亭子口水利樞紐低地墊高農(nóng)田防護(hù)工程保水性能研究

查元源，劉潔穎，伍靖偉，劉 松

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072；2.長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院規(guī)劃處，武漢 430010）

亭子口水利樞紐低地墊高農(nóng)田防護(hù)工程保水性能研究

查元源1，劉潔穎2，伍靖偉1，劉 松1

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072；2.長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院規(guī)劃處，武漢 430010）

針對亭子口水利樞紐農(nóng)田防護(hù)工程低地墊高方案的保水性能，在室內(nèi)大型土柱試驗的基礎(chǔ)上，建立基于Richards方程的一維飽和-非飽和水流運(yùn)動數(shù)學(xué)模型，模擬分析不同防護(hù)方案條件下土壤水分的運(yùn)動過程和保水性能。結(jié)果表明：目前擬采用的70 cm耕作層防護(hù)方案通過適度壓實保水性能良好，所建模型和所得相關(guān)成果可以為類似工程提供參考。

亭子口水利樞紐；低地墊高；保水性能；數(shù)值模擬

為了保護(hù)亭子口水利樞紐庫區(qū)耕地免受庫區(qū)尾水淹沒，解決移民生產(chǎn)生活問題，農(nóng)田防護(hù)工程擬采用低地墊高方案，即先將耕作層剝離，然后用砂卵石混合土層墊高至安全高度，再將耕作層回填。低地墊高方案實施后，由于土層結(jié)構(gòu)和土壤水運(yùn)動條件的改變，可能會帶來一些問題：下墊層的材料為沙礫石混合土材料，透水性較強(qiáng)，保水性能較差，可能形成俗稱的“倒蒙金”土，會導(dǎo)致滲漏、土肥流失等問題。為了驗證工程的可行性，同時取得工程施工時的必要參數(shù)，作者在武漢大學(xué)水資源與水電工程國家重點實驗室進(jìn)行了大型土柱保水性能試驗，并在此基礎(chǔ)上建立了一維飽和-非飽和水流運(yùn)動數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而對不同防護(hù)方案條件下土壤水分運(yùn)動過程和保水性能進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

1 試驗介紹

1.1 試驗裝置及土樣材料

試驗在大型土柱中進(jìn)行。土柱由多層40 cm× 40 cm×30 cm的方形鋼制容器拼接而成；每層土柱壁以10 cm為間距安裝TDR土壤含水率探頭，實時監(jiān)測土壤含水率變化；最下一層土柱底部留有排水口，監(jiān)測排水情況。

試驗耕作層土樣為在庫區(qū)羅家橋和安全壩兩地挖取的土樣，分別代表保護(hù)區(qū)的砂土和粉砂土類型。在取土前進(jìn)行了土壤原位測試，獲取了耕作層土樣的容重、孔隙度、田間持水量等基本參數(shù)。墊層材料來自庫區(qū)河床附近的天然砂卵石料混合土。試驗裝置及填充土料如圖1所示。

圖1 大型土柱試驗裝置Fig.1 Large-scale soil column test device

1.2 試驗方法和方案

試驗方法主要是在土柱上部人工灌水，觀測水層的深度變化；通過TDR觀測不同深度土壤含水率隨入滲時間的變化；在土柱底部收集排水，觀測排水時間和排水量。通過上述3種數(shù)據(jù)定量分析該工程方案的保水性能。

各試驗方案主要改變灌溉水量、土壤初始含水率、耕作層土壤質(zhì)地、耕作層厚度、耕作層干密度，以對比不同試驗方案下土柱保水性能的差異。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

一維垂向土壤水流運(yùn)動用Richards方程描述，即

式中：θ為土壤體積含水率；h為土壤水分負(fù)壓（cm）；垂直坐標(biāo)z向下為正（cm）；t為時間（h）；S為根系吸水項或其它源匯項（h-1）；K為土壤非飽和水力傳導(dǎo)度（cm·h-1）。

2.2 定解條件

邊界條件：模擬中，下邊界排水，采用滲出面邊界。其表達(dá)式為，當(dāng)h＜0時，q＝0；否則h＝0。其中：h為邊界處土壤負(fù)壓；q為邊界流量通量。上邊界灌溉，采用大氣邊界，其表達(dá)式為，h＞0時，θ＝θs；h≤0時，q＝0。其中θ為邊界處土壤含水率。本文中上邊界均為初始時刻建立20 cm水層，自由入滲。

初始條件：h（z，0）＝h0（z），即初始時刻的土壤剖面負(fù)壓已知。

2.3 土壤水分運(yùn)動參數(shù)

2.3.1 土壤水分運(yùn)動參數(shù)模型

土壤水分運(yùn)動參數(shù)主要包括土壤水分特征曲線參數(shù)和非飽和土壤水力傳導(dǎo)度，可應(yīng)用van Genuchten［1］模型來表示：

式（2）至式（6）共有5個未知參數(shù)，分別為θr，θs，α，n，Ks。其中θr為殘余體積含水量；θs為飽和體積含水量；Ks為飽和水力傳導(dǎo)度（cm·h-1）；Se為飽和度。α（cm-1），n，m和l是反映土壤水分曲線特征的經(jīng)驗常數(shù)，本文中l(wèi)取為0.5，m由式（4）求得。2.3.2 土壤水分運(yùn)動參數(shù)選擇

根據(jù)實測的土壤顆分曲線和天然干密度，利用RETC軟件擬合，得到天然干密度下試驗土料的土壤水分運(yùn)動參數(shù)，如表1所示。

不同干密度下，土壤上述各參數(shù)值的變化將在方案分析中具體說明。

表1 天然干密度下的土壤水分運(yùn)動參數(shù)Table1 Soil hydraulic properties in natural density

3 部分試驗數(shù)據(jù)及模型驗證

多組試驗取得了各時間含水率剖面、灌水水層厚度、累積排水量3類數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示本工程采用低地墊高方案是合理的。限于篇幅，本文對試驗數(shù)據(jù)不作詳細(xì)說明，僅列出單組試驗部分?jǐn)?shù)據(jù)，以確定模型和參數(shù)的選擇是否合適，數(shù)值模擬是否合理。

該單組試驗耕作層為70 cm羅家橋砂土，下墊層為30 cm砂礫石混合土，土壤水分運(yùn)動參數(shù)見表1，初始含水量θ0＝0.17，并且是按天然干密度均勻填裝的。用HYDRUS-1D軟件模擬和試驗中TDR監(jiān)測分別得到的耕作層土壤剖面體積含水率結(jié)果對比如圖2所示。

圖2 土柱耕作層不同深度含水率試驗值與模擬值比較Fig.2 Com parisons ofmoisture content at different depths from experiment and simulation at arable layer in soil column

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，試驗得出的土壤入滲速度與模擬值是一致的，而且各個時間段的剖面含水率曲線也符合很好。但圖中也反映出存在一些差異，產(chǎn)生這些差異的一個可能原因是土柱試驗的土層是分層手工填裝的，土壤干密度難以達(dá)到完全均勻，加上土壤自身的自然沉降作用，導(dǎo)致下部土壤干密度有所增高，因此模擬結(jié)果有細(xì)微差別，但整體模擬結(jié)果與實測一致。

圖3是耕作層下邊界累計排水量的數(shù)值模擬和實測結(jié)果，兩者非常吻合。這進(jìn)一步說明，所建立的模型和所使用的參數(shù)能夠模擬農(nóng)田防護(hù)工程低地墊高方案的土壤水分運(yùn)動過程。

圖3 土柱下邊界累計排水量試驗值與模擬值比較Fig.3 Com pare of cumulative drainage volumes from experiment and simu lated data at lower boundary in soil column

從圖3還可以看出，灌水后2 d共排水不到4 cm，即計算土層（包含30 cm的下墊層）能蓄住80%的灌溉水量。而且試驗和模擬結(jié)果均表明，充分灌溉2 d后，羅家橋砂土的平均含水率為0.22～0.29；安全壩粉砂土為0.30～0.38，均超過天然田間持水量，能滿足一次灌溉維持長時間作物需水要求。

4 方案分析

4.1 不同耕作層土壤質(zhì)地方案

耕作層土壤質(zhì)地不同，其保水性能可能不同。為此，再取安全壩的粉砂土作為耕作層土壤，耕作層仍為70 cm，下墊層仍為30 cm，進(jìn)行模擬計算。兩種情況下設(shè)置的觀測點（15 cm深和45 cm深處）體積含水率變化對比如圖4所示。

圖4 不同耕作層土壤質(zhì)地下的土壤含水率變化Fig.4 Variety ofmoisture content of arable layers with different soils

模擬結(jié)果表明，粉砂土的平均含水率高于砂土。這說明，采取不同的耕作土壤，保水性能會有較大差異，工程中應(yīng)盡可能選擇保水性能較好的土壤。

4.2 不同耕作層土壤深度方案

根據(jù)滲流垂直于土壤分層面時滲透系數(shù)主要決定于滲透系數(shù)值較小的土壤［2］，可知低地墊高方案中起主要保水作用的是滲透系數(shù)相對小的耕作層土壤。將耕作層調(diào)整為100 cm、下墊層仍為30 cm，模擬結(jié)果與耕作層70 cm、下墊層30 cm的方案對比如圖5所示。

圖5 不同耕作層厚度下的土壤含水率變化Fig.5 Variety ofmoisture content of arab le layers w ith different thicknesses

從圖中可以看出，耕作層厚度分別為70 cm和100 cm方案的入滲速度是同步的。而由于羅家橋砂土的n值較大，退水較快，導(dǎo)致同一時間同一深度下是100 cm耕作層厚度的土壤含水率較小。這說明，在耕作層厚度達(dá)到70 cm后，繼續(xù)增加耕作層土壤厚度不能明顯增強(qiáng)保水作用?？紤]到植物根系生長一般需求耕作層大于等于70 cm，工程施工時可以取土壤耕作層厚度為70 cm。

4.3 不同土壤干密度方案

不同壓實程度，亦即不同干密度，必然帶來土壤的滲水性能和保水性能發(fā)生變化。通過不同干密度下土壤吸力試驗，得知當(dāng)某種土壤的干密度ρd變大時，參數(shù)θs，Ks會減小；而θr，α，n的變化幅度非常小。因此這里假設(shè)密度改變時，同種土壤的參數(shù)θr，α，n保持不變。

理論上，土壤飽和時，水完全充滿土壤的孔隙，那么土壤飽和含水率與土壤干密度存在以下理論關(guān)系，即

式中：p為土壤孔隙度；ρd為土壤干密度（g·cm-3）；ρs為土粒密度（g·cm-3）。

但實際中土壤水分往往難以完全充滿孔隙，相關(guān)試驗也發(fā)現(xiàn)干密度改變時，土壤飽和含水率只能近似按式（7）變化，有時需要對其進(jìn)行修正［3］。本次試驗通過測量羅家橋砂土不同壓實程度時的干密度和相應(yīng)飽和含水量，得到了二者在一定范圍內(nèi)的相關(guān)關(guān)系為

對于羅家橋砂土，ρs＝2.69。由式（8）知，當(dāng)羅家橋砂土ρd分別為1.37 g／cm3（0.9倍原干密度）和1.66 g／cm3（1.1倍原干密度）時，對應(yīng)的θs分別為0.481和0.375。

對于飽和滲透系數(shù)與土壤干密度的關(guān)系，本文中采用劉杰公式［4］，

式中：Ks單位為cm／s；d20為等效粒徑；對于羅家橋砂土取為0.008 1cm。

根據(jù)土壤密度和孔隙度的關(guān)系，可將式（9）改寫為

當(dāng)羅家橋砂土的干密度變?yōu)?.37 g／cm3和1.66 g／cm3時，代入式（10）計算得飽和滲透系數(shù)從4.37 cm／h，分別變?yōu)?.70 cm／h和3.09 cm／h。該數(shù)據(jù)得到了試驗的驗證。

干密度采取4種不同方案：①田間干密度，即1.51 g／cm3；②田間干密度的1.1倍；③田間干密度的0.9倍；④耕作層上層40 cm采用0.9倍田間干密度，下層30 cm采用1.1倍田間干密度。模擬結(jié)果對比如圖6所示。

圖6 不同耕作層土壤干密度方案下的土壤含水率剖面Fig.6 M oisture content of arable layersw ith different soil densities

從圖6可以看出，采用干密度為天然干密度的0.9～1.1倍時，土壤灌水48 h后的含水量（亦即田間持水量）均大于天然田間持水量0.23。

此外，還可以看出方案4為最佳方案。方案4的初始入滲速度與方案3同步，但退水曲線比方案3滯后，因此，在灌水后同一時間上方案4在土壤40 cm深度以內(nèi)保持的水分更多。實際上，這樣做就使得土壤結(jié)構(gòu)有了“蒙金土”的特征。采取“上松下密”的原則，在不顯著增加入滲速度的情況下，提高了計劃濕潤層土壤的田間持水量，減少了深層滲漏量。同樣可知增大墊層干密度對保水持水都非常有利。

通過試驗也得到了相同的結(jié)論。同時試驗還表明：當(dāng)土壤過于松散，在灌水等條件下，土壤會在重力作用下自然沉降、壓實；而使土壤非常密實既增加成本也不利于作物生長。因此，干密度變動應(yīng)有一個范圍，可根據(jù)實際情況參照方案4進(jìn)行施工。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)水庫淹沒區(qū)低地墊高農(nóng)田防護(hù)工程的實際需要，在室內(nèi)進(jìn)行大型土柱試驗，同時建立低地墊高雙層土壤結(jié)構(gòu)的非穩(wěn)定土壤水分運(yùn)動數(shù)值模型，對不同防護(hù)方案進(jìn)行了模擬分析，得到如下結(jié)論：

（1）通過試驗檢驗了所建立的低地墊高土壤水分運(yùn)動模型的合理性，模型可適用于其他低地墊高農(nóng)田防護(hù)工程的保水性能分析；

（2）室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬結(jié)果表明，亭子口水利樞紐庫區(qū)農(nóng)田防護(hù)工程采用低地墊高方案保水性能良好；

（3）耕作層土壤厚度取70 cm即可。施工時，耕作層采用上松下密的原則，并宜在天然干密度的0.9～1.1倍變動比較合適；墊層盡量壓實，保證大于其天然干密度。

［1］ Van GENEUCHTEN，M.Th.A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils［J］.Soil Science Society of America Journal.1980，44：892-898.

［2］ 薛禹群.地下水動力學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社.1997.（XUE Yu-qun.Groundwater dynamics［M］.Beijing：Geological Publishing House.1997.（in Chinese））.

［3］ 呂殿青，邵明安，劉春平.容重對土壤飽和水分運(yùn)動參數(shù)的影響［J］.水土保持學(xué)報，2006，20（3）：154-157.（LU Dian-qing，SHAOMing-an，LIUChun-ping.Effect of bulk density on soil saturated watermovement parameters［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2006，20（3）：154-157.（in Chinese））

［4］ 沙金煊.農(nóng)田不穩(wěn)定排水理論與計算［M］.北京：中國水利水電出版社，2004：35-38.（SHA Jin-xuan.Theory and Calculation of Farmland Unsteady Drainage［M］.Beijing：China Waterpower Press，2004：35-38.（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

Study on W ater Retention Performance of Low land Heightening Farm land Protection Project in Tingzikou Water Control Pivot

ZHA Yuan-yuan1，LIU Jie-ying2，WU Jing-wei1，LIU Song1
（1.State Key Laboratory ofWater Resources and Hydropower Engineering Sciences，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Changjiang Institute of Survey Planning Design and Research，Wuhan 430010，China）

To research thewater retention performance of lowland heightening farmland protection project in Tingzikou Water Control Pivot，large-scale soil column experiments and one-dimensional saturated-unsaturated flow simulations have been performed.The results show：（1）70 cm thick arable soil layer with appropriate compaction can ensure satisfying water retention performance；（2）the established model and the results obtained in the paper can provide a reference for similar projects.

Tingzikou Water Control Pivot；lowland heightening；water retention performance；numerical simulation

TV93；S277.7

A

1001-5485（2010）04-0016-04

2009-05-07

查元源（1987-），男，安徽懷寧人，碩士研究生，主要從事地下水資源與環(huán)境方面的研究，（電話）13100616800（電子信箱）zhayuan87＠126.com。