北疆典型土壤縱向彌散系數(shù)試驗(yàn)

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(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029；2新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】彌散系數(shù)的確定一般通過(guò)室內(nèi)土柱入滲以及田間彌散示蹤試驗(yàn)或者采用水環(huán)境長(zhǎng)期頻繁測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行反推而獲取。土壤水鹽運(yùn)移參數(shù)是描述土壤中水分、鹽分運(yùn)移規(guī)律的基礎(chǔ)，也是水鹽運(yùn)移模型的關(guān)鍵[1-3]。土壤溶質(zhì)運(yùn)移對(duì)于地下水環(huán)境污染的加重起著重大的影響，對(duì)于鹽漬土地的形成有著密切的關(guān)系[4]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】Lapidus和Amundson，Nielsen[5-6]和Biggar[7]根據(jù)建立了易混合置換理論，認(rèn)為溶質(zhì)的通量是由對(duì)流、擴(kuò)散和彌散的共同作用引起的；測(cè)定土壤溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)的方法包含：穿透曲線法、公式法、水平土柱吸滲法、瞬時(shí)剖面法和反函數(shù)法等[8-9]。研究者普遍探究多孔介質(zhì)水動(dòng)力彌散現(xiàn)象Bear(1960,1961)[10]，Pfankuch(1969)[11]。Geoffrey Taylor(1969)[12]運(yùn)用毛管束模型，對(duì)縱向彌散系數(shù)測(cè)定方法進(jìn)行了探究。Linotz,Seiler,Moser(1980)[13]運(yùn)用沙柱模型通過(guò)一系列一維水動(dòng)力彌散試驗(yàn)，依據(jù)測(cè)定成果研究了縱向彌散系數(shù)DL、運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)、孔隙平均流速、多孔介質(zhì)的特性參數(shù)，并獲得了較系統(tǒng)的理論成果。在21世紀(jì)初，程金茹等[14]通過(guò)水平土柱法測(cè)定彌散系數(shù)，由水分特征曲線求解方法獲取研究區(qū)域各土質(zhì)的彌散系數(shù)。翟春生等[15]在2007年采用一維水動(dòng)力彌散試驗(yàn)推算出水動(dòng)力彌散系數(shù)方程，建成了粉砂土水動(dòng)力彌散系數(shù)與孔隙流速的表達(dá)式。張銀妹等[16]通過(guò)一維土柱方法，在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用一維彌散試驗(yàn)得出，隨著水力坡降的增大彌散系數(shù)也增大的趨勢(shì)。張明泉等[17]以NaCl為溶劑，采用滲流柱，通過(guò)二維水動(dòng)力彌散試驗(yàn)，研究獲取砂卵石的縱向與橫向彌散系數(shù)。趙雪瓊等[18]采用二維彌散試驗(yàn)測(cè)定，并利用直線圖解法求解亞粘土的縱向與橫向彌散系數(shù)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】由于不同地域存在差異性，諸多研究成果為不同地域水鹽運(yùn)移研究提供參數(shù)。但對(duì)新疆北疆較為常見(jiàn)的典型砂壤土、粉壤土、壤土的縱向彌散系數(shù)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。針對(duì)北疆地區(qū)膜下滴灌棉田分布最廣的3種典型土壤質(zhì)地進(jìn)行鹽分運(yùn)移參數(shù)的試驗(yàn)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】通過(guò)室內(nèi)土柱垂直入滲法，研究鹽分在不同質(zhì)地條件下隨時(shí)間的遷移規(guī)律及特點(diǎn)，計(jì)算得出縱向彌散系數(shù)和彌散度，為進(jìn)一步研究新疆北疆地區(qū)土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律、模擬區(qū)域水鹽動(dòng)態(tài)提供可靠依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2018年5月在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)水土工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。土樣采自新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)石河子市121團(tuán)滴灌棉田土壤與石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站土壤，試驗(yàn)土壤為砂壤土、粉壤土、壤土。所采集土樣于實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)碾壓、磨碎、風(fēng)干、過(guò)篩后分層裝土，按照各土壤容重裝入土柱，采用LS13320型號(hào)顆粒分析儀對(duì)土壤進(jìn)行顆粒分析。研究區(qū)土壤類別由美國(guó)農(nóng)業(yè)部制定的土壤質(zhì)地三角圖劃分土壤質(zhì)地，即按砂粒(2～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)、粘粒(<0.002 mm)3種粒徑級(jí)別占據(jù)的百分含量來(lái)確定。表1

表1 試驗(yàn)土壤機(jī)械組成與土壤容重Table 1 Soil mechanical composition and soil bulk density

1.2 方 法

彌散是滲透分散和分子擴(kuò)散相互的結(jié)果[19-20]。水動(dòng)力彌散系數(shù)是鹽分含量在土體中空間運(yùn)移變化的過(guò)程，它是流速與多孔介質(zhì)有關(guān)的張量[1-22]。縱向彌散系數(shù)采用室內(nèi)土柱垂直入滲法。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，一維水動(dòng)力彌散方程的定解問(wèn)題可表示為：

(1)

其中，c表示土壤溶液濃度(mol/L)，DL表示縱向彌散系數(shù)(cm2/min)，n表示土壤有效孔隙度，cw溶質(zhì)初始濃度(mol/L)，c0注入溶液的溶質(zhì)濃度(mol/L)，x表示坐標(biāo)(向下為正)，V代表平均孔隙流速(cm/h)。

當(dāng)DL、V為常數(shù)時(shí)，利用Laplace變換求解(1)模型的解析為：

(2)

如X足夠大時(shí)，滿足Vx/D>10時(shí)，則(2)式簡(jiǎn)化為：

(3)

(4)

(5)

對(duì)彌散路徑中的某一點(diǎn)X處，若定義t0.160和t0.840分別表示該點(diǎn)溶質(zhì)相對(duì)濃度達(dá)到0.16和0.18的時(shí)間，得出計(jì)算DL的基本公式：

(6)

(7)

試驗(yàn)土柱直徑為21 cm，長(zhǎng)60 cm，用透明玻璃制成。供水裝置為直徑21 cm的馬氏瓶，帶刻度并且可在恒定水龍頭下自動(dòng)供給溶液。供給溶質(zhì)溶液濃度為0.2 mol/L的NaCI溶液。步驟土樣裝填方式與前述一樣，鹽分傳感器埋設(shè)在10、20、30 cm處。為防止土壤流失，在有機(jī)玻璃管底部放置1張有機(jī)玻璃管直徑略大的濾紙。安裝完成后，以淋洗土壤中可溶性鹽分為目的，利用馬氏瓶供給淡水，以便得到相一致的濃度剖面，并埋設(shè)鹽分傳感器，同時(shí)測(cè)定觀測(cè)處的電導(dǎo)率，當(dāng)觀測(cè)處的電導(dǎo)率與淋洗水的電導(dǎo)率相一致時(shí)，結(jié)束淡水淋洗。土柱水層即將消失的時(shí)刻開(kāi)始供給鹽分溶液并記錄時(shí)間。測(cè)定土壤鹽分隨時(shí)間的變化，利用土壤鹽分和電導(dǎo)率的關(guān)系，獲取土壤鹽分和時(shí)間的變化參數(shù)。圖1

2 結(jié)果與分析

2.1 3種典型土壤縱向彌散系數(shù)

研究表明，砂壤土、粉壤土、壤土滲流土柱初始電導(dǎo)率分別為3 096、8 240、4 380 uS/ cm，室溫25℃。在彌散試驗(yàn)測(cè)定過(guò)程中，記錄測(cè)定各觀測(cè)處的鹽分濃度。根據(jù)不同時(shí)刻觀測(cè)點(diǎn)鹽分濃度，繪制3種土壤濃度沿程分布曲線。圖2～7

研究表明，到1 320 min時(shí)，距供液10 cm處的土壤鹽分濃度達(dá)到了80%以上，20 cm處達(dá)到65%，30 cm處達(dá)到30%左右。在4 740 min時(shí)10 cm處濃度達(dá)到了98%以上，20 cm處達(dá)到95%以上，30 cm處高于70%。1 720 min前后時(shí)10 cm處土壤剖面鹽分濃度均達(dá)到了63%。3 700 min前后時(shí)10 cm處土壤剖面鹽分濃度在85%的上下，30 cm處土壤鹽分濃度在18%左右。7 560 min時(shí)3個(gè)觀測(cè)孔處鹽分濃度均達(dá)到了61%。砂壤土整個(gè)土壤剖面鹽分濃度最先接近供液濃度，其次是粉壤土、壤土。隨著鹽分溶液入滲時(shí)間延長(zhǎng)，整個(gè)土壤剖面的鹽分處于較均勻狀態(tài)。土壤剖面離供液越近，土壤鹽分濃度越大，距離越遠(yuǎn)土壤鹽分濃度越小。這是因?yàn)橥寥乐幸徊糠蛀}分參與累積，一部分鹽分隨鹽分溶液運(yùn)移導(dǎo)致鹽分濃度稀釋，隨著入滲時(shí)間延長(zhǎng)土壤剖面處于飽和狀態(tài)，供液運(yùn)移速率放緩。

鹽分在砂壤土中的彌散是一個(gè)漸變過(guò)程，整個(gè)觀測(cè)處的濃度含量，最初是緩慢上升，而后急劇增高，再后又重新緩慢地增加，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定含量。10 cm處鹽分濃度峰值出現(xiàn)時(shí)間比20 cm與30 cm處早。鹽分濃度峰值大小依次為10 cm>20 cm>30 cm，是由于10 cm處離供液較近，供液注入后先遷移至10 cm處，然后到達(dá)較遠(yuǎn)的觀測(cè)處。壤土比粉壤土與砂壤土鹽分濃度隨時(shí)間關(guān)系曲線彎曲度大，鹽分溶液在壤土中不易擴(kuò)散，達(dá)到供液濃度所需的時(shí)間長(zhǎng)。土壤中鹽分濃度峰值大小依次為10 cm高于20 cm高于30 cm處。土壤剖面距離供液距離遠(yuǎn)，峰值濃度小。由于鹽分溶液在土壤中運(yùn)移時(shí)，鹽分溶液的擴(kuò)散作用，導(dǎo)致土壤中鹽分濃度被稀釋，并在土壤剖面形成鹽分濃度梯度，使鹽分濃度隨遷移距離的延長(zhǎng)而不斷降低。土壤鹽分濃度峰值的時(shí)間和峰值濃度的大小主要取決于滲流流速的大小，滲流流速越大，達(dá)到土壤鹽分濃度峰值的時(shí)間越短，且峰值濃度越大，反之達(dá)到土壤鹽分濃度峰值的時(shí)間越長(zhǎng)，峰值濃度越低。圖4～7

2.2 3種典型土壤縱向彌散系數(shù)的確定

根據(jù)彌散基本理論，觀測(cè)處鹽分濃度與時(shí)間的變化曲線的特征，可選擇通過(guò)x0.16、x0.84或t0.160、t0.840、2個(gè)分位點(diǎn)，并基本上具有以x0.5或t0.5點(diǎn)反對(duì)稱的曲線，利用公式(5)或公式(7)來(lái)計(jì)算縱向彌散系數(shù)DL與彌散度aL。表2

表2 3種土壤縱向彌散系數(shù)Table 2 calculation results of longitudinal dispersion coefficients of three soils

3 討 論

已有研究表明，水動(dòng)力彌散系數(shù)是綜合反映溶質(zhì)和土壤特性的參數(shù)，其密切聯(lián)系于多孔介質(zhì)狀況和溶質(zhì)的性質(zhì)以及受孔隙水流速度和含水率的影響[9]。開(kāi)展水動(dòng)力彌散系數(shù)研究，對(duì)于研究鹽堿地水鹽運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、地下水資源保護(hù)以及化肥、農(nóng)藥及重金屬在農(nóng)田的運(yùn)移規(guī)律，是一個(gè)不可或缺的參數(shù)[15-17]。

采用室內(nèi)土柱垂直入滲法確定縱向彌散系數(shù)。NaCI因成本低、容易檢測(cè)、不易吸附且隨水運(yùn)動(dòng)性良好和性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)。用NaCI作為示蹤劑連續(xù)恒定注入嚴(yán)格控制容重的風(fēng)干土土柱中，根據(jù)溶質(zhì)在土壤中運(yùn)移時(shí)，通過(guò)某截面的相對(duì)濃度(C-Cw)/(C0-Cw)與時(shí)間和距離的關(guān)系曲線，反映溶質(zhì)在非飽和土壤中運(yùn)移曲線。研究認(rèn)為由于尺度效應(yīng)和土壤質(zhì)地等原因，土壤中溶質(zhì)運(yùn)移的彌散系數(shù)隨溶質(zhì)運(yùn)移的距離和滲流速度而變化。這與Huang K,van Genuchten M Th(1996)及張銀妹等(2014)研究結(jié)果一致[16,23]。不同質(zhì)地土壤在土層深度10 cm剖面范圍中，相對(duì)濃度處于穩(wěn)定狀態(tài)，10 cm深度以下相對(duì)濃度急劇降低，這是由于土壤在自重壓力作用下，越來(lái)越密實(shí)，延緩溶液在土壤中的穿透，造成相對(duì)濃度隨著土壤深度增加而減小，隨著時(shí)間變化先急劇增加再趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。而砂壤土砂礫含量較多，粘粒含量較少，土壤不易形成團(tuán)聚體，分子擴(kuò)散增強(qiáng)，溶液在土壤中的穿透快，導(dǎo)致相對(duì)濃度變化趨勢(shì)較壤土和粉壤土緩慢且達(dá)到相對(duì)濃度穩(wěn)定的時(shí)間較短。

采用室內(nèi)土柱垂直入滲法求解縱向彌散系數(shù)，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，研究一維水動(dòng)力彌散方程的定解問(wèn)題。概念清楚，試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)可靠且有所改進(jìn)，對(duì)北疆3種典型土壤求解水動(dòng)力彌散系數(shù)得到了滿意的效果。室內(nèi)試驗(yàn)為大田試驗(yàn)提供指導(dǎo)，但大田土壤的孔隙體系不是均質(zhì)的且具有自身水和溶質(zhì)遷移的特征[24]，還需進(jìn)一步開(kāi)展測(cè)定野外田間的縱向彌散系數(shù)研究。

4 結(jié) 論

4.1 土柱垂直入滲法測(cè)定一維縱向彌散系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)較分散，對(duì)土柱的填裝和鹽分濃度的測(cè)定要求較高。利用彌散基本理論，在室內(nèi)進(jìn)行縱向彌散試驗(yàn)是可行的，所得彌散系數(shù)與前人研究結(jié)果接近，其精度是可信的，可作為預(yù)測(cè)地下水污染和土壤溶質(zhì)運(yùn)移的參數(shù)。

4.2 砂壤土整個(gè)土壤剖面鹽分濃度最先接近供液濃度，其次是粉壤土和壤土。土壤鹽分濃度峰值的時(shí)間和峰值濃度的大小主要取決于滲流速度的大小，壤土滲流流速最小(粉壤土縱向彌散速率是砂壤土的1.5倍，壤土的2.9倍)，達(dá)到土壤鹽分濃度峰值的時(shí)間最長(zhǎng)，峰值濃度最小，反之，當(dāng)滲流流速越大，達(dá)到土壤溶質(zhì)濃度峰值的時(shí)間越短，峰值濃度越大。3種典型土壤鹽分運(yùn)移縱向彌散系數(shù)變化范圍為0.026 9～0.077 2 cm2/min；縱向彌散度變化范圍為2.44～3.85 cm。