題并未引起廣泛關(guān)注。

本研究選用最為常見(jiàn)的K-Cl和Na-Cl型鹽溶液作為供水水源，以陜西楊凌、長(zhǎng)武地區(qū)和山東臨沂地區(qū)壤土為例，開(kāi)展毛細(xì)水上升和潛水蒸發(fā)試驗(yàn)，對(duì)不同地下水鹽度條件下的毛細(xì)水上升和恒定埋深潛水蒸發(fā)特性進(jìn)行研究，并基于土壤水動(dòng)力學(xué)理論采用Gardner模型對(duì)Emax進(jìn)行估算，進(jìn)一步對(duì)該模型中參數(shù)b對(duì)Emax估算精度的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而評(píng)判在Emax估算問(wèn)題中Gardner模型是否可以簡(jiǎn)化。該研究可為農(nóng)田鹽堿化防治提供理論依據(jù)。

2 資料來(lái)源與研究方法

2.1 供試材料

供試土樣取自陜西楊凌(YL)、陜西長(zhǎng)武(CW)、山東臨沂(LY)地區(qū)農(nóng)田0～30 cm耕作土層，采集完成后充分混合。全部土樣經(jīng)風(fēng)干、磨碎、去除雜質(zhì)后過(guò)2 mm篩分，采用激光粒度儀測(cè)定土壤顆粒組成(表1)，全部供試土樣均為非鹽堿土。為探究鹽溶液供水條件潛水蒸發(fā)特性，并根據(jù)微咸水(鹽濃度1～3 g/L)、咸水(鹽濃度3～10 g/L)和鹽水(鹽濃度10～50 g/L)礦化度范圍，選用濃度為1、5、30 g/L的KCl和NaCl溶液分別作為供水水源(分別記作處理K-1、K-5、K-30、Na-1、Na-5、Na-30)并以蒸餾水作為對(duì)照組(記作處理CK)。

表1 供試土樣顆粒組成

毛細(xì)水上升試驗(yàn)裝置和恒定地下水淺埋條件潛水蒸發(fā)試驗(yàn)裝置主要包括有機(jī)玻璃土柱(高60 cm，內(nèi)徑15 cm)、有機(jī)玻璃管(內(nèi)徑2.9 cm)、馬氏瓶、燈泡等。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

毛細(xì)水上升試驗(yàn)：將供試土樣按預(yù)設(shè)容重裝入有機(jī)玻璃管中，裝土高度為30 cm，并在底部用紗網(wǎng)包裹，固定于鐵架臺(tái)，底端放入與供水水源連通的水槽內(nèi)(見(jiàn)圖1(a))。記錄濕潤(rùn)鋒到達(dá)頂部所需的時(shí)間T。由于管徑遠(yuǎn)大于土壤粒徑，故忽略管徑對(duì)毛細(xì)作用的影響，可認(rèn)為毛細(xì)水上升僅由毛管作用所致。各處理均進(jìn)行3次重復(fù)。

定水位潛水蒸發(fā)試驗(yàn)：將供試土樣按設(shè)定容重裝入有機(jī)玻璃中形成土柱，并在土柱底部設(shè)10 cm厚砂石反濾層；將不同類型和濃度的鹽溶液盛于馬氏瓶中，馬氏瓶與土柱底部連通以實(shí)現(xiàn)持續(xù)供水，供水水頭恒定為50 cm(見(jiàn)圖1(b))。當(dāng)濕潤(rùn)鋒上移至土樣表面且毛細(xì)上升水穩(wěn)定時(shí)，移除土表覆蓋的塑料薄膜，并將土柱置于275 W遠(yuǎn)紅外燈下(土樣表面距光源垂直距離為40 cm)，晝夜蒸發(fā)試驗(yàn)持續(xù)20 d，每日8:00讀取馬氏瓶?jī)?nèi)水位刻度以計(jì)算日潛水蒸發(fā)量。各處理均進(jìn)行3次重復(fù)。

圖1 毛細(xì)水上升與潛水蒸發(fā)試驗(yàn)裝置示意圖

2.3 模型構(gòu)建

對(duì)于某種均質(zhì)土壤，潛水位埋深為H，當(dāng)處于穩(wěn)定蒸發(fā)時(shí)，土壤含水率和吸力分布如圖2所示。

圖2 均質(zhì)土壤穩(wěn)定蒸發(fā)時(shí)含水率和吸力分布示意圖

此時(shí)地表處的蒸發(fā)強(qiáng)度與任一斷面處的土壤水通量相等，即為潛水蒸發(fā)強(qiáng)度，其定解問(wèn)題可用公式(1)描述。

(1)

式中：E為潛水蒸發(fā)強(qiáng)度，cm/d；K(s)為導(dǎo)水率，cm/d；s為土壤水吸力，cm；z為垂直坐標(biāo)(自地下水位起向上為正)，cm。

Gardner導(dǎo)水率計(jì)算公式為[12]：

(2)

對(duì)公式(1)進(jìn)行積分，同時(shí)結(jié)合公式(2)，則z可表示如下：

(3)

式中：a、b、n均為常數(shù)，其中n值可為1.0、1.5、2.0、3.0、4.0，土質(zhì)越粗則n值越大。

將z=H代入公式(3)中，便可獲取地表處的土壤水吸力sH與穩(wěn)定蒸發(fā)強(qiáng)度E的關(guān)系，如公式(4)所示。

(4)

由公式(4)可知，當(dāng)H一定時(shí)，E隨著sH的增大而增大；當(dāng)?shù)乇硖幫寥里L(fēng)干時(shí)，sH則趨于無(wú)窮大，此時(shí)E將達(dá)到最大可能值。由于穩(wěn)定蒸發(fā)強(qiáng)度即為定水位下的潛水蒸發(fā)強(qiáng)度，故可將穩(wěn)定蒸發(fā)強(qiáng)度的最大可能值Emax定義為潛水極限蒸發(fā)強(qiáng)度[13]。

對(duì)于本研究中所供試的均質(zhì)土樣，取n=2[14]；當(dāng)sH趨于無(wú)窮大時(shí)，可分別構(gòu)建出忽略參數(shù)b(簡(jiǎn)化模型)和未忽略參數(shù)b時(shí)的Gardner模型，分別如公式(5)、(6)所示。

Emax=2.46aH-2

(5)

(6)

3 結(jié)果與分析

3.1 不同地下水礦化度對(duì)毛細(xì)水上升的影響

水分蒸發(fā)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力為土壤毛管作用，故需評(píng)價(jià)地下水類型和礦化度對(duì)毛細(xì)水上升的影響。濕潤(rùn)鋒到達(dá)土壤表面所需要的時(shí)間T可以反映蒸發(fā)強(qiáng)度，即時(shí)間T越短，則毛管作用越強(qiáng)，在外部環(huán)境相同條件下其蒸發(fā)強(qiáng)度越高。通過(guò)試驗(yàn)得出，對(duì)于YL、CW和LY土樣的CK處理，T分別為396、388和410 min，均大于鹽溶液供水處理；在地下水礦化度為1～30 g/ L范圍內(nèi)，KCl和NaCl處理的T值均表現(xiàn)為隨濃度增加而增加。表明土壤水中KCl和NaCl會(huì)在一定程度上增強(qiáng)毛管作用，加快水分上升，使得在外部條件相同時(shí)的蒸發(fā)強(qiáng)度增強(qiáng)。

3.2 不同地下水礦化度對(duì)Emax的影響

試驗(yàn)中在持續(xù)光照和恒定埋深條件下，歷時(shí)20 d后各處理潛水蒸發(fā)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定并達(dá)到最大值，各土樣不同處理的潛水極限蒸發(fā)強(qiáng)度測(cè)定值與計(jì)算值如表2所示。

表2 各土樣不同處理的潛水極限蒸發(fā)強(qiáng)度測(cè)定值與模型計(jì)算值

由表2中可看出：(1)Emax受溶質(zhì)類型和濃度共同影響，進(jìn)而導(dǎo)致不同溶質(zhì)和濃度處理的Emax存在一定差異；對(duì)于YL、CW和LY土樣的CK處理，Emax分別為7.07、7.12和6.92 mm/d，且均小于鹽溶液供水處理；在地下水礦化度1～30 g/L范圍內(nèi)，KCl和NaCl處理的Emax值均表現(xiàn)為隨濃度增加而減小。(2)采用Gardner模型對(duì)Emax進(jìn)行估算時(shí)，在忽略和未忽略參數(shù)b(公式(5)、(6))兩種情況下，Emax估算結(jié)果與其觀測(cè)結(jié)果表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)；與實(shí)測(cè)值相比，忽略參數(shù)b導(dǎo)致Emax高估，考慮參數(shù)b導(dǎo)致Emax低估，Emax計(jì)算值與測(cè)量值之間的相對(duì)誤差介于4.04%～8.38%，Eb max計(jì)算值與測(cè)量值之間的相對(duì)誤差介于1.16～4.50%，表明采用考慮參數(shù)b的Gardner模型對(duì)Emax估算的精度更高。

3.3 參數(shù)b對(duì)Emax的敏感性分析

引入敏感系數(shù)用以評(píng)價(jià)參數(shù)b對(duì)Emax的影響，不同n值情況下的敏感系數(shù)Cn定義為：未忽略參數(shù)b時(shí)的潛水極限蒸發(fā)強(qiáng)度Eb max值與相應(yīng)n值情況下潛水極限蒸發(fā)強(qiáng)度Emax(n)的比值，如公式(7)所示。

(7)

根據(jù)公式(7)可導(dǎo)出：

(8)

由公式(8)可知，當(dāng)H>0.86 cm時(shí)，C1.5/C2.0、C2.0/C3.0、C3.0/C4.0均小于1，即Emax(2.0)

對(duì)于供試土樣(n=2.0)，敏感系數(shù)可用公式(9)進(jìn)行表述，并可對(duì)參數(shù)b進(jìn)行敏感性分析。由式(9)可知，?C2.0/?b<0，表明C2.0(b)為遞減函數(shù)，即C2.0隨著b值的增加而減小，亦即忽略參數(shù)b對(duì)Emax的影響隨b值增大而逐漸減弱。

(9)

4 討 論

潛水蒸發(fā)實(shí)際上是土壤毛細(xì)水上升的過(guò)程，毛細(xì)水上升特性可以用來(lái)闡釋土壤水分蒸發(fā)機(jī)理，故將毛細(xì)水上升試驗(yàn)和潛水蒸發(fā)試驗(yàn)相結(jié)合具有理論意義。在地下水淺埋區(qū)，地下水中的可溶性鹽在蒸發(fā)作用下隨土壤水向上運(yùn)移，廣泛分布于土壤中甚至在土表聚集，最終導(dǎo)致土壤次生鹽漬化。由此看出，明晰潛水蒸發(fā)特性對(duì)鹽堿土富集地區(qū)的土壤鹽堿化防控具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。

鹽分對(duì)潛水蒸發(fā)的影響是通過(guò)改變毛細(xì)管力和毛細(xì)上升而產(chǎn)生的[15-16]，即土壤中的可溶性鹽對(duì)土壤孔隙和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響[17]，進(jìn)而影響土壤水分運(yùn)動(dòng)。在蒸發(fā)過(guò)程中，析出的鹽分吸附在土壤團(tuán)聚體表面，使土壤孔隙度和透水性發(fā)生變化，最終改變了水分運(yùn)動(dòng)特性。表2顯示，Emax與T呈反比關(guān)系，即蒸發(fā)強(qiáng)度越小，毛細(xì)水上升速率越小，則濕潤(rùn)鋒到達(dá)頂部所需時(shí)間越長(zhǎng)，符合實(shí)際變化特征。同時(shí)表2也表明，與CK處理相比，鹽溶液供水處理毛細(xì)水上升至土壤表面所需時(shí)間較短且極限潛水蒸發(fā)強(qiáng)度較大。分析認(rèn)為，地下水中的可溶性鹽在蒸發(fā)作用下隨土壤水向上運(yùn)移并滯留在土體中，水分散失過(guò)程導(dǎo)致鹽分析出結(jié)晶。對(duì)于礦化度較高的地下水，土壤毛管易被析出的鹽分堵塞，增加了毛細(xì)管水的上升阻力，對(duì)于礦化度較低的地下水，雖然也有鹽分析出，但土壤毛細(xì)管未被完全堵塞，而是部分沉淀的鹽分被吸附在毛細(xì)管壁上，使得土壤毛管通道在一定程度上變細(xì)，增加了毛細(xì)吸力，進(jìn)而加速了毛細(xì)水的上升[18-19]，即為水分蒸發(fā)的毛管力驅(qū)動(dòng)機(jī)制。另一方面，土壤水溶液中的鹽分析出使得土壤孔隙體積減小，導(dǎo)致運(yùn)輸土壤水汽的通道數(shù)量減少，從而對(duì)土壤水分蒸發(fā)產(chǎn)生了一定影響，并且因土壤孔隙體積減小所引起的毛細(xì)上升對(duì)潛水蒸發(fā)的影響大于因土壤通道數(shù)量減少對(duì)潛水蒸發(fā)的影響，最終導(dǎo)致試驗(yàn)中鹽溶液供水處理的毛細(xì)水上升速率較快且潛水蒸發(fā)強(qiáng)度更大。此外，本試驗(yàn)中土柱底部持續(xù)供水，故土柱底部土壤鹽溶液濃度高于頂部，因此底部土壤土水勢(shì)較頂部低，加大了水分向下流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，因此，隨著地下水鹽濃度的增加(1～30 g/L)，水分向上流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力逐漸減弱，導(dǎo)致毛細(xì)水上升速率和Emax均表現(xiàn)為隨地下水鹽濃度的增加而減小。

從理論上講，基于土壤水動(dòng)力學(xué)理論的Emax計(jì)算結(jié)果應(yīng)與其實(shí)測(cè)值相等，然而本研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是否忽略參數(shù)b均導(dǎo)致Emax實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間存在差異，分析認(rèn)為，實(shí)際地下水區(qū)域的自由水面與土體之間會(huì)存在殘余空氣，而本研究計(jì)算Emax時(shí)并未考慮水面與土體之間空氣對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響；另外，實(shí)際農(nóng)田中的層狀土較均質(zhì)土更為常見(jiàn)，不同土層之間往往存在阻力，而對(duì)于均質(zhì)土而言則不考慮該阻力。雖然本試驗(yàn)以均質(zhì)土體為研究對(duì)象，但人工裝填土導(dǎo)致相鄰?fù)翆咏缑嫣幋嬖谧枇Γ谕寥浪\(yùn)動(dòng)學(xué)理論計(jì)算Emax則為理想情況。

本研究?jī)H對(duì)K+和Na+影響下的毛管水上升和潛水蒸發(fā)特性進(jìn)行了研究，除此之外，Ca2+和Mg2+也是土壤中常見(jiàn)的鹽離子，不同價(jià)態(tài)會(huì)導(dǎo)致土壤膠體的穩(wěn)定性及其對(duì)陽(yáng)離子的親和力產(chǎn)生差異[20]，從而使土壤水流運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出不同的特征。因此，其他類型鹽離子對(duì)潛水蒸發(fā)特性的影響仍有待探索。在實(shí)際農(nóng)田耕作層中，層狀土更為常見(jiàn)且相鄰?fù)翆油临|(zhì)通常不同，多孔介質(zhì)物理性質(zhì)的變化勢(shì)必對(duì)其中水流運(yùn)動(dòng)特征造成影響，因此還需開(kāi)展對(duì)層狀土壤和不同質(zhì)地土壤的毛細(xì)水上升和潛水蒸發(fā)特性的研究。本研究中蒸發(fā)試驗(yàn)是在連續(xù)光照條件下進(jìn)行的，沒(méi)有考慮晝夜交替和降水的影響，晝夜交替將導(dǎo)致上部土壤溫度勢(shì)發(fā)生變化，降水將導(dǎo)致上部土壤含水率增加從而減小土壤水勢(shì)，進(jìn)而改變土壤水運(yùn)動(dòng)特性，在當(dāng)前研究成果的基礎(chǔ)上，還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)展非穩(wěn)定蒸發(fā)情況下的潛水蒸發(fā)特性研究。

5 結(jié) 論

(1)與蒸餾水水源供水相比，KCl和NaCl溶液(1～30 g/L)作為供水水源可在一定程度上加快土壤毛細(xì)水上升速度進(jìn)而使Emax值增大；對(duì)于K/Na-Cl型鹽溶液供水情況，均表現(xiàn)為Emax值隨著鹽溶液濃度的增加而減小。

(2)無(wú)論Gardner模型中的參數(shù)b是否被忽略，該模型均可用于估算Emax(相對(duì)誤差介于1.16%～8.38%)。Gardner模型估算結(jié)果與實(shí)測(cè)值相比，忽略參數(shù)b(簡(jiǎn)化模型)會(huì)導(dǎo)致Emax高估，考慮參數(shù)b則導(dǎo)致Emax低估；未忽略參數(shù)b的Gardner模型具有更高精度，忽略參數(shù)b對(duì)Emax的影響隨b值增大而逐漸減弱。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)需要與要求確定是否忽略該模型中的參數(shù)b。