指流間距對(duì)模擬指流水分運(yùn)動(dòng)的影響

吳叔贏 邵霞珍 張建豐

摘要 為了解指流間距對(duì)模擬指流水分運(yùn)動(dòng)的影響，通過(guò)模擬不同的指流間距，研究不同間距對(duì)指流水分運(yùn)動(dòng)的影響。結(jié)果表明，指流間距越大，指流域中的水分入滲越快，且指流流速與指流間距呈線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞 層狀土壤;模擬指流;指流間距

中圖分類(lèi)號(hào) S 152.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）12-0212-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.12.059

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract In order to understand the influence of finger flow spacing on ?simulation finger flow water movement ，by simulating different finger spacing the effect of different spacing on finger flow water movement was observed.The results showed that the larger the fingerflow spacing was，the faster the water infiltration was，and the relationship between the fingerflow velocity and fingerflow spacing was linear.

Key words Layered structure soil; Simulation finger flow;Finger flow spacing

指流（finger flow）在自然界廣泛存在，如玻璃上的水流，在水流的前鋒線上往往會(huì)出現(xiàn)像手指一樣的形狀。如水分在土壤中的入滲，某種條件下并不是均勻入滲，而是水分會(huì)沿著一些優(yōu)先通道快速入滲到深層。這種現(xiàn)象往往會(huì)造成耕作層土壤干旱，表層施入土壤中的農(nóng)藥、養(yǎng)分和殺蟲(chóng)劑沿著快速通道流入地下水，對(duì)地下水產(chǎn)生污染。在土壤入滲中，這種由于水分繞過(guò)大部分土壤，僅沿優(yōu)先通道以“指狀”入滲的現(xiàn)象稱(chēng)為指流[1-2]。1972年Hill等[3]研究發(fā)現(xiàn)“上細(xì)下粗”的層狀結(jié)構(gòu)土壤中水分入滲易出現(xiàn)指流現(xiàn)象。Hillel等[4]分析了“上細(xì)下粗”層狀土條件下指流的形成機(jī)制，并引入了進(jìn)水吸力概念。Wang等[5-7]對(duì)指流產(chǎn)生的條件和機(jī)理進(jìn)行了深入研究。王文焰等[8]對(duì)砂層在黃土中的入滲特性進(jìn)行了室內(nèi)模擬試驗(yàn)，張建豐等[9-10]對(duì)“上土下砂”的層狀結(jié)構(gòu)土壤中產(chǎn)生指流的條件和機(jī)理進(jìn)行了分析，李懷恩等[11]分析了上層土壤性質(zhì)發(fā)生變化對(duì)指流推進(jìn)速度的影響。

張建豐等[10]研究發(fā)現(xiàn)在“上土下砂”的層狀土壤中下層砂中孔隙小的會(huì)優(yōu)先導(dǎo)水，因此在下層砂土中采用粗砂來(lái)模擬基質(zhì)域，細(xì)砂來(lái)模擬指流域。以上多以研究指流的發(fā)生機(jī)理和運(yùn)動(dòng)特性為主，而筆者考慮在指流發(fā)生的條件下，

研究指流間距對(duì)指流入滲優(yōu)先條件的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)裝置主要由土箱、供水裝置和支座3部分組成。土箱采用2個(gè)相同尺寸（長(zhǎng)×高×厚為500 mm×600 mm×8 mm）的有機(jī)玻璃板，沿著2個(gè)有機(jī)玻璃板邊壁之間夾入一個(gè)寬20 mm、厚度16 mm的“U”形有機(jī)玻璃條。距“U”形有機(jī)玻璃條一側(cè)上端20 mm處開(kāi)一個(gè)進(jìn)水口，且在底部設(shè)有排水孔，整個(gè)試驗(yàn)土箱尺寸為500 mm×600 mm×32 mm（寬×高×厚）。土箱前壁標(biāo)有以10 mm為單位的網(wǎng)格線，供觀測(cè)水分入滲濕潤(rùn)鋒讀數(shù)使用。供水裝置采用馬氏瓶，支座采用一塊鋼鐵板上安裝2塊可拆卸的槽鋼，槽鋼一側(cè)打孔并安裝螺絲，安裝時(shí)把土箱夾在兩槽鋼之間，然后用螺絲把土箱和支座固定為一體。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

1.2 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的上層黃土容重為1.4 g/ cm3，厚度為20 cm，初始含水率θ=2.7%，為砂壤土。下層為模擬指流的砂層，厚度為33 cm，以粗砂組成的基質(zhì)域的粒徑為1～5 mm，中值粒徑d50=4.15 mm。以細(xì)砂組成的指流域的粒徑為0.1～1.0 mm，中值粒徑d50=0.55 mm。設(shè)計(jì)的表層積水厚度為3 cm。黃土和粗砂的顆粒粒徑組成見(jiàn)表1、2。

在下層砂中設(shè)置了6個(gè)間距不同的指流域，自左向右編號(hào)分別為1～6模擬指流域，第1指流域和第2指流域的間距為3 cm，第2和第3模擬指流域的間距為4 cm，以此類(lèi)推，第5和第6模擬指流域的間距為7 cm。其中，為了消除邊界的影響及很好地控制指流間距，把第1指流域和第6指流域?yàn)檫吔缰噶饔?，不作為該研究的?duì)象。

試驗(yàn)準(zhǔn)備就緒后，連接好試驗(yàn)裝置，同時(shí)保持土壤表層3 cm的積水厚度，打開(kāi)馬氏瓶放水閥，開(kāi)始計(jì)時(shí)，并記錄此時(shí)刻的入滲時(shí)間為0。隨后每隔一定時(shí)間，記錄時(shí)間及該時(shí)刻馬氏瓶中水位值和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移位置的變化。在入滲初期，由于土壤水下滲較快，記錄的時(shí)間間隔應(yīng)短一點(diǎn)，往后入滲變緩，記錄的時(shí)間間隔長(zhǎng)一點(diǎn)，記錄過(guò)程持續(xù)到試驗(yàn)結(jié)束。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕潤(rùn)鋒動(dòng)態(tài)分布

以上層土表面為濕潤(rùn)鋒位移的初始面，向下入滲為正。不同指流間距下的濕潤(rùn)鋒動(dòng)態(tài)分布見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，水分在上層均質(zhì)土中呈水平的均勻下滲，當(dāng)進(jìn)入下層不同間距的模擬指流域時(shí)，出現(xiàn)了從第2～5模擬指流域水分入滲依次變快的趨勢(shì)。其原因是水分的入滲實(shí)際上就是水分排空土壤孔隙中的空氣，從而進(jìn)入到孔隙中。當(dāng)水分進(jìn)入指流域時(shí)，就會(huì)把指流域中的空氣一部分向下排放，一部分向兩側(cè)的粗砂排放，由于每個(gè)指流域都一樣，因此向下排放的空氣量可以看為是一定的，但每個(gè)指流域旁的粗砂基質(zhì)域厚度不同。因此，向基質(zhì)域排放的多少?zèng)Q定了水分在指流域入滲的快慢。第1指流域和第2指流域之間的粗砂厚度為3 cm，因此可以假設(shè)第1指流域擁有厚度1.5 cm的粗砂區(qū)域，第2指流域也擁有厚度1.5 cm的粗砂區(qū)域，第2指流域和第3指流域之間的粗砂厚度為4 cm，同樣假設(shè)第2指流域和第3指流域各擁有2 cm厚的粗砂區(qū)域。因此第2指流域周?chē)愦嬖?.5 cm厚的粗砂層，按此假設(shè)得出第2指流域到第5指流域所占有的兩側(cè)粗砂厚度b分別為3.5、4.5、5.5和6.5 cm。

這說(shuō)明當(dāng)水分進(jìn)入指流域后，同一時(shí)間下，濕潤(rùn)鋒的入滲深度隨指流域所擁有的粗砂厚度b的增大而增大。同時(shí)也說(shuō)明在產(chǎn)生指流的“上土下砂”層狀結(jié)構(gòu)土壤時(shí)，指流兩側(cè)的孔隙越多，指流流速越大。

2.2 指流特征分析

在砂層中共模擬了6條指流域，其中第1指流域和第6指流域看成是整個(gè)指流域的兩邊界，稱(chēng)為邊界流。因此主要研究第2指流域到第5指流域中指流的運(yùn)動(dòng)特征。指流的發(fā)生在第345 min，以此時(shí)刻為指流產(chǎn)生的初始時(shí)間，累積入滲時(shí)間減去產(chǎn)生指流的初始時(shí)間，得到產(chǎn)生指流的入滲時(shí)間Tf（表3）。

從圖2和表1可以看出，在同一時(shí)間下，從第2指流域到第5指流域的指流長(zhǎng)度L越大。表1中不同指流域下的指流長(zhǎng)度L的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和指流產(chǎn)生的時(shí)間Tf的變化關(guān)系見(jiàn)圖3。用線性函數(shù)分別對(duì)不同指流域內(nèi)的指流長(zhǎng)度L和時(shí)間T的變化關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果：第2指流域：L2=0.032 5Tf，R2=0.988 4;第3指流域：L3=0.073 7Tf，R2=0.993 7;第4指流域：L4=0.125 4Tf，R2=0.992 1;第5指流域：L5=0.147 3Tf，R2=0.995 1。

3 結(jié)論

該試驗(yàn)研究了不同模擬指流間距下指流域中的水分運(yùn)動(dòng)，結(jié)果表明，指流域的濕潤(rùn)鋒深度隨模擬指流域間距的增大而增大，指流間距越大，指流域中水分入滲越快;指流流速隨指流兩側(cè)累積厚度增大而增大，并呈線性變化關(guān)系。

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