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,從而亦影響作物對養(yǎng)分、農(nóng)藥和殺蟲劑的利用效率,因此,指流研究對農(nóng)業(yè)水肥利用效率、環(huán)境和水資源污染防護等具有重要意義。目前,國內(nèi)外對水分入滲過程中指流發(fā)生、發(fā)展和影響因素進行了大量研究[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。普遍認(rèn)為,水分在細質(zhì)土覆于粗質(zhì)土之上的層狀土體中入滲時易出現(xiàn)指流;水分在斥水性(water-repellency)土壤中入滲時易出現(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,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排出而導(dǎo)致氣阻或土壤空氣受壓時,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,易出現(xiàn)指流。此外,土壤介質(zhì)的初始含水率亦會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)對此研究極少,僅李賀麗等探討了前期供水量、實驗土箱尺寸、溶液濃度等因素對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)石英砂和細質(zhì)石英砂這2種不同的土壤介質(zhì)進行試驗,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水分再分布過程中指流發(fā)育的影響,以期為進一步研究提供指導(dǎo)。1粗質(zhì)石英砂的特性試驗土箱材質(zhì)為有機玻璃,內(nèi)徑為98cm×100cm×1cm(高×寬×厚),可模擬土體中的二維水分運動。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。降雨模擬裝置由動力控制設(shè)備、鏈條傳動裝置和配水管組成。配水管設(shè)有8個針頭連接口,可根據(jù)試驗需求調(diào)節(jié)供水流量。試驗裝置如圖1。試驗采用的土壤介質(zhì)為粗質(zhì)石英砂和細質(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種砂土的機械組成見表1所示。另外,采用常水頭滲透試驗與環(huán)刀法測得,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)特性和初始條件對水分再分布過程中指流發(fā)育的影響,共設(shè)計了6種試驗處理方案(表2),且每種處理進行2次重復(fù)試驗。裝土之前,根據(jù)試驗設(shè)計土體高度計算各土壤介質(zhì)的裝土體積;然后根據(jù)各土壤介質(zhì)的體積質(zhì)量計算試驗所需各土壤介質(zhì)的裝土質(zhì)量;最后將試驗所需的各土壤介質(zhì)稱質(zhì)量,準(zhǔn)備好。根據(jù)試驗設(shè)計,若整個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)備試驗發(fā)現(xiàn),若將土箱直立放置,裝土過程中土壤顆粒會在重力的作用下進行自然篩分,因此,本次試驗采取將試驗土箱水平放置的裝土方法。裝土?xí)r,先將試驗土箱水平放置,移去土箱表面的一塊有機玻璃板,將備好的土壤介質(zhì)放于土箱對應(yīng)位置處,鋪平壓實至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,最后平整土體表面至最終設(shè)計高度(均質(zhì)土壤86cm,成層土壤94cm)。試驗供水強度大小約為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刻開始計起。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)石英砂和細質(zhì)石英砂2種類型介質(zhì),設(shè)計了處理1和處理2分析土壤質(zhì)地對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)計本應(yīng)將這處理1和處理2的供水量保持相同,然而,在實際試驗過程中,由于處理2采用細質(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,其后的水分再分布過程很難進行,因此,對處理2進行了2次施水過程。對于采用風(fēng)干粗顆粒石英砂裝成的均質(zhì)土體(處理1),當(dāng)累積供水量達到750cm3時供水停止,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,濕潤鋒已移至土體表面以下20cm深度處,鋒面相對平整,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,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)進行,不過指鋒下移速度有所減慢。當(dāng)水分再分布過程進行17min時,指鋒已達土體下邊界。在本處理條件下,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。對于采用風(fēng)干細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,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)水分再分布過程進行320min時,濕潤鋒停止下移,鋒面依然穩(wěn)定,無指流出現(xiàn)。此時,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)土壤中存在一個臨界濕潤深度(定義為吸濕曲線上的進水勢值與脫濕曲線上的進氣勢值之差),只有當(dāng)實際降雨或灌溉濕潤深度大于該臨界濕潤深度時,水分再分布過程中才會出現(xiàn)指流。根據(jù)這一判據(jù),土壤質(zhì)地較粗時,毛管作用越弱,導(dǎo)水性能較好,臨界濕潤深度較小,濕潤鋒的推進速度較快,正的基質(zhì)勢梯度較容易形成,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土體初始含水率對濕流體穩(wěn)定性的影響為研究土壤初始含水率對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)計了處理1、處理3和處理4等3種情況以進行對比分析(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,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)擾動并逐漸被加強,鋒面逐漸分裂;40min后,初步形成了3個形體較明顯的指流;當(dāng)水分再分布過程進行85min時,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。土表積水消失時刻土體的實際濕潤深度不足15cm,鋒面平整(圖4b);在之后的水分再分布過程中,濕潤鋒擾動不大,但其下移的速度較快;當(dāng)水分再分布過程進行到50min時,濕潤鋒即到達土體的下邊界,此時,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)育較強時的情況相接近。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,雖然指流不易出現(xiàn),但其水力傳導(dǎo)度較大,則濕潤鋒向前推進的速度也較大。2.3成土過程對土壤質(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、時間)和人類耕作活動等影響,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)、地下水位波動和人類灌溉活動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)對指流發(fā)育的影響時,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,濕潤鋒已移至交界面處,并在鋒面處有微小擾動產(chǎn)生;在隨后的水分再分布過程中,已有的擾動迅速被加強,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,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)進行80min時,部分指鋒已達土體的下邊界。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,形體更為細長,且其形體的發(fā)展呈現(xiàn)出很大的隨機性及不規(guī)則性,指流發(fā)育過程相對錯綜復(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)時間較長,可能是由于上層細質(zhì)石英砂的持水性能較強,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,相對均質(zhì)土體來說,細質(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)石英砂進行試驗,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,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也不大;當(dāng)再分布過程持續(xù)210min時,濕潤鋒接近土體的下邊界,擾動被加強,指流初步開始發(fā)育,試驗結(jié)束時其形態(tài)還不是很明顯。與均質(zhì)土壤(處理1)對比,本處理指流的發(fā)育進程較慢、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,積水消失時濕潤鋒已接近分層界面,若此時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導(dǎo)水性更強的或進水勢值更大的土層情況,此時,指流發(fā)育必然會受到抑制。3水分再分布過程中指流的分布規(guī)律本文以試驗為手段,采用粗質(zhì)石英砂(粒徑0.25~1.00mm)和細質(zhì)石英砂(粒徑0.05~0.25mm)這2種不同的土壤介質(zhì)進行試驗,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: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)地較粗時易于形成指流;3)水分再分布過程中,初始含水率的增大會抑制指流的形成和發(fā)展。