容重對紅壤土水平一維入滲水分運移特性的影響

賀衛(wèi)華， 梁欣欣， 陸 飛

(1. 湖南省湘潭市水利水電勘測設計院，湖南湘潭 411400；2.南昌工程學院，江西南昌 330099)

容重對紅壤土水平一維入滲水分運移特性的影響

賀衛(wèi)華1， 梁欣欣2， 陸 飛2

(1. 湖南省湘潭市水利水電勘測設計院，湖南湘潭 411400；2.南昌工程學院，江西南昌 330099)

摘要[目的]研究水平一維入滲條件下，容重對紅壤土水分入滲的影響。[方法]以不同容重的紅壤土為研究對象，進行了室內(nèi)水平入滲試驗。[結果]相同時間內(nèi)容重越大，水分運移的速度越慢，濕潤鋒運移距離越小，累積入滲量越小；在濕潤鋒之上,相同容重的土壤含水量差別不大，在相同的入滲距離,土壤容重越大，含水量越小。[結論]建立了紅壤土一維水平入滲條件下容重與濕潤鋒關系模型，改進了一維水平入滲條件下的Philip模型。

關鍵詞紅壤；水平入滲；容重

江西省是農(nóng)業(yè)大省[1]，也是我國紅壤集中分布的地區(qū)。在土壤水分入滲方面，國內(nèi)外學者進行了大量研究[2-6]，關于土壤容重對入滲的影響也有一些研究。潘云等[5]研究了土壤容重對土壤水分入滲特性的影響，李濤等[7]研究了土壤容重對深層坑滲灌入滲特性的影響，吳軍虎等[8]研究了容重對不同有機質含量土壤水分入滲特性的影響，李卓等[9]進行了容重對土壤水分入滲能力影響的模擬試驗，張振華等[10]定量分析了氣相阻力與土壤容重對一維垂直入滲的影響。筆者通過室內(nèi)試驗研究水平一維入滲條件下容重對紅壤土水平入滲及硝態(tài)氮運移的影響，以期為紅壤區(qū)灌溉提供理論支撐。

1材料與方法

1.1試驗材料供試土樣取自江西省進賢縣，取地表40 cm的種植土，將試驗土樣風干、粉碎，過2 mm篩，用塑料薄膜覆蓋保存，備用。試驗開始前測得初始含水率為3.60%，容重1.30 g/cm3土樣的飽和導水率為2.141×10-5cm/s。采用 BT-9300H激光粒度分布儀測定土壤顆粒，粒徑>0.050 mm的土壤含量為21.13%,0.050～0.001 mm的含量為38.26%，<0.001 mm的含量為40.61%。顆粒分析試驗土樣為中黏壤土。試驗地點在南昌工程學院灌溉排水試驗中心。

1.2試驗裝置試驗裝置由水平土柱和供水系統(tǒng)2部分組成。水平土柱采用直徑10.00 cm、長度80.00 cm的有機透明玻璃筒，土筒每間隔2.50 cm開1個直徑為1.00 cm的小孔取土；供水系統(tǒng)由馬氏瓶提供穩(wěn)定入滲水頭。

1.3試驗方法采用水平一維入滲試驗，土壤容重設定5個水平,分別為 1.20、1.25、1.30、1.35、1.40 g/cm3。供試土樣按照設定容重計算每層(5.00 cm)土的質量，用自制的夯土器夯實均勻，土柱表層用濾紙鋪墊以防止入滲不均勻，土層之間用軟毛刷刷平防止土層之間分層。試驗開始前將土柱倒立并打開馬氏瓶給水室供水，當水室充滿水時，立即將土柱放平開始試驗，同時打開秒表計時和記錄馬氏瓶的初始讀數(shù)。

試驗觀測時間間隔按照先密后疏的原則，待入滲穩(wěn)定后結束試驗。試驗結束供水后取土樣，剖面取土點布置在土柱的水平剖面上，每5.00 cm布設1個取土點，取樣方向自濕潤鋒處取土至進水口，取得土樣迅速裝入鋁盒，采用烘干法測定含水量。

2結果與分析

2.1不同容重對一維水平入滲條件下土壤濕潤鋒的影響濕潤鋒為入滲過程中土壤濕潤區(qū)的前緣，它指示水分入滲的最大深度，隨著入滲時間的延長，濕潤鋒深度不斷增加。在水平一維入滲中,水分在土壤基質吸力的作用下進入土體并在土體內(nèi)運動,形成濕潤區(qū)。在入滲初期,由于土壤初始含水率很低,土壤基質勢梯度大,在短時間內(nèi)濕潤鋒前進的速度很快。隨著入滲時間的延長,基質勢梯度變小并接近某一穩(wěn)定的值，濕潤鋒向前推移的速率變小并趨于穩(wěn)定。從圖1可見，在相同時間內(nèi)，不同容重紅壤在入滲過程中濕潤鋒的運移距離差異顯著，隨著容重的增大，濕潤鋒依次顯著降低。555 min時，5個容重水平下的濕潤鋒運移距離依次為41.87、34.57、26.77、23.10、21.83 cm。達到穩(wěn)定入滲時，紅壤容重越大，濕潤鋒運移距離越小。

圖1　不同容重下紅壤濕潤鋒距離隨時間的變化情況Fig.1　The variation law of wetting front distance with time in different bulk density red soil

通過對試驗數(shù)據(jù)進行分析，在水平一維入滲過程中，濕潤鋒運移的距離可用下式表示：

Xt=Kt0.5

(1)

式中,Xt為t時刻濕潤鋒的運移距離，K為系數(shù)項。采用最小二乘估計擬合模型參數(shù)，5種容重水平紅壤的溶液入滲擬合模型見表1。由表1可知，各模型的R2均大于0.990 0，模型的回歸精度很高。模型說明濕潤鋒前進距離與時間的平方根呈顯著的線性正相關關系；K值隨著土壤容重的增大而減小，說明隨著紅壤容重的增大,密實度增大,大孔隙減少,水分通道變小,水分的運移速度變慢，濕潤鋒前進越慢。

表1濕潤鋒運移距離與時間的關系模型

Table 1The relationship model between wetting front transport distance and time

容重Bulkdensity∥g/cm3模型ModelKR21.20Xf=1.7422t0.51.74220.99381.25Xf=1.4510t0.51.45100.99391.30Xf=1.1355t0.51.15500.99941.35Xf=0.9967t0.50.99670.99601.40Xf=0.8637t0.50.86370.9922

為進一步分析紅壤容重與濕潤鋒的運移系數(shù)(K)的關系，對容重與K進行回歸分析，結果如式(2)?；貧w模型的R2=0.994 2，說明模型的回歸精度很高。

K=4.016ρ-4.623

(2)

將式(2)代入式(1)，得到紅壤容重與濕潤鋒運移距離的關系模型：

Xt=4.016ρ-4.623t0.5

(3)

2.2不同容重對一維水平入滲條件下土壤累積入滲量的影響從圖2可見，累積入滲量隨容重的增大而減少。從圖3可見，相同時間內(nèi)，隨著土壤容重的增大,土壤累積入滲量減少。

圖2　不同容重下紅壤累積入滲量隨時間的變化情況Fig.2　The variation of cumulative infiltration volume with time in different bulk density red soil

圖3　同一時刻不同容重下紅壤累積入滲量的變化情況Fig.3　The variation of cumulative infiltration volume in different bulk density red soil at the same time

2.3不同容重對一維水平入滲條件下土壤入滲率的影響從圖4可見，隨著紅壤容重的增大，入滲率逐漸減少。在試驗前200 min，入滲率保持較高水平，入滲率變化較大，不同容重入滲率的斜率差別較大，說明在入滲前期，容重對入滲率的影響較大；200 min后，入滲率趨于穩(wěn)定，不同容重入滲率的斜率變化較小，說明在入滲后期，容重對入滲率的影響變化較小。

圖4　不同容重下紅壤入滲率隨時間的變化情況Fig.4　The variation of infiltration rate with time in different bulk density red soil

從圖5可見，不同容重紅壤入滲率與時間平方根的倒數(shù)呈顯著的線性關系，這與Philip入滲模型相符合。

Philip入滲模型具有明確的物理意義，在入滲試驗中得到很好的驗證，應用很廣泛[11-12]。水平一維入滲的Philip模型如下[13]：

土壤累積入滲量(I)表示為：

I=St0.5

(4)

對累積入滲量求導，就可以得到入滲率(i)：

(5)

式中,S為吸濕率，t為入滲時間。

利用回歸分析，對Philip模型的參數(shù)進行擬合，結果見表2。

圖5　不同容重下紅壤入滲率與時間平方根的倒數(shù)關系Fig.5　The relationship between the infiltration rate and the reciprocal of the square root of time in different bulk density red soil

Table 2The Philip infiltration model in the different bulk density red soil

容重Bulkdensity∥g/cm3模型ModelSR21.20i=5.2976t-0.510.59520.95181.25i=3.8240t-0.57.64800.95341.30i=3.2731t-0.56.54620.95811.35i=3.1331t-0.56.26620.99671.40i=2.8963t-0.55.79260.9924

從各個容重的水平一維入滲Philip模型回歸精度來看，R2均大于0.950 0，模型的回歸精度較高。為了進一步分析紅壤容重與入滲的關系，將容重與吸濕系數(shù)(S)進行回歸分析，結果如式(6)?；貧w模型的R2=0.972 0，回歸精度較高。

S=164.85ρ2-450.53ρ+313.67

(6)

將式(6)代入式(5)，可得以容重、時間為自變量，改進的紅壤土一維水平入滲的Philip模型：

i=(82.43ρ2-225.27ρ+156.84)t-0.5

(7)

2.4不同容重對一維水平入滲條件下土壤含水率的影響從圖6可見，不同容重紅壤的水平一維入滲各土層含水量分布趨勢相同，除濕潤鋒附近含水量有明顯陡降外，其余土層含水量隨入滲方向緩慢減小但變化不大；在相同入滲距離，容重越大，土層含水量越小。這是由于容重反映了土壤的緊密程度，其變化能夠影響土壤的大孔隙含量，大孔隙量隨容重的增大而減小，從而影響土壤水分的運移。

圖6　不同紅壤容重下各土層含水量分布Fig.6　The moisture distribution in each layer of different bulk density red soil

3結論

(1)入滲率、累積入滲量以及濕潤鋒均隨紅壤容重的增大而減小，表明紅壤容重的變化改變了土壤的孔隙度，從而改變土壤的導水能力。

(2)經(jīng)試驗和數(shù)據(jù)分析，建立了紅壤土一維水平入滲條件下，容重與濕潤鋒關系的模型；改進了一維水平入滲條件下的Philip模型，使模型能夠直接反映容重與入滲率、入滲量之間的關系。

(3)在濕潤鋒之上,相同容重的土壤含水量差別不大，在相同的入滲距離,土壤容重越大，含水量越小。

參考文獻

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Study on the Effect of Bulk Density on One-dimensional Horizontal Infiltration and Water Transport Properties in Red Soil

HE Wei-hua1, LIANG Xin-xin2, LU Fei2

(1. Xiangtan Water Resources and Hydro-power Design Institute, Xiangtan, Hunan 411400; 2. Nanchang Institute of Technology, Nanchang, Jiangxi 330099)

Abstract[Objective] The aim was to study the effects of soil bulk density on moisture infiltration under the condition of one-dimensional horizontal infiltration. [Method] With different bulk density red soil as the research object, indoor horizontal infiltration experiment was conducted. [Result] The experimental results showed that during the same time, the higher the density, the slower the moisture migration speed, the smaller wetting front transport distance and the cumulative infiltration amount; On the wetting front, the soil’s moisture of same density aren’t very different, but in the same infiltration distance, the greater the soil bulk density, the smaller the moisture content. [Conclusion] The relationship model between bulk density and wetting front under the condition of red soil one-dimensional horizontal infiltration is established, the Philip model under one-dimensional horizontal infiltration condition is improved.

Key wordsRed soil; Horizontal infiltration; Bulk density

基金項目江西省科技成果重點轉移轉化項目 (20142BBI0020);國家自然科學基金項目(51269020)。

作者簡介賀衛(wèi)華(1973- )，男，湖南湘潭人，工程師，從事農(nóng)業(yè)水利工程、水資源管理研究。

收稿日期2016-03-21

中圖分類號S 152.5

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)12-165-03