渾水灌溉下泥沙級配對土壤水入滲影響的試驗研究

卞艷麗，曹惠提，張會敏，黃福貴，宋長吉

(黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003)

渾水灌溉是我國黃河流域引黃灌區(qū)灌溉的主要特點，由于灌溉水源均存在大小不等的含沙量，渾水入滲過程與清水相比有較大差異。目前，國內(nèi)對渾水在土壤中入滲規(guī)律的研究取得了一些成果。王文焰、費良軍、白丹、楊素宜、孫存喜等在大田利用雙套環(huán)或在試驗室利用土柱開展渾水入滲試驗，試驗控制面積均小于0.3 m2，控制土層深度0.2 m，初始土壤含水量空間分布均勻，入滲試驗歷時在100 min以內(nèi)[1-10]，研究了含沙量、泥沙顆粒級配對渾水入滲規(guī)律的影響，得到考慮含沙量或泥沙顆粒級配影響下的渾水入滲公式。本文中灌溉條件下不同泥沙級配渾水入滲試驗控制范圍3.3 m×2.0 m，控制土層深度1.8 m，入滲試驗歷時達(dá)到300 min以上，相比較而言，本試驗在時間和空間上均進(jìn)行了展延，通過放大試驗尺度來分析灌溉條件下不同粒徑泥沙及其含量對入滲規(guī)律的影響，為研究含沙量和泥沙級配共同作用下土壤水入滲及變化規(guī)律提供了量化的工具和分析手段。本研究不僅對高含沙渾水灌區(qū)節(jié)水改造和灌水定額的研究提供了理論依據(jù)，也為提高引渾淤灌、渾水灌溉的灌水質(zhì)量提供了技術(shù)支撐。

1 試驗條件與方案

1.1 試驗條件

試驗地點位于河南省新鄉(xiāng)市黃河水利科學(xué)研究院節(jié)水試驗基地(北緯35°18′，東經(jīng)113°53′)。灌溉條件下不同泥沙級配渾水入滲試驗在測坑中開展，共由24個標(biāo)準(zhǔn)測坑組成，單個測坑長3.3 m，寬2.0 m，深2.1 m。測坑回填土屬于砂質(zhì)壤土，土壤容重1.4～1.5 g/cm3。土壤中粒徑小于0.001 mm的顆粒體積占總體積的4.04%，小于0.01 mm的占23.74%，小于0.05 mm的占62.79%，小于1.0 mm的占97.89%，平均中值粒徑d50為0.034 mm。試驗前土壤初始體積含水量淺層(≤20 cm)在20%左右，深層(≥60 cm)在29%左右。

1.2 試驗方案

灌溉條件下不同泥沙級配渾水入滲試驗的背景值均相同，灌水深度按3 cm控制(整個入滲過程保持該水頭)；控制累積入滲總水量為0.8 m3；控制地下水位在1.5 m。

試驗設(shè)計了2種含沙量4種泥沙級配的組合方案，含沙量設(shè)計5%和10%兩種，泥沙級配以d50為區(qū)分標(biāo)志，分別為d150= 0.061 mm、d250=0.048 mm、d350=0.042 mm、d450=0.016 mm，泥沙顆粒級配見表1。清水對照2組，按照不同泥沙級配和含沙量組合以及清水對照，共開展10組入滲試驗。由于試驗控制誤差太大，5%含沙量、d250=0.048 mm和10%含沙量、d450=0.016 mm渾水入滲試驗數(shù)據(jù)不可用。

表1 不同泥沙級配渾水中小于某一粒徑泥沙顆粒體積的百分含量Tab.1 Volume percentages of sediment smaller than a particle size in muddy water with different sediment gradations

2 結(jié)果與分析

2.1 不同泥沙級配渾水入滲特性

2.1.1 不同泥沙級配渾水累積入滲量分析

清水及10%、5%含沙量條件下不同泥沙級配渾水累積入滲量變化過程見圖1，可以看出，渾水累積入滲量隨時間的變化過程和清水一致；相同入滲歷時，清水的累積入滲量最大，同一含沙量條件下，渾水的泥沙粒徑越細(xì)，同時刻的累積入滲量越小，累積入滲曲線越平緩，與清水累積入滲曲線分離的越早并且差值越大。以60 min入滲歷時為例，清水的累積入滲量為3.52 cm，10%含沙量條件下d50=0.061、0.048、0.042 mm的渾水累積入滲量分別為2.95、2.40、1.97 cm，分別比清水少16.19%、31.82%、44.03%；5%含沙量條件下d50=0.061、0.042、0.016 mm的渾水累積入滲量分別為2.89、2.41、2.14 cm，分別比清水少17.90%、31.53%、39.20%。見表2和表3。

圖1 清水及不同泥沙級配渾水累積入滲量過程線Fig.1 Hydrographs for the accumulative infiltration capacity of muddy water with different sediment gradations and that of clean water

表2 清水及10%含沙量不同泥沙級配渾水在不同入滲歷時累積入滲量Tab.2 Accumulative infiltration capacity of clean water and muddy water with different sediment gradations of 10% sediment concentration for different infiltration durations

表3 清水及5%含沙量不同泥沙級配渾水在不同入滲歷時的累積入滲量Tab.3 Accumulative infiltration capacity of clean water and muddy water with different sediment gradations of 5% sediment concentration for different infiltration durations

分析累積入滲量與入滲歷時的相關(guān)關(guān)系，得到清水及5%和10%含沙量不同泥沙級配渾水累積入滲量與入滲歷時的擬合關(guān)系曲線見圖2，累積入滲量和入滲歷時呈冪函數(shù)的曲線關(guān)系，擬合效果很好，決定系數(shù)均達(dá)到0.99以上，關(guān)系式為：

I=atb

(1)

式中：I為累積入滲量，cm；t為入滲歷時，min；a、b為入滲特性參數(shù)。

參數(shù)a的含義是第1 min 末的累積入滲量。在一定的條件下(即土壤質(zhì)地、前期含水量、含沙量一定)，它是反映土壤入滲能力大小的重要參數(shù)之一[1]，擬合參數(shù)值見表4。

圖2 清水及不同泥沙級配渾水累積入滲量與入滲歷時相關(guān)關(guān)系曲線Fig.2 Curves for relationship between accumulative infiltration capacity and infiltration duration of clean water and muddy water with different sediment gradations

表4 清水及不同泥沙級配渾水累積入滲量公式中相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計表Tab.4 Relevant parameters in equation for accumulative infiltration capacity of clean water and muddy water with different sediment gradations

2.1.2 不同泥沙級配渾水入滲率分析

對比清水及同一含沙量不同泥沙級配渾水平均入滲率過程線，見圖3?？梢钥闯觯瑴喫骄霛B率過程與清水一致，清水的入滲率最大，相同含沙量條件下，粗泥沙渾水的平均入滲率始終大于細(xì)泥沙渾水，且泥沙越細(xì)，與同時刻清水平均入滲率的差別越大。入滲歷時為50 min時，10%含沙量條件下d50=0.061、0.048、0.042 mm的渾水平均入滲率分別為0.052、0.043、0.035 cm/min，分別比清水(0.063 cm/min)小17.46%、31.75%、44.44%；5%含沙量條件下d50=0.061、0.042、0.016 mm的渾水平均入滲率分別為0.052、0.043、0.039 cm/min，分別比清水小17.46%、31.75%、38.1%。同一含沙量條件下，泥沙越細(xì)，渾水的入滲率減小越快。見表5和表6。

圖3 不同泥沙級配渾水平均入滲率隨時間變化過程Fig.3 Changes in average infiltration rates of muddy water with different sediment

表5 清水及不同泥沙級配渾水在不同入滲歷時的平均入滲率Tab.5 Average infiltration rates of clean water and muddy water with different sediment gradations for different infiltration durations

表6 不同泥沙級配渾水在不同入滲歷時較清水平均入滲率的減幅Tab.6 Reductions in average infiltration rates of muddy water with different sediment gradations in comparison with that of clean water for different infiltration durations

利用通用公式和Kostiakov公式擬合入滲率和入滲歷時的關(guān)系，見圖4和圖5，渾水入滲率和入滲歷時關(guān)系很好，決定系數(shù)均達(dá)到0.90以上：

通用公式：i(t)=a+bt-n

(2)

Kostiakov公式：i(t)=at-n

(3)

式中：i(t)為土壤入滲率，cm/min；t為入滲歷時，min；a、b、n均為入滲特性參數(shù)，擬合參數(shù)值見表7。

2.2 泥沙級配對渾水入滲特性的影響

假設(shè)不同泥沙級配渾水的入滲特性主要是由渾水中某一粒徑范圍的泥沙含量所決定，即不同泥沙級配渾水的入滲規(guī)律與渾水中某一粒徑范圍泥沙的含量密切相關(guān)。大量文獻(xiàn)資料表明，在一定土壤含水量條件下，土壤的可塑性、膨脹性、吸濕性、滲透性及最大分子持水量等，通常是以0.01 mm的粒徑為明顯分界線[11,12]。本研究為摸清不同粒徑泥沙含量對入滲特性的影響，嘗試使用粒徑小于0.001、0.01、0.025、0.03 mm等泥沙體積含量，分析其對累積入滲量、入滲率及其計算公式的影響。提出泥沙影響值的概念，使其具有物理含義，定義為：

圖4 10%含沙量條件下渾水(清水)入滲率與入滲歷時相關(guān)關(guān)系圖Fig.4 Correlation between infiltration rate and infiltration duration of muddy water with a 10% sediment concentration and clean water

圖5 5%含沙量條件下渾水入滲率與入滲歷時的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation between infiltration rate and infiltration duration of muddy water with a 5% sediment concentration

M=WSvd/10 000

(4)

式中；M為泥沙影響值，m3；W為灌水量或入滲水量，m3；Sv為渾水體積含沙量，%；d為渾水中小于某一粒徑(分析采用0.001、0.01、0.025 mm)的泥沙體積含量，%。

表7 清水及不同泥沙級配渾水入滲公式中相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計表Tab.7 Relevant parameters in infiltration equations for clean water and muddy water with different sediment gradations

泥沙影響值為渾水中小于某一粒徑范圍的泥沙體積含量，清水的M=0。泥沙影響值在入滲水量相同的前提下不僅考慮了渾水中泥沙的粒徑組成，也考慮了渾水的含沙量。由于試驗控制總?cè)霛B水量均相同，取W=1 m3，根據(jù)公式(4)分別計算不同泥沙級配渾水粒徑小于0.001、0.01、0.025 mm的泥沙影響值，見表8，可以看出，相同含沙量條件下，泥沙顆粒越細(xì)，泥沙影響值越大。

2.2.1 泥沙影響值對渾水累積入滲量的影響

點繪不同泥沙級配渾水的泥沙影響值在不同時段與累積入滲量的關(guān)系，入滲歷時分別取t=10、20、40、60、80、100 min，建立兩者相關(guān)關(guān)系，為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合曲線見圖6，關(guān)系式為：

I=a1e-b1 M

(5)

式中：a1、b1均為相關(guān)參數(shù)。

表8 不同泥沙級配渾水不同范圍的泥沙影響值 m3Tab.8 Sediment impact values of muddy water with different sediment gradations for different particle sizes of sediment

由圖6可以看出，累積入滲量和粒徑小于0.01、0.025 mm泥沙影響值的擬合關(guān)系較好，決定系數(shù)均在0.70以上，一般在0.80左右；與粒徑小于0.001 mm泥沙影響值的相關(guān)關(guān)系較差。

圖6 清水及渾水累積入滲量和泥沙影響值的擬合關(guān)系Fig.6 Fitted curves for relationship between accumulative infiltration capacity of clean water and muddy water with their different sediment impact values

同一入滲歷時，累積入滲量隨著泥沙影響值的增大而減少，清水的累積入滲量最大，泥沙影響值越大，渾水累積入滲量越小。累積入滲量和泥沙影響值的擬合關(guān)系曲線隨時間增加越來越陡，100 min時二者的擬合曲線最陡，10 min的最緩，這表明隨著入滲歷時的增加，不同泥沙級配渾水同時刻累積入滲量之間的差值越大，較清水的減滲量越大。10 min時兩者的相關(guān)性最小，100 min時兩者的相關(guān)性最大，說明入滲歷時越長，累積入滲量與泥沙影響值的相關(guān)關(guān)系越好，且相關(guān)參數(shù)a1、b1也隨之增大，見表9。

孫存喜[6]在研究渾水入滲特性時，擬合了渾水100 min累積入滲量和渾水濃度的相關(guān)關(guān)系，兩者呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)達(dá)到0.963 7，與本次分析結(jié)論基本一致，不同的是孫存喜未考慮泥沙粒徑的影響。

為研究泥沙影響值對渾水累積入滲量的影響，建立5%和10%含沙量不同泥沙級配渾水共8個泥沙影響值與累積入滲量計算公式(1)中入滲系數(shù)a和入滲指數(shù)b的相關(guān)關(guān)系，見圖7，可知粒徑小于0.01mm的泥沙影響值與入滲系數(shù)a相關(guān)性最好，呈冪函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)為0.808；并且M值越大，a值越小即第1 min末的累積入滲量越??；泥沙影響值M與入滲指數(shù)b具有冪函數(shù)的關(guān)系，但相關(guān)性較小，決定系數(shù)最大僅為0.10。b隨M的增大而增大?？梢钥闯觯叫∮?.01 mm的泥沙影響值對累積入滲量的影響最顯著，主要反映在M對a的影響，其次是對b的影響，鑒于a與M的關(guān)系較好，累積入滲量與入滲歷時的關(guān)系可用粒徑小于0.01 mm的泥沙影響值M表示為：

表9 累積入滲量與泥沙影響值相關(guān)關(guān)系式中參數(shù)及決定系數(shù)統(tǒng)計表Tab.9 Parameters in equation for relationship between accumulative infiltration capacity and sediment impact value

I=0.130 8M-0.045 7tb

(6)

2.2.2 泥沙影響值對入滲率的影響

取固定入滲歷時(t=10、20、40、60、80、100 min)，利用通用公式(2)和Kostiakov公式(3)計算不同泥沙級配渾水不同入滲歷時的入滲率，建立泥沙影響值與入滲率的相關(guān)關(guān)系，擬合關(guān)系線見圖8和圖9，呈線性關(guān)系：

i=a2M+b2

(7)

圖7 清水及渾水累積入滲量公式中參數(shù)a、b和泥沙影響值的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Correlation between parameters a and b in the equation for accumulative infiltration capacity of clean water and muddy water and their different sediment impact values

圖8 通用公式計算入滲率與不同泥沙級配渾水泥沙影響值的關(guān)系Fig.8 Relationship between infiltration rates calculated according to universal equation and sediment impact values of muddy water with different sediment gradations

圖9 Kostiakov公式計算入滲率與不同泥沙級配渾水泥沙影響值的關(guān)系Fig.9 Relationship between infiltration rates calculated according to Kostiakov equation and sediment impact values of muddy water with different sediment gradations

式中：a2、b2為相關(guān)參數(shù)。

由圖8和圖9可以看出，通用公式和Kostiakov公式計算得到的入滲率與粒徑小于0.01、0.025 mm的泥沙影響值M相關(guān)關(guān)系較好，決定系數(shù)基本在0.90以上。

相同入滲時間的入滲率隨著泥沙影響值的增大而減??；兩者呈斜率為負(fù)的線性關(guān)系，即隨著泥沙影響值的增大，入滲率與之呈線性關(guān)系減小。10 min時的入滲率較20 min時入滲率大得較多，隨著入滲歷時的增加，相鄰時段的入滲率相差越小，80與100 min的入滲率相差最小。隨著入滲歷時的增加，擬合公式中相關(guān)參數(shù) 、 值隨之減小，見表10和表11。

表10 通用公式計算入滲率與泥沙影響值關(guān)系式中參數(shù)及決定系數(shù)統(tǒng)計表Tab.10 Parameters in equation showing relationship between infiltration rates calculated according to universal equation and sediment impact values as well as coefficients of determination

表11 Kostiakov公式計算入滲率與泥沙影響值關(guān)系式中參數(shù)及決定系數(shù)統(tǒng)計表Tab.11 Parameters in equation showing relationship between infiltration rates calculated according to Kostiakov equation and sediment impact values as well as coefficients of determination

為研究泥沙粒徑對渾水入滲率的影響，分別建立泥沙影響值M和相應(yīng)渾水入滲率公式(通用公式和Kostiakov公式)中參數(shù)a、b、n的關(guān)系，見圖10和圖11，可以看出，粒徑小于0.01、0.025 mm的泥沙影響值M與各參數(shù)的相關(guān)關(guān)系較粒徑小于0.001 mm的好。

圖10 通用公式中參數(shù)a、b、n與不同泥沙級配渾水泥沙影響值M的關(guān)系Fig.10 Relationship between parameters a, b and n in universal equation with sediment impact values M of muddy water

圖11 Kostiakov公式中參數(shù)a、b與不同泥沙級配渾水泥沙影響值的關(guān)系Fig.11 Relationship between parameters a and b in Kostiakov equation with sediment impact values of muddy water

通用公式中，參數(shù)a隨著泥沙影響值M的增大有增長的趨勢，但兩者相關(guān)性很小，說明泥沙影響值對該參數(shù)的影響較??；參數(shù)b與泥沙影響值基本不相關(guān)；指數(shù)n和粒徑小于0.025 mm的泥沙影響值相關(guān)性最好，呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)為0.88。因此，泥沙顆粒級配及其含量對入滲率的影響，主要反映在泥沙影響值對通用公式中指數(shù)n的影響，入滲率與入滲歷時的關(guān)系可以用粒徑小于0.025 mm的泥沙影響值表征為：

i=a+bt-0.129 9 e151.07M

(8)

Kostiakov公式中，參數(shù)a隨著泥沙影響值M的增大同樣有增長的趨勢，但相關(guān)性很小，說明泥沙粒徑對該參數(shù)的影響較?。恢笖?shù)b同粒徑小于0.01 mm的泥沙影響值相關(guān)性最好，呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)為0.84，b隨M的增大而增大。因此，泥沙粒徑及其含量對入滲率的影響，主要反映在泥沙影響值對Kostiakov入滲率公式中指數(shù)b的影響，入滲率與入滲歷時的關(guān)系式可以用粒徑小于0.01 mm的泥沙影響值表征為：

i=at-0.406 e45.59M

(9)

綜上所述，可知泥沙影響值對入滲率的影響主要表現(xiàn)為對通用公式和Kostiakov公式中入滲指數(shù)的影響，對其他入滲參數(shù)的影響相對較小。

3 結(jié) 論

通過在較大空間(測坑)開展長歷時(>300 min)不同泥沙級配渾水灌溉入滲試驗，發(fā)現(xiàn)較大尺度、長歷時積水條件下渾水連續(xù)入滲仍符合Kostiakov入滲規(guī)律，入滲過程可以用通用公式和Kostiakov公式很好的模擬，決定系數(shù)在0.9以上。渾水的泥沙顆粒級配越細(xì)，同時刻相應(yīng)累積入滲量和入滲率越小，與清水入滲過程的差距越大。

根據(jù)相關(guān)研究成果，費良軍、王文焰通過在大田利用研制的自動供水雙套環(huán)入滲儀開展的渾水連續(xù)及渾水間歇入滲試驗，分析得出渾水連續(xù)入滲仍符合Kostiakov入滲規(guī)律，其入滲系數(shù)隨泥沙中物理性黏粒含量的增大而減小，而指數(shù)卻增大[7,14,15]。楊素宜在她的碩士學(xué)位論文《渾水入滲規(guī)律及畦灌補源技術(shù)研究》中提出渾水入滲符合Kostiakov-lewis模型，入滲指數(shù)α隨渾水泥沙含量的增大而增大；入滲系數(shù)k和相對穩(wěn)定入滲率f0隨渾水泥沙含量的增大而減小[2,5]。孫存喜等通過對不同濃度渾水田間雙套環(huán)入滲試驗的研究，提出渾水對入滲過程有明顯的影響，渾水有顯著的阻滲作用；第1 min末的入滲速率和100 min時累積入滲量都隨渾水濃度的增大而減小，均呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系[6,13]。本研究在此基礎(chǔ)上，通過分析不同粒徑范圍的泥沙影響值對渾水累積入滲量和入滲率的影響，可知，粒徑小于0.01 mm的泥沙對渾水的入滲規(guī)律影響最為顯著，粒徑小于0.025 mm的泥沙對渾水入滲特性影響僅次于0.01 mm的泥沙，因其包含了較多對入滲影響顯著的粒徑小于0.01 mm的泥沙。

綜上所述，本研究提出阻礙渾水入滲且物理含義明確的關(guān)鍵粒徑指標(biāo)----粒徑小于0.01 mm的泥沙影響值，驗證了粒徑小于0.01 mm的泥沙顆粒是造成渾水減滲的主要因素，其含量的大小直接影響到渾水的累積入滲量和入滲率的大小，即渾水的泥沙影響值越大，其同時刻累積入滲量和入滲率越小，入滲過程越緩慢，阻滲作用越強(qiáng)，相對于清水的減滲效果越明顯。本研究將含沙量與泥沙級配對渾水入滲的影響用泥沙影響值來表現(xiàn)，從根本量化了渾水不同于清水的入滲特性，為今后繼續(xù)深入研究渾水入滲機(jī)理提供了良好的工具和手段。

本文用泥沙影響值來表征了入滲指數(shù)，渾水中粒徑小于0.01 mm的泥沙影響值和累積入滲量公式及入滲率公式中的入滲指數(shù)具有較好的相關(guān)關(guān)系，得到不同泥沙級配渾水相同入滲歷時下的累積入滲量和泥沙影響值成指數(shù)函數(shù)關(guān)系：y=a1e-b1x，不同泥沙級配渾水相同入滲歷時下的入滲率和泥沙影響值呈線性關(guān)系：y=-a2x+b2。