農(nóng)業(yè)水資源指流研究

農(nóng)業(yè)水資源指流研究

0水分入滲過程中：指流發(fā)生與發(fā)展所謂總流，是多孔介質(zhì)中流的一種類似“手指狀”的水運(yùn)移方式，屬于優(yōu)先流。區(qū)別于其他形式的優(yōu)先流(如大孔隙流、漏斗流等),指流不是由介質(zhì)非均質(zhì)性造成的,其可以在完美的均質(zhì)介質(zhì)中產(chǎn)生。最早的指流研究始于20世紀(jì)50年代的石油領(lǐng)域,在土壤學(xué)領(lǐng)域,指流研究自20世紀(jì)70年代才受到越來越多的關(guān)注。指流的發(fā)生能較快地疏干表層土壤水造成提前干旱,從而亦影響作物對(duì)養(yǎng)分、農(nóng)藥和殺蟲劑的利用效率,因此,指流研究對(duì)農(nóng)業(yè)水肥利用效率、環(huán)境和水資源污染防護(hù)等具有重要意義。目前,國內(nèi)外對(duì)水分入滲過程中指流發(fā)生、發(fā)展和影響因素進(jìn)行了大量研究[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。普遍認(rèn)為,水分在細(xì)質(zhì)土覆于粗質(zhì)土之上的層狀土體中入滲時(shí)易出現(xiàn)指流;水分在斥水性(water-repellency)土壤中入滲時(shí)易出現(xiàn)指流;當(dāng)水分入滲率小于土壤介質(zhì)的飽和導(dǎo)水率時(shí),粒徑較粗的均質(zhì)土體中也易發(fā)生指流;水分入滲過程中,若濕潤鋒前的空氣不能被及時(shí)排出而導(dǎo)致氣阻或土壤空氣受壓時(shí),易于產(chǎn)生指流;2種密度和黏度不同的液體在多孔介質(zhì)中入滲時(shí),易出現(xiàn)指流。此外,土壤介質(zhì)的初始含水率亦會(huì)影響水分入滲過程中濕潤鋒的不穩(wěn)定性?？傮w上講,指流是多方面因素造成的干擾波在臨界非穩(wěn)定狀態(tài)下產(chǎn)生耦合放大的結(jié)果,土壤介質(zhì)和流體特性是指流產(chǎn)生的內(nèi)因,施水方式、系統(tǒng)的初始和邊界條件是促使指流產(chǎn)生的外部條件。最近研究表明,入滲結(jié)束后的水分再分布過程中也可以出現(xiàn)指流。國內(nèi)對(duì)此研究極少,僅李賀麗等探討了前期供水量、實(shí)驗(yàn)土箱尺寸、溶液濃度等因素對(duì)水分再分布過程中指流發(fā)育的影響。土壤介質(zhì)作為指流發(fā)生和發(fā)展的重要媒介,研究其結(jié)構(gòu)特性和初始條件對(duì)水分再分布過程中指流發(fā)育的影響亦非常必要。據(jù)此,本文采用粗質(zhì)石英砂和細(xì)質(zhì)石英砂這2種不同的土壤介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn),探討了土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)(包括均質(zhì)土體、質(zhì)地成層土體和濕度成層土體)、土壤初始含水率等對(duì)水分再分布過程中指流發(fā)育的影響,以期為進(jìn)一步研究提供指導(dǎo)。1粗質(zhì)石英砂的特性試驗(yàn)土箱材質(zhì)為有機(jī)玻璃,內(nèi)徑為98cm×100cm×1cm(高×寬×厚),可模擬土體中的二維水分運(yùn)動(dòng)。為便于裝土和取土,土箱面板采用螺栓固定,可拆卸。土箱面板上刻有2cm×2cm的網(wǎng)格線用以描繪濕潤鋒形態(tài)。土箱底部設(shè)有9個(gè)直徑3mm的孔用于排水并防止空氣壓縮。供水裝置采用馬氏瓶,并通過乳膠管與降雨模擬裝置相連。降雨模擬裝置由動(dòng)力控制設(shè)備、鏈條傳動(dòng)裝置和配水管組成。配水管設(shè)有8個(gè)針頭連接口,可根據(jù)試驗(yàn)需求調(diào)節(jié)供水流量。試驗(yàn)裝置如圖1。試驗(yàn)采用的土壤介質(zhì)為粗質(zhì)石英砂和細(xì)質(zhì)石英砂,其體積質(zhì)量分別為1.58g/cm3和1.60g/cm3,主要粒徑分布范圍分別為0.25~1.00mm和0.05~0.25mm,2種砂土的機(jī)械組成見表1所示。另外,采用常水頭滲透試驗(yàn)與環(huán)刀法測(cè)得,粗質(zhì)石英砂的飽和水力傳導(dǎo)度為0.0015cm/s,飽和體積含水率為0.465cm3/cm3;細(xì)質(zhì)石英砂的飽和水力傳導(dǎo)度為0.0008cm/s,飽和體積含水率為0.499cm3/cm3。本研究通過考慮土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)(包括均質(zhì)土體、質(zhì)地成層土體和濕度成層土體)、土壤初始含水率等因素以探討土壤結(jié)構(gòu)特性和初始條件對(duì)水分再分布過程中指流發(fā)育的影響,共設(shè)計(jì)了6種試驗(yàn)處理方案(表2),且每種處理進(jìn)行2次重復(fù)試驗(yàn)。裝土之前,根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)土體高度計(jì)算各土壤介質(zhì)的裝土體積;然后根據(jù)各土壤介質(zhì)的體積質(zhì)量計(jì)算試驗(yàn)所需各土壤介質(zhì)的裝土質(zhì)量;最后將試驗(yàn)所需的各土壤介質(zhì)稱質(zhì)量,準(zhǔn)備好。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì),若整個(gè)或部分土體具有一定的初始含水率,則還需根據(jù)初始含水率的大小向備好質(zhì)量的土壤介質(zhì)中加水并攪拌均勻。本研究前期預(yù)備試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),若將土箱直立放置,裝土過程中土壤顆粒會(huì)在重力的作用下進(jìn)行自然篩分,因此,本次試驗(yàn)采取將試驗(yàn)土箱水平放置的裝土方法。裝土?xí)r,先將試驗(yàn)土箱水平放置,移去土箱表面的一塊有機(jī)玻璃板,將備好的土壤介質(zhì)放于土箱對(duì)應(yīng)位置處,鋪平壓實(shí)至1cm厚;再將移去的土箱面板重新壓上并用螺栓緊緊固定;然后將土箱直立起來,用橡皮錘輕拍土箱使土壤顆粒自行下沉、壓縮至密實(shí),最后平整土體表面至最終設(shè)計(jì)高度(均質(zhì)土壤86cm,成層土壤94cm)。試驗(yàn)供水強(qiáng)度大小約為0.2273cm/s,足以使土體表面產(chǎn)生積水;水分再分布過程從積水消失時(shí)刻開始計(jì)起。2結(jié)果與分析2.1水分再分布過程中1次研究采用粗質(zhì)石英砂和細(xì)質(zhì)石英砂2種類型介質(zhì),設(shè)計(jì)了處理1和處理2分析土壤質(zhì)地對(duì)水分再分布過程中指流發(fā)育的影響,具體參數(shù)見表2。需要說明的是,處理設(shè)計(jì)本應(yīng)將這處理1和處理2的供水量保持相同,然而,在實(shí)際試驗(yàn)過程中,由于處理2采用細(xì)質(zhì)石英砂,其毛管吸力較大,持水性較好,當(dāng)采用與處理1相同的供水量(750cm3)時(shí),其后的水分再分布過程很難進(jìn)行,因此,對(duì)處理2進(jìn)行了2次施水過程。對(duì)于采用風(fēng)干粗顆粒石英砂裝成的均質(zhì)土體(處理1),當(dāng)累積供水量達(dá)到750cm3時(shí)供水停止,則在土表產(chǎn)生的深度約為1cm的積水層隨即消失,水分再分布過程即刻開始。此時(shí),濕潤鋒已移至土體表面以下20cm深度處,鋒面相對(duì)平整,較為穩(wěn)定,如圖2。然而,在隨即開始的水分再分布過程中,原本較為穩(wěn)定的濕潤鋒面迅速分裂形成指流,指鋒以極快的速度向前推移。當(dāng)水分再分布過程持續(xù)10min時(shí),若干形態(tài)狹長的指流已經(jīng)形成,指鋒接近土體的下邊界。在隨后過程中,由于土壤毛管吸力對(duì)水流的控制作用使指流側(cè)向發(fā)育受到抑制,但在重力作用下指流垂向發(fā)育繼續(xù)進(jìn)行,不過指鋒下移速度有所減慢。當(dāng)水分再分布過程進(jìn)行17min時(shí),指鋒已達(dá)土體下邊界。在本處理?xiàng)l件下,指流平均長度約為60cm,平均指寬不足10cm,其“手指狀”形態(tài)非常明顯。對(duì)于采用風(fēng)干細(xì)顆粒石英砂裝成的均質(zhì)土體(處理2),首次供水750cm3,土表積水消失即水分再分布過程開始時(shí),土體濕潤深度為15cm左右,如圖3。在隨后的水分再分布過程中,濕潤鋒前移的速度很慢,鋒面平坦;當(dāng)水分再分布過程進(jìn)行320min時(shí),濕潤鋒停止下移,鋒面依然穩(wěn)定,無指流出現(xiàn)。此時(shí),再次供水750cm3,即2次供水過程相隔了320min。在第2次供水入滲結(jié)束后的水分再分布過程中,濕潤鋒又開始向前推移,但濕潤鋒前移速度依然很慢;第2次水分再分布過程持續(xù)691min后,濕潤鋒面接近土體的下邊界。至此,鋒面依然呈穩(wěn)定形態(tài),未有指流出現(xiàn)。試驗(yàn)表明,在充分供水后的水分再分布過程中,均質(zhì)土壤中也可以出現(xiàn)指流;且土壤質(zhì)地較粗時(shí)指流容易產(chǎn)生。Wang等認(rèn)為這是由于均質(zhì)土壤中存在一個(gè)臨界濕潤深度(定義為吸濕曲線上的進(jìn)水勢(shì)值與脫濕曲線上的進(jìn)氣勢(shì)值之差),只有當(dāng)實(shí)際降雨或灌溉濕潤深度大于該臨界濕潤深度時(shí),水分再分布過程中才會(huì)出現(xiàn)指流。根據(jù)這一判據(jù),土壤質(zhì)地較粗時(shí),毛管作用越弱,導(dǎo)水性能較好,臨界濕潤深度較小,濕潤鋒的推進(jìn)速度較快,正的基質(zhì)勢(shì)梯度較容易形成,鋒面容易變得不穩(wěn)定,易于形成指流。這一研究結(jié)果為合理地選擇灌溉水量以阻止指流產(chǎn)生具有指導(dǎo)意義。例如,粗質(zhì)沙土性土壤灌水量不宜過多,否則會(huì)發(fā)生指流,降低作物的水肥利用效率。2.2土體初始含水率對(duì)濕流體穩(wěn)定性的影響為研究土壤初始含水率對(duì)水分再分布過程中指流發(fā)育過程的影響,采用粗質(zhì)石英砂裝成均質(zhì)土體,按照初始體積含水率的大小共設(shè)計(jì)了處理1、處理3和處理4等3種情況以進(jìn)行對(duì)比分析(見表2)。處理1、處理3及處理4中指流的發(fā)育情況分別見圖2、4。處理3的初始體積含水率為0.015cm3/cm3,累積供水量亦為750cm3。水分再分布過程開始時(shí),土體濕潤深度為15cm左右,濕潤鋒穩(wěn)定(圖4a);隨著水分再分布過程的持續(xù),穩(wěn)定的鋒面出現(xiàn)擾動(dòng)并逐漸被加強(qiáng),鋒面逐漸分裂;40min后,初步形成了3個(gè)形體較明顯的指流;當(dāng)水分再分布過程進(jìn)行85min時(shí),指鋒移至土體下邊界。與初始含水率為風(fēng)干狀態(tài)的土體結(jié)構(gòu)(處理1)相比,本次處理中指流的發(fā)育過程持續(xù)的時(shí)間較長,所形成的指流寬度較大,長度較小,指流的形體較不明顯。處理4的初始體積含水率為0.045cm3/cm3,累積供水量亦為750cm3。土表積水消失時(shí)刻土體的實(shí)際濕潤深度不足15cm,鋒面平整(圖4b);在之后的水分再分布過程中,濕潤鋒擾動(dòng)不大,但其下移的速度較快;當(dāng)水分再分布過程進(jìn)行到50min時(shí),濕潤鋒即到達(dá)土體的下邊界,此時(shí),濕潤鋒仍比較穩(wěn)定,沒有明顯的指流出現(xiàn)。由此得出,在土表積水消失之后的水分再分布過程中,初始含水率的增大會(huì)抑制指流的形成和發(fā)展。此外,還可以看出,濕潤鋒面推移速度受土體初始含水率和指流發(fā)育情況的耦合影響,與其中任一因素不具有簡(jiǎn)單的增減關(guān)系,即土體初始含水率較大或指流發(fā)育較弱時(shí)的濕潤峰下移速度可與土體初始含水率較小或指流發(fā)育較強(qiáng)時(shí)的情況相接近。原因在于,在較干燥的土壤中容易出現(xiàn)指流,且所產(chǎn)生的指流呈狹長形態(tài),水流比較集中,則濕潤鋒下移的速度較大;但是,當(dāng)介質(zhì)的初始含水率較大時(shí),雖然指流不易出現(xiàn),但其水力傳導(dǎo)度較大,則濕潤鋒向前推進(jìn)的速度也較大。2.3成土過程對(duì)土壤質(zhì)地成層的影響土壤成層的現(xiàn)象在農(nóng)區(qū)內(nèi)普遍存在,其形成主要有2種情況:一種是受自然因素(母質(zhì)、氣候、地形、生物、時(shí)間)和人類耕作活動(dòng)等影響,經(jīng)過不同的成土過程形成的土壤質(zhì)地成層;還有一種是受地表蒸發(fā)、地下水位波動(dòng)和人類灌溉活動(dòng)等影響而形成的土壤濕度成層。因此,本文在研究層狀土壤結(jié)構(gòu)對(duì)指流發(fā)育的影響時(shí),考慮了質(zhì)地成層結(jié)構(gòu)和濕度成層結(jié)構(gòu)2種情況。2.3.1水分再分布過程處理5中土體上層22cm為風(fēng)干細(xì)質(zhì)石英砂,下層72cm為風(fēng)干粗質(zhì)石英砂(表2)。由于上層細(xì)質(zhì)石英砂的持水性能較好,前期供水量增至1200cm3。在初始風(fēng)干的上層細(xì)質(zhì)下層粗質(zhì)的層狀結(jié)構(gòu)土體中,水分再分布過程開始時(shí),濕潤鋒已移至交界面處,并在鋒面處有微小擾動(dòng)產(chǎn)生;在隨后的水分再分布過程中,已有的擾動(dòng)迅速被加強(qiáng),并在界面處形成若干指流;指流出現(xiàn)后,指間濕潤鋒停止向下移動(dòng),自由的水分均向指區(qū)供給,指流保持狹長的形態(tài)快速地向下傳播;當(dāng)水分再分布過程持續(xù)進(jìn)行80min時(shí),部分指鋒已達(dá)土體的下邊界。與均質(zhì)土體(處理1)相比較,本處理中出現(xiàn)的指流為數(shù)較多,形體更為細(xì)長,且其形體的發(fā)展呈現(xiàn)出很大的隨機(jī)性及不規(guī)則性,指流發(fā)育過程相對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜,指流形態(tài)參差不齊。因此,鑒于該處理中指流的發(fā)育過程已無法在刻有網(wǎng)格的土箱面板上通過描繪濕潤鋒的方式很好地記錄下來,研究采取了利用相機(jī)拍照的記錄方式,如圖5。此外,本次處理中水分再分布過程持續(xù)時(shí)間較長,可能是由于上層細(xì)質(zhì)石英砂的持水性能較強(qiáng),多數(shù)水分被其所截持,剩下的參與下層土壤指流發(fā)育過程的水分較少的緣故?？傊?可以認(rèn)為,相對(duì)均質(zhì)土體來說,細(xì)質(zhì)土覆蓋于粗質(zhì)土之上的層狀結(jié)構(gòu)土壤,在水分再分布過程中更容易出現(xiàn)指流,且指流的形體更為明顯。2.3.2濕度分層界面為研究濕度成層對(duì)水分再分布過程中指流發(fā)育過程的影響,研究采用粗質(zhì)石英砂進(jìn)行試驗(yàn),其中上層22cm土體初始狀態(tài)為風(fēng)干,下層72cm土體的初始體積含水率為0.03cm3/cm3,累積供水量亦為750cm3(見表2處理6)。當(dāng)土表積水消失即水分再分布過程開始時(shí),濕潤鋒已接近濕度分層界面,鋒面穩(wěn)定,如圖6。在之后的水分再分布過程中,濕潤鋒下移的速度較慢且鋒面的波動(dòng)也不大;當(dāng)再分布過程持續(xù)210min時(shí),濕潤鋒接近土體的下邊界,擾動(dòng)被加強(qiáng),指流初步開始發(fā)育,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)其形態(tài)還不是很明顯。與均質(zhì)土壤(處理1)對(duì)比,本處理指流的發(fā)育進(jìn)程較慢、程度較弱。筆者認(rèn)為,這可能是由于在土表積水尚未消失之前的下滲過程中,上層風(fēng)干土體的大部分孔隙均被水充滿,積水消失時(shí)濕潤鋒已接近分層界面,若此時(shí)上層土體中均勻分布的含水率接近或大于下層土的初始含水率,那么其后的再分布過程類似于整個(gè)土體初始含水率均較大(如處理4)或下層土體上方存在一個(gè)導(dǎo)水性更強(qiáng)的或進(jìn)水勢(shì)值更大的土層情況,此時(shí),指流發(fā)育必然會(huì)受到抑制。3水分再分布過程中指流的分布規(guī)律本文以試驗(yàn)為手段,采用粗質(zhì)石英砂(粒徑0.25~1.00mm)和細(xì)質(zhì)石英砂(粒徑0.05~0.25mm)這2種不同的土壤介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明,水分再分布過程中,土壤介質(zhì)的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和初始含水率等特性能夠?qū)χ噶鳜F(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展產(chǎn)生重要影響。具體有以下幾點(diǎn):1)水分再分布過程中,均質(zhì)粗質(zhì)石英砂中可以產(chǎn)生指流;2)水分再分布過程中,土壤質(zhì)地較粗時(shí)易于形成指流;3)水分再分布過程中,初始含水率的增大會(huì)抑制指流的形成和發(fā)展。