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        人工回灌下條件下的土壤水分響應(yīng)特征分析

        2022-04-22 02:58:06王成文徐兆祥李洪波
        能源環(huán)境保護(hù) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:土壤水分負(fù)壓含水率

        王成文,李 英,徐兆祥,李洪波

        (1.寧夏回族自治區(qū)水文環(huán)境地質(zhì)勘察院,寧夏 銀川 750011;2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 水資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100083;3.寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)局,寧夏 銀川 750021)

        0 引 言

        近年來,隨著國內(nèi)外越來越多的學(xué)者投入到包氣帶水分的研究,發(fā)現(xiàn)包氣帶對聯(lián)系地表水與地下水的水力關(guān)系有著極其重要的影響,特別是地表水作為地下水的主要補(bǔ)給源時。如Shalev等[1]在美國西部干早區(qū)建立包氣帶滲流試驗(yàn)場,并用非飽和達(dá)西定律來概化模擬地表水對地下水補(bǔ)給;汪可欣等[2]進(jìn)行了大量農(nóng)田灌溉試驗(yàn),對旱區(qū)的水分運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了分析,并通過各種試驗(yàn)方法闡明了不同覆蓋模式下的土壤水分運(yùn)移特征和動態(tài)分析;韓占濤等[3]于寧夏清水河平原選擇典型地區(qū)建立了包氣帶水分運(yùn)移試驗(yàn)場,對旱田和灌田條件下的包氣帶水分運(yùn)移進(jìn)行了研究;商潔等[4]以野外監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合數(shù)值模擬研究了巴丹吉林沙漠南部腹地包氣帶的水分運(yùn)移規(guī)律。

        目前,越來越多的學(xué)者意識到我國西北干旱地區(qū)的地下水主要受地表水回灌補(bǔ)給,如田間灌溉、引河回灌、河流、湖泊、濕地等地表水下滲補(bǔ)給地下水,而非降雨入滲補(bǔ)給[5-7];對于引水灌區(qū)而言,特別西北干涸地區(qū),降雨較少,蒸發(fā)較大,田間入滲灌溉是地下水補(bǔ)給的主要來源之一,故研究包氣帶水分入滲過程和入滲特征對整個區(qū)域的水循環(huán)有著積極的意義。本次研究以銀川平原引黃灌區(qū)為研究對象,選擇典型灌區(qū)建立原位回灌區(qū)試驗(yàn)場,選取對地下水補(bǔ)給作用和影響較大的水稻為試驗(yàn)田,即選取一塊封閉型水稻田(水田)為研究單元,研究該水稻田在人工回灌過程中的土壤水分響應(yīng)和入滲過程,實(shí)時監(jiān)測土壤的水分變化和地下水水位動態(tài)變化,分析在人工回灌條件下包氣帶土壤水分的動態(tài)響應(yīng)特征。

        1 試驗(yàn)方法與過程

        1.1 試驗(yàn)土體物理性質(zhì)

        本次原位田間灌溉入滲試驗(yàn)選取典型田塊進(jìn)行面狀入滲試驗(yàn),選用持續(xù)灌溉補(bǔ)給的水稻田進(jìn)行面狀灌溉入滲試驗(yàn)研究。在原位試驗(yàn)場地選取的1個有代表性的剖面上進(jìn)行包氣帶土壤水基本參數(shù)動態(tài)變化的數(shù)據(jù)監(jiān)測,獲取不同剖面空間和時間尺度上土壤含水率、土壤負(fù)壓(基質(zhì)勢)、土中溫度等參數(shù),測定包氣帶土壤水分特征曲線。

        在試驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行地層分層取樣,在野外初步進(jìn)行地層巖性的定性描述和分類,并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行顆分測試后定名。試驗(yàn)田埋深0~120 cm均以粉質(zhì)黏土為主,在表層埋深20~30 cm有一層粉土,70~80 cm有一層粉砂,見表1的土壤物理特性和圖1的顆粒級配曲線。

        表1 試驗(yàn)田土的物理特性

        圖1 試驗(yàn)用土顆粒級配曲線Fig.1 The particle gradation curve of test soil

        1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計

        水稻田試驗(yàn)場地面積約(25×25)m2,進(jìn)行持續(xù)補(bǔ)水灌溉,實(shí)時記錄每次引水的持續(xù)時間和引水量,控制試驗(yàn)期間的灌溉總量。同時,對試驗(yàn)田間的地下水觀測井進(jìn)行長期動態(tài)水位監(jiān)測,研究灌溉入滲補(bǔ)給對地下水的影響。在水稻田選取1處有代表性的剖面進(jìn)行土壤水分、負(fù)壓、溫度的長期性監(jiān)測工作。在試驗(yàn)田選取具有代表性的剖面,進(jìn)行開挖,開挖南北長約2 m、東西寬50 cm、深120 cm的橫槽,然后在槽側(cè)壁上用長50 cm的土鉆向土壁內(nèi)打深20 cm的水平孔,埋設(shè)土壤三參計(土壤三參數(shù)測定儀)、土壤負(fù)壓計等監(jiān)測儀器,埋設(shè)方式為開槽側(cè)壁橫向埋設(shè)。在垂向剖面上,土壤含水率、基質(zhì)勢監(jiān)測點(diǎn)位由淺到深設(shè)置埋深分別為15、30、50、70、100 cm的五組監(jiān)測點(diǎn)位,儀器埋置示意見圖2。

        圖2 試驗(yàn)場地監(jiān)測點(diǎn)埋深分布圖Fig.2 Depth distribution map of monitoring points in test site

        1.3 試驗(yàn)設(shè)備與方法

        本次試驗(yàn)主要分為田間試驗(yàn)監(jiān)測和室內(nèi)數(shù)據(jù)整理分析。

        田間試驗(yàn)中主要監(jiān)測設(shè)備有Treos12土壤三參儀、WM-1型負(fù)壓計測定土和地下水Diver監(jiān)測儀,以及自制的數(shù)采設(shè)備1套。土壤三參儀主要是測試土壤水分、電導(dǎo)率和溫度的變化,土壤負(fù)壓計是測定土壤負(fù)壓的變化;CTD-Diver地下水自動監(jiān)測儀,測定水位、溫度和電導(dǎo)率,并存儲于儀器內(nèi)存中,可隨時下載到計算機(jī)進(jìn)行處理;數(shù)采設(shè)備是實(shí)時讀取、記錄和保存測試數(shù)據(jù),設(shè)置記錄間隔時間為10 min/次。

        在室內(nèi)數(shù)據(jù)分析中,分類整理原始數(shù)據(jù),主要運(yùn)用Origin Pro 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和制圖,運(yùn)用經(jīng)典的V-G模型進(jìn)行土壤水分特征擬合,并結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計SPSS18.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。

        2 試驗(yàn)結(jié)果分析

        2.1 各要素隨時間的變化分析

        本次田間原位灌溉入滲試驗(yàn)是研究大面積原位持續(xù)性、周期性的灌溉入滲試驗(yàn),選取典型剖面進(jìn)行包氣帶水分入滲監(jiān)測試驗(yàn),分析監(jiān)測要素隨時間變化的曲線。

        結(jié)合圖3可知,水稻田的土壤含水率(體積含水率)隨著灌溉量的增加呈增長的趨勢,埋深15 cm 處初始含水率由22.86%增至試驗(yàn)中期的31.12%,到末期隨著灌溉結(jié)束回落至29.85%,整個變化過程呈“驟增突變—平緩震蕩”的變化過程,其他埋深處的土壤含水率也呈類似變化;同時,不同埋深處的土壤水分響應(yīng)時間差異較大,在灌溉后的8.8 h淺層埋深15 cm處的水分開始增加,而中下層水分變化的響應(yīng)時間比淺層慢很多,最底層100 cm處在70 h后才有水分響應(yīng)變化。

        同樣,土壤負(fù)壓在第一次灌溉后變化最為顯著,變幅最大,而在后面的幾次補(bǔ)水入滲中變化不大;在灌溉入滲的同時,隨著土壤含水率的增加,土壤負(fù)壓呈直線式下降,僅在不到一次監(jiān)測時間(10 min)內(nèi)土壤負(fù)壓由-47 kPa降至-10 kPa以下,說明土壤含水率與負(fù)壓的關(guān)系非常密切;在不同埋深處,土壤負(fù)壓呈一定規(guī)律,即土壤負(fù)壓隨剖面埋深的增加而減小,說明土壤負(fù)壓不僅與含水率有關(guān),而且也與土壤質(zhì)地和土中氣有一定關(guān)系。

        土壤電導(dǎo)率在整個試驗(yàn)中變幅較大,在第一次灌溉后,土壤電導(dǎo)率隨灌溉入滲呈直線式突變上升,甚至比含水率的變化劇烈,在后面的幾次灌溉中,電導(dǎo)率呈一定波動,但變幅不大;在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),土壤剖面深度100 cm處變化較其他埋深都大,變化最劇烈,這與其他因素不同,值得進(jìn)一步深入研究。

        土壤溫度主要受氣候條件影響,在土中表現(xiàn)為隨氣溫的增加而增加,但有一定的滯后性,總體是隨氣候升溫而逐漸升高。

        圖3 灌溉入滲試驗(yàn)中各要素隨時間的變化Fig.3 Changes of various factors with time in irrigation infiltration test

        2.2 灌溉入滲引起的土水變化分析

        在整個灌溉入滲中,灌溉入滲分為“初始自然—開始灌溉—灌溉入滲—灌溉完成—自然恢復(fù)”五個階段,分析土壤含水率和負(fù)壓的變化。結(jié)合圖4可知,在入滲初始階段入滲量相對較大,含水率隨著時間累積不斷增大,變幅減小,土壤負(fù)壓的絕對值不斷減小。在土體表層入滲進(jìn)行中,灌溉初期土壤初始入滲率高,隨后入滲過程逐漸趨于穩(wěn)定,負(fù)壓由-48.5 kPa驟降到正壓9.6 kPa(絕對值);在土體剖面30 cm及較深處以下,土壤的含水率和負(fù)壓變化幅度較小,均呈緩慢增長的趨勢,土壤含水率由28.0%增長到36.0%,負(fù)壓則由-10.8 kPa緩慢降至正壓17.4 kPa,說明土壤較深處對灌溉入滲的響應(yīng)時間較長,更易得到較為平緩的變化過程。另外,在整個試驗(yàn)段中,在淺層“開始灌溉—灌溉入滲”時間段內(nèi)土壤的含水率和負(fù)壓是驟變的過程,其他時間段變化幅度較小,說明該段要加密監(jiān)測才能更精準(zhǔn)的反映土水驟變的過程。

        圖4 土壤水分特征點(diǎn)變化Fig.4 Changes of soil moisture characteristic points

        分析灌溉試驗(yàn)開始前和結(jié)束后的自然時間段的土水特征,可知在水稻田灌溉入滲前,即在初始時刻不同埋深處的含水率和負(fù)壓呈一定規(guī)律,由淺到深含水率逐漸增大,而負(fù)壓是隨埋深逐漸較??;在灌溉入滲后,土壤含水率依舊是隨著埋深的加深而增大,而土壤的負(fù)壓卻表現(xiàn)不明顯,負(fù)壓值相對穩(wěn)定,不受埋深條件影響。

        2.3 水分特征曲線擬合與分析

        通過大量的試驗(yàn)研究,人們已提出了許多經(jīng)驗(yàn)公式來模擬土-水特征曲線,其中比較常用的有Brooks-Corey模型(1964)、V-G模型(1980)、Frdlund模型和Xing(1994)模型等,這些模型中都含有許多待求的參數(shù)。在多種經(jīng)驗(yàn)擬合公式中,V-G公式模型(Van Genuehten)相對適用范圍更廣,擬合度也最佳,采用V-G公式模型進(jìn)行曲線擬合計算[8-11]。

        Van Genuchten建議將水分特征曲線擬合成式(1):

        (1)

        式(1)中:θ為體積含水率(cm3/cm3,%);a、m、n為擬合參數(shù),a為與進(jìn)氣值有關(guān)的參數(shù);n為曲線形狀參數(shù);θr和θs分別為飽和含水量和殘余含水量,為壓力水頭。令m=1-1/n,則可推導(dǎo)出非飽和導(dǎo)水率k的表達(dá)式如式(2):

        (2)

        式(2)中:ks為某水溫下試樣的滲透系數(shù),cm/s;φ為土水勢,φ<0。

        在土壤水分特征曲線擬合中,發(fā)現(xiàn)土水實(shí)測點(diǎn)值無法利用經(jīng)驗(yàn)公式擬合得出土壤水分特征曲線,實(shí)測點(diǎn)見圖5所示。當(dāng)分別研究不同埋深時的土壤水分特征曲線時,發(fā)下實(shí)測點(diǎn)均為不連續(xù)的點(diǎn),如埋深15 cm、埋深30 cm和埋深50 cm處只有初始和結(jié)尾有實(shí)測點(diǎn),在負(fù)壓-12 kPa到-43 kPa 段是沒有含水率實(shí)測值的;在埋深70 cm和100 cm處雖然整體有數(shù)據(jù)變化點(diǎn),但變化點(diǎn)雜亂,無曲線趨勢特征;只有將所有埋深處的點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一處理時,見圖5(a),可以看出土壤含水率與負(fù)壓呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律,該圖可以說明含水率與負(fù)壓密切相關(guān),且土壤負(fù)壓隨含水率的變化是突變的,即使在監(jiān)測中采用每10分鐘讀數(shù)采集一次的頻率下,監(jiān)測到的土壤負(fù)壓由-40 kPa突變到-9 kPa,尤其在土壤淺表層中變化最為明顯。

        圖5 各埋深段土壤水分特征變化點(diǎn)分布Fig.5 Variation points of soil moisture characteristics in each buried depth

        本次試驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)在灌溉入滲時,隨著土壤水分的入滲運(yùn)移,土壤的負(fù)壓是呈突變型的減小,而不是呈一定趨勢線的變化,這與以往研究的土水特征曲線有所不同,故不能用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合,只能分別研究在整個試驗(yàn)中土壤含水率的變化和土壤負(fù)壓的變化。在運(yùn)用典型模型無法擬合得出土水關(guān)系曲線時,只能運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計方法對大量的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,而SPSS統(tǒng)計軟件是專業(yè)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件,其功能十分強(qiáng)大,可以處理大量紛雜的數(shù)據(jù),做出數(shù)據(jù)分析與處理。

        借助SPSS(Statistical Product and Service Solutions)統(tǒng)計軟件進(jìn)行土壤水分特征的相關(guān)性分析可得,在水分入滲過程中土壤負(fù)壓隨之變化,特別是在淺表層,土壤負(fù)壓與水分的增加呈較好的相關(guān)性,并進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析,可得大多數(shù)監(jiān)測的土水特征點(diǎn)的在88%以上(見表2),表明土壤水分與負(fù)壓有著密切的關(guān)聯(lián)。

        表2 土壤含水率與負(fù)壓的相關(guān)性分析

        續(xù)表

        3 結(jié) 論

        通過研究人工回灌條件下的水分運(yùn)動特征,分析不同要素在灌溉入滲后隨時間變化響應(yīng),發(fā)現(xiàn)土壤中含水率、負(fù)壓、土溫等要素均具有一定規(guī)律性,含水率與負(fù)壓的關(guān)系較為密切,負(fù)壓變化幅度較大,測試難度也大,總結(jié)如下:

        (1)分析土壤含水率、負(fù)壓、電導(dǎo)率等變量隨灌溉入滲時間的變化特征和沿剖面埋深的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)土壤含水率和負(fù)壓的變化是瞬時性的;在整個長時間灌溉入滲中發(fā)現(xiàn),土壤水分與負(fù)壓的響應(yīng)變化在灌溉入滲試驗(yàn)前期就已基本完成。

        (2)在土壤水分特征曲線擬合中,發(fā)現(xiàn)常用的V-G模型曲線無法利用經(jīng)驗(yàn)公式擬合,但相關(guān)性較強(qiáng);而通過SPSS數(shù)理統(tǒng)計進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析,分析結(jié)果較好,其相關(guān)性在88%以上。

        (3)在分析含水率與負(fù)壓密切相關(guān)發(fā)現(xiàn),研究區(qū)的土壤負(fù)壓隨含水率的變化是存在突變現(xiàn)象,即使在監(jiān)測為10 min/次頻率中也無法測得變化過程,建議在今后的工作中需進(jìn)一步加密試驗(yàn)前期的監(jiān)測頻率。

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