沼液穴灌入滲特征及Philip入滲模型擬合

鄭 健,張彥寧,王 燕,張恩繼

(1.蘭州理工大學(xué)西部能源與環(huán)境研究中心，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050；3.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

我國在“十二五”規(guī)劃期間，戶用沼氣和規(guī)?；託夤こ贪l(fā)展迅速，利用生物質(zhì)能已經(jīng)是我國村鎮(zhèn)能源建設(shè)的主要方向之一。截止2015年底，我國已有5000多萬口戶用沼氣池[1]。但沼氣的生產(chǎn)伴隨著沼液的產(chǎn)生，大量沼液的隨意排放，必然會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。中國農(nóng)業(yè)部于2015年印發(fā)的《到2020年化肥使用量零增長行動(dòng)方案》[2]中提倡采用有機(jī)肥替代化肥，而沼液是一種含有水溶性及多種養(yǎng)分的速效有機(jī)肥，更易于植物吸收利用[3]。國內(nèi)外相關(guān)研究也多集中于沼液灌溉對(duì)作物產(chǎn)量[4-6]及品質(zhì)[7-9]、地下水水質(zhì)[10]、土壤中重金屬累積[11-12]以及土壤肥力[13-15]的提高等方面，而對(duì)于沼液土壤入滲機(jī)理的基礎(chǔ)性研究鮮見報(bào)道。課題組在調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)農(nóng)民灌溉施用的沼液粘性較純水高且含有一定量的有機(jī)懸浮顆粒，而研究表明沼液中的有機(jī)懸浮顆粒有利于土壤環(huán)境改善[16-17]，但從土壤入滲角度分析液體的粘性[18]和顆粒含量均會(huì)對(duì)土壤入滲特性產(chǎn)生不可忽略的影響[19-21]。因此，為使沼液在農(nóng)田中更科學(xué)、合理的應(yīng)用，有必要針對(duì)沼液特點(diǎn)開展入滲特征研究。

沼液穴灌技術(shù)是農(nóng)民在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中總結(jié)的一種節(jié)水、節(jié)肥技術(shù)，具有簡(jiǎn)單、低成本、易操作的特點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)成為農(nóng)村沼液應(yīng)用的最主要方式之一。但目前該技術(shù)的實(shí)施主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其相關(guān)的試驗(yàn)研究和理論分析還少見報(bào)道?；诖耍疚囊哉右貉ü嗉夹g(shù)為基礎(chǔ)，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究分析沼液配比、穴孔直徑和土壤容重對(duì)土壤入滲特征的影響，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析影響沼液穴灌入滲的因素和濕潤體變化規(guī)律，同時(shí)應(yīng)用具有明確物理意義的Philip入滲模型對(duì)沼液穴灌累積入滲量進(jìn)行擬合分析。以期為獲得合理的沼液穴灌技術(shù)參數(shù)提供理論支撐，解決水/沼液一體穴灌技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問題。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及裝置

試驗(yàn)土壤取自甘肅省蘭州市周邊正常使用的溫室大棚表層0～40 cm的土壤，經(jīng)過自然風(fēng)干、粉碎后，過2 mm孔徑的土壤篩備用，土壤顆粒級(jí)配見表1，按照中國土壤分類標(biāo)準(zhǔn)其土壤類型為粉質(zhì)壤土，田間持水量為22.23%(質(zhì)量含水率)。沼液取自正常使用的戶用沼氣池，原料以牛糞和麥秸為主，發(fā)酵物總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(TS)為8%，經(jīng)曝氣靜置2個(gè)月，待其理化性質(zhì)穩(wěn)定后，用紗布過濾掉沼液中較大的顆粒備用。試驗(yàn)裝置主要由土箱和馬氏瓶組成，如圖1所示。土箱為30°扇形有機(jī)玻璃裝置，高和寬分別為50 cm和40 cm，馬氏瓶用來提供恒定水頭，容量520 mL。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置土壤容重、沼液濃度和穴孔直徑3個(gè)控制因素。土壤容重為1.35 g·cm-3和1.45 g·cm-3，依據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置4個(gè)沼液與水的配比(沼液∶水，體積比)，分別為1∶4、1∶6、1∶8和純水(CK)，3個(gè)穴孔直徑，分別為3、5 cm和7 cm，設(shè)定孔深為5 cm。每組試驗(yàn)設(shè)置兩組重復(fù)，共計(jì)72組試驗(yàn)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 沼液理化性質(zhì) 試驗(yàn)開始前測(cè)定不同配比的理化性質(zhì)，采用電導(dǎo)率儀(雷磁DDS-11A)測(cè)定不同濃度沼液的電導(dǎo)率值；利用烘干稱量法測(cè)量不同濃度沼液中的干物質(zhì)質(zhì)量；利用奧氏粘度計(jì)測(cè)定不同濃度沼液的相對(duì)粘度；全氮含量采用凱式定氮法測(cè)定；硝態(tài)氮含量采用紫外分光光度計(jì)測(cè)定[22]；銨態(tài)氮采用納氏試劑比色法測(cè)定[22]。測(cè)定結(jié)果見表2。

1.馬氏瓶;2. 進(jìn)水管;3.排氣管;4.穴孔; 5.土槽;6.濕潤峰;7.取樣點(diǎn);8.土體1. martensitic bottle;2. inlet pipe;3. exhaust pipe;4. soil hole; 5. soil bin;6. wetting front;7. sampling point;8. soil圖1 試驗(yàn)裝置及取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test equipment and sampling

1.3.2 穴灌試驗(yàn) 試驗(yàn)土體采用分層填裝(每層5 cm)，依據(jù)土壤容重計(jì)算每層裝土質(zhì)量，用電子秤(感量為0.01 g)稱量；按設(shè)定沼液與水的配比裝入馬氏瓶，用乳膠軟管將馬氏瓶出水孔與試驗(yàn)土槽連接。為方便在試驗(yàn)中記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際穴灌濕潤體的形狀，在土槽邊壁繪制間距5 cm的網(wǎng)格線。然后，同時(shí)打開馬氏瓶出水孔和排氣孔閥門，當(dāng)沼液進(jìn)入穴孔時(shí)開始計(jì)時(shí)，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，當(dāng)濕潤峰運(yùn)移到與水平或者垂向的網(wǎng)格線相切時(shí)(網(wǎng)格密度5 cm×5 cm)，記錄一次入滲時(shí)間和累積入滲量，并用記號(hào)筆在土槽邊壁上繪制濕潤鋒運(yùn)移曲線。當(dāng)入滲量達(dá)到520 ml(馬氏瓶最大容量)或者入滲時(shí)間達(dá)到10 h以上時(shí)，關(guān)閉馬氏瓶的進(jìn)水孔和排氣孔閥門，待穴孔內(nèi)沼液入滲完，試驗(yàn)結(jié)束，立即取土樣測(cè)定土壤質(zhì)量含水率。

表1 土壤顆粒級(jí)配

表2 不同配比沼液理化性質(zhì)

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液穴灌土壤入滲規(guī)律

2.1.1 累積入滲量變化規(guī)律 由圖2可以看出，不同試驗(yàn)處理的累積入滲量在初始階段增加較快，隨著入滲歷時(shí)的延長，累積入滲量增加幅度逐漸降低，其中CK處理累積入滲量增加幅度明顯大于沼液處理。相同土壤容重及沼液配比條件下累積入滲量隨著穴孔直徑的增加而增大。在相同土壤容重及穴孔直徑條件下累積入滲量隨著沼液配比的降低而增大。當(dāng)入滲歷時(shí)180 min時(shí)，容重為1.45 g·cm-3的CK處理累積入滲量分別是沼液配比為1∶4、1∶6、1∶8處理的3.47、2.64、2.16倍；容重為1.35 g·cm-3的CK處理累積入滲量分別是濃度為1∶4、1∶6、1∶8處理的3.62、3.12、2.77倍。

初步分析產(chǎn)生的原因?yàn)椋?1)在入滲初始階段，表層土壤干燥，含水率較低，土壤基質(zhì)勢(shì)較大，基質(zhì)吸附力起主要作用，另一方面，由于表層土壤存在相互連通的大孔隙和傳導(dǎo)孔隙[23]，水分入滲的氣相阻力較低，其毛管作用也較為明顯，故初始累積入滲量增加較快，隨著入滲試驗(yàn)的進(jìn)行，土壤的含水率逐漸增加，土壤表層水分飽和層也逐漸加厚，土壤基質(zhì)的吸力梯度逐漸減弱，加上通氣孔隙的減少，氣相阻力逐漸增大，毛管作用隨之降低，入滲速率也逐漸降低，當(dāng)入滲進(jìn)行到一定時(shí)間后，土壤基質(zhì)的吸力梯度和毛管作用趨于零，在重力作用下，入滲速率會(huì)維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的水平上[24-25]。(2)穴灌過程中，累積入滲量受到土壤基質(zhì)勢(shì)作用影響，同時(shí)重力勢(shì)的影響也不可忽略。隨著穴孔直徑的增加，重力勢(shì)的作用越顯著，在入滲過程中，土壤基質(zhì)勢(shì)作用逐漸降低，重力勢(shì)起主導(dǎo)作用，致使累積入滲量隨著穴孔直徑的增加呈遞增趨勢(shì)。(3)沼液入滲過程中，沼液中的有機(jī)懸浮顆粒在土壤的表層沉積，形成沉積層，與CK處理相比，該沉積層改變了穴灌入滲的邊界條件，起到了阻滲作用，并且隨著沼液中有機(jī)懸浮顆粒含量的增加阻滲作用越明顯。同時(shí)，由于液體在土體中的流動(dòng)速度慢，土壤孔隙小(當(dāng)土壤容重為1.35 g·cm-3時(shí)，當(dāng)量孔徑0.03 mm以上占10.26%、0.03～0.0038 mm占16.50%、0.0038～0.0004 mm占7.7%，而0.0004 mm以下占64.54%[26])，液體在土壤中的流態(tài)為層流，而層流狀態(tài)下液體的粘性會(huì)增加液體運(yùn)動(dòng)的阻力[18]。

注：a.土壤容重1.35 g·cm-3, 孔徑3 cm;b. 土壤容重1.35 g·cm-3, 孔徑5 cm;c. 土壤容重1.35 g·cm-3, 孔徑7 cm;d. 土壤容重1.45 g·cm-3, 孔徑3 cm;e. 土壤容重1.45 g·cm-3, 孔徑5 cm;f. 土壤容重1.45 g·cm-3, 孔徑7 cm。Note: a. soil bulk density 1.35 g·cm-3, hole diameter 3 cm; b. soil bulk density 1.35 g·cm-3, hole diameter 5 cm; c. soil bulk density 1.35 g·cm-3, hole diameter 7 cm; d. soil bulk density 1.45 g·cm-3, hole diameter 3 cm; e. soil bulk density 1.45 g·cm-3, hole diameter 5 cm; f. soil bulk density 1.45 g·cm-3, hole diameter 7 cm.圖2 不同處理對(duì)沼液累積入滲量的影響Fig.2 The influence of different treatment on the cumulative infiltration volume of biogas slurry

2.1.2 累積入滲量影響因素分析 為進(jìn)一步闡明不同土壤容重、穴孔直徑和沼液配比與累積入滲量之間的關(guān)系，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立了累積入滲量(It)與土壤容重(x1)、穴孔直徑(x2)和沼液配比(x3)間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并?duì)其偏回歸系數(shù)值進(jìn)行了檢驗(yàn)?；貧w分析及方程檢驗(yàn)結(jié)果如式(1)所示。

(1)

式中,It為累積入滲量,x1為土壤容重,x2為穴孔直徑，x3為沼液配比，*為P=0.05水平上差異顯著，**為P=0.01水平上差異顯著。

由式1可以看出，累積入滲量與土壤容重、穴孔直徑和沼液配比回歸方程的決定系數(shù)(R2)值達(dá)到了0.91，各影響因子t檢驗(yàn)分別為0.40、2.94、-13.86，均到達(dá)了顯著和極顯著水平，P檢驗(yàn)均小于0.05。表明該回歸方程擬合度較高，適應(yīng)性較好?；貧w方程中累積入滲量與土壤容重、穴孔直徑和沼液配比的偏回歸系數(shù)檢驗(yàn)均達(dá)到顯著或極顯著水平，即土壤容重、穴孔直徑和沼液配比的變化均會(huì)對(duì)累積入滲量產(chǎn)生影響。

從回歸方程各因素的擬合系數(shù)分析，穴孔直徑與累積入滲量呈正相關(guān)，土壤容重、沼液配比與累積入滲量呈負(fù)相關(guān)，即隨穴孔直徑增加累積入滲量呈逐漸增大趨勢(shì)，而隨土壤容重、沼液配比的增加累積入滲量呈逐漸減小趨勢(shì)。從系數(shù)值的大小來看，試驗(yàn)中沼液穴灌受沼液配比的影響最大，土壤容重次之，穴孔直徑最小。因此，沼液穴灌過程中，要充分考慮土壤容重、穴孔直徑和沼液配比耦合作用對(duì)累積入滲量的影響。

2.2 沼液穴灌濕潤體形狀變化規(guī)律

以穴孔底部的水平直線為水平軸，穴孔側(cè)壁與土壤接觸面為垂直軸建立坐標(biāo)系，量取實(shí)測(cè)不同處理的水平最大濕潤距離(H)和垂向最大濕潤距離(V)，并建立函數(shù)關(guān)系，分析濕潤體變化規(guī)律，結(jié)果如表3所示。由表可知：穴孔直徑為3 cm時(shí)水平最大濕潤距離大于垂向最大濕潤距離，穴孔直徑為5 cm和7 cm時(shí)水平最大濕潤距離小于垂向最大濕潤距離，且差異隨穴孔直徑的增加而增大，表明隨穴孔直徑的增加，濕潤體形狀會(huì)逐漸由水平軸大于垂直軸的橢球體趨向于水平軸小于垂直軸的橢球體；土壤容重為1.45 g·cm-3各處理的濕潤體水平最大濕潤距離與垂向最大濕潤距離差異明顯小于土壤容重為1.35 g·cm-3的各處理，結(jié)果表明相同處理?xiàng)l件下土壤容重的增加會(huì)使?jié)駶欝w趨向于球體。

形成上述規(guī)律的主要原因?yàn)椋?1)入滲初期基質(zhì)勢(shì)作用是濕潤鋒運(yùn)移的主要驅(qū)動(dòng)力，穴孔直徑為3 cm時(shí)，沼液與穴孔邊壁的接觸面積大于其底面積，因而受到基質(zhì)勢(shì)的影響作用比穴孔直徑為5 cm和7 cm時(shí)更大，使得水平濕潤距離大于垂向濕潤距離。隨穴孔直徑的增加，重力勢(shì)作用逐漸大于基質(zhì)勢(shì)，使?jié)駶欎h在水平方向上的運(yùn)移速率逐漸小于垂直方向上的運(yùn)移速率；(2)同一質(zhì)地土壤大孔隙比例均隨土壤容重增大而遞減[27]，而土壤中大孔隙比例的降低減弱了壓力勢(shì)對(duì)土壤垂向入滲的影響。

2.3 沼液穴灌濕潤鋒運(yùn)移擬合分析

穴灌入滲中水平最大濕潤距離(H)與垂向最大濕潤距離(V)呈線性關(guān)系(見表3)，為進(jìn)一步分析穴灌條件下濕潤鋒運(yùn)移與時(shí)間的關(guān)系，將水平最大濕潤距離(H)隨時(shí)間的變化曲線采用y=mxn進(jìn)行擬合，結(jié)果如表4所示。擬合結(jié)果中各處理擬合指數(shù)(n)均小于1，說明當(dāng)入滲時(shí)間趨于無窮大時(shí)，單位時(shí)間濕潤距離的增加速率逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定。擬合方程決定系數(shù)(R2)均在0.97以上，說明穴灌入滲時(shí)濕潤鋒的最大濕潤距離與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系可以用冪函數(shù)進(jìn)行描述。

2.4 沼液穴灌Philip入滲模型擬合分析

Philip入滲模型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)少、物理意義明確的特點(diǎn)，便于建立其特征參數(shù)與土壤物理特征間關(guān)系，并在田間入滲試驗(yàn)資料中得到了很好的驗(yàn)證[28]。因此，本文采用Philip入滲模型對(duì)沼液穴灌累積入滲量進(jìn)行擬合分析。

Philip入滲模型是根據(jù)垂直入滲的級(jí)數(shù)解獲得的，其累積入滲量可表示為[29]：

I(t)=St0.5+At

式中,I(t)為累積入滲量(mL)，t為入滲時(shí)間(min)，S為土壤吸滲率(mL·min-0.5)，A為土壤穩(wěn)定入滲率(mL·min-1)。

分析Philip入滲模型擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)(見表5)：(1)Philip入滲模型中土壤穩(wěn)定入滲率(A)在沼液處理中的值均為負(fù)值，CK處理中均為正值，且隨著穴孔直徑的增加而增大。(2)Philip入滲模型能夠準(zhǔn)確描述沼液穴灌累積入滲量隨時(shí)間的變化規(guī)律，決定系數(shù)R2均在0.98以上。(3)土壤容重及沼液配比一定時(shí)，土壤吸滲率(S)隨穴孔直徑的增大而增加；土壤容重及穴孔直徑一定時(shí)，土壤吸滲率(S)隨沼液配比的降低而增加，即1∶4<1∶6<1∶81.45 g·cm-3。

Philip入滲模型表明，在入滲初期，土壤吸滲率(S)起主要作用，隨著入滲時(shí)間的增長，土壤穩(wěn)定入滲率(A)則成為影響入滲的主要因素[29]，且通常為正值。管瑤等[30]在土壤點(diǎn)源入滲自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)滴頭下土壤濕潤過程研究中采用Philip入滲模型進(jìn)行擬合分析時(shí)出現(xiàn)土壤穩(wěn)定入滲率(A)為負(fù)值的結(jié)果，作者分析這可能與Philip模型的衰減系數(shù)固定為-0.5相關(guān)，-0.5的衰減系數(shù)限制了Philip入滲模型只能適用于某些特定土壤。但范嚴(yán)偉等[28]采用Philip入滲模型對(duì)中壤土、沙壤土、壤土和沙土進(jìn)行擬合分析的結(jié)果表明土壤累積入滲量變化過程符合Philip模型，且土壤穩(wěn)定入滲率(A)為正值。國內(nèi)外學(xué)者王全九[31]、史曉楠[32]和Alagna V.[33]等對(duì)Philip入滲模型的研究也表明Philip入滲模型對(duì)不同土壤均具有較好的適應(yīng)性。同時(shí)，本文采用Philip入滲模型進(jìn)行擬合分析時(shí)，沼液處理土壤穩(wěn)定入滲率(A)為負(fù)值，而CK(純水)處理為正值。因此，本文認(rèn)為沼液穴灌中土壤穩(wěn)定入滲率(A)為負(fù)值，與沼液的粘性及所含有的有機(jī)懸浮顆粒有關(guān)。土壤吸滲率(S)隨穴孔直徑、沼液配比和土壤容重變化規(guī)律產(chǎn)生的原因，與累積入滲量變化規(guī)律形成原因相同。

表4 水平最大濕潤距離與時(shí)間擬合參數(shù)

表5 Philip入滲模型擬合參數(shù)

Table 5 Fitting parameters of Philip infiltration model

土壤容重/(g·cm-3)Soil bulk density沼液配比Ratio of biogas slurry孔徑/cmAperture SAR21.351∶41∶61∶8CK36.1186-0.11400.9875512.3800-0.22250.9819715.1884-0.22130.995438.1776-0.05220.9954515.1897-0.24850.9942716.9528-0.23760.9964313.0832-0.15380.9986517.2512-0.19750.9963722.8406-0.49460.9881316.51501.18810.9994524.06351.29660.9990726.79041.35560.99801.451∶41∶61∶8CK39.7628-0.14510.9927510.4763-0.13910.9891714.3129-0.26980.985239.5383-0.04260.9950513.1333-0.15950.9882716.3985-0.31530.9935311.6212-0.12570.9937515.6369-0.17690.9942719.6169-0.19690.9924315.37060.93320.9977518.67201.18910.9952720.44501.27460.9966

3 結(jié) 論

1)沼液穴灌累積入滲量隨著沼液配比和土壤容重的增大而降低，隨著穴孔直徑的增加而增大；CK處理累積入滲量增加幅度明顯大于各沼液配比處理；應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立的累積入滲量與土壤容重、穴孔直徑和沼液配比的回歸方程，決定系數(shù)R2值達(dá)到0.91，擬合良好。表明在沼液穴灌實(shí)施中要充分考慮土壤容重、穴孔直徑和沼液配比耦合作用對(duì)累積入滲量的影響。

2)隨穴孔直徑的增加，沼液穴灌形成的濕潤體形狀會(huì)逐漸由水平軸大于垂直軸的橢球體趨向于水平軸小于垂直軸的橢球體；相同沼液配比和穴孔直徑條件下土壤容重的增加會(huì)使?jié)駶欝w趨向于球體；沼液穴灌濕潤鋒最大濕潤距離與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系可以用冪函數(shù)進(jìn)行描述。

3)Philip入滲模型能夠準(zhǔn)確描述沼液穴灌累積入滲量隨時(shí)間的變化規(guī)律，決定系數(shù)R2均在0.98以上；土壤吸滲率(S)隨穴孔直徑的增大而增加，隨沼液配比和土壤容重的增加而降低；土壤穩(wěn)定入滲率(A)為負(fù)值，與沼液的粘性及所含有的有機(jī)懸浮顆粒有關(guān)。

4)綜合考慮土壤容重、穴孔直徑和沼液配比對(duì)累積入滲量和濕潤體變化的影響，建議的實(shí)施方案為：1.35 g·cm-3、5 cm、1∶6和1.45 g·cm-3、7 cm、1∶8。