北疆典型土壤縱向彌散系數(shù)試驗

虎膽·吐馬爾白，穆麗德爾·托伙加，朱 珠

(1.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程重點實驗室，南京 210029；2新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】彌散系數(shù)的確定一般通過室內(nèi)土柱入滲以及田間彌散示蹤試驗或者采用水環(huán)境長期頻繁測量的數(shù)據(jù)進行反推而獲取。土壤水鹽運移參數(shù)是描述土壤中水分、鹽分運移規(guī)律的基礎，也是水鹽運移模型的關(guān)鍵[1-3]。土壤溶質(zhì)運移對于地下水環(huán)境污染的加重起著重大的影響，對于鹽漬土地的形成有著密切的關(guān)系[4]?！厩叭搜芯窟M展】Lapidus和Amundson，Nielsen[5-6]和Biggar[7]根據(jù)建立了易混合置換理論，認為溶質(zhì)的通量是由對流、擴散和彌散的共同作用引起的；測定土壤溶質(zhì)運移參數(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)水動力彌散現(xiàn)象Bear(1960,1961)[10]，Pfankuch(1969)[11]。Geoffrey Taylor(1969)[12]運用毛管束模型，對縱向彌散系數(shù)測定方法進行了探究。Linotz,Seiler,Moser(1980)[13]運用沙柱模型通過一系列一維水動力彌散試驗，依據(jù)測定成果研究了縱向彌散系數(shù)DL、運動粘滯系數(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世紀初，程金茹等[14]通過水平土柱法測定彌散系數(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年采用一維水動力彌散試驗推算出水動力彌散系數(shù)方程，建成了粉砂土水動力彌散系數(shù)與孔隙流速的表達式。張銀妹等[16]通過一維土柱方法，在實驗室運用一維彌散試驗得出，隨著水力坡降的增大彌散系數(shù)也增大的趨勢。張明泉等[17]以NaCl為溶劑，采用滲流柱，通過二維水動力彌散試驗，研究獲取砂卵石的縱向與橫向彌散系數(shù)。趙雪瓊等[18]采用二維彌散試驗測定，并利用直線圖解法求解亞粘土的縱向與橫向彌散系數(shù)。【本研究切入點】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移研究提供參數(shù)。但對新疆北疆較為常見的典型砂壤土、粉壤土、壤土的縱向彌散系數(shù)研究鮮見報道。針對北疆地區(qū)膜下滴灌棉田分布最廣的3種典型土壤質(zhì)地進行鹽分運移參數(shù)的試驗?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過室內(nèi)土柱垂直入滲法，研究鹽分在不同質(zhì)地條件下隨時間的遷移規(guī)律及特點，計算得出縱向彌散系數(shù)和彌散度，為進一步研究新疆北疆地區(qū)土壤水鹽運移規(guī)律、模擬區(qū)域水鹽動態(tài)提供可靠依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2018年5月在新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)水土工程實驗室進行。土樣采自新疆生產(chǎn)建設兵團石河子市121團滴灌棉田土壤與石河子大學節(jié)水灌溉試驗站土壤，試驗土壤為砂壤土、粉壤土、壤土。所采集土樣于實驗室經(jīng)過碾壓、磨碎、風干、過篩后分層裝土，按照各土壤容重裝入土柱，采用LS13320型號顆粒分析儀對土壤進行顆粒分析。研究區(qū)土壤類別由美國農(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種粒徑級別占據(jù)的百分含量來確定。表1

表1 試驗土壤機械組成與土壤容重Table 1 Soil mechanical composition and soil bulk density

1.2 方 法

彌散是滲透分散和分子擴散相互的結(jié)果[19-20]。水動力彌散系數(shù)是鹽分含量在土體中空間運移變化的過程，它是流速與多孔介質(zhì)有關(guān)的張量[1-22]?？v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，一維水動力彌散方程的定解問題可表示為：

(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(向下為正)，V代表平均孔隙流速(cm/h)。

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

(2)

如X足夠大時，滿足Vx/D>10時，則(2)式簡化為：

(3)

(4)

(5)

對彌散路徑中的某一點X處，若定義t0.160和t0.840分別表示該點溶質(zhì)相對濃度達到0.16和0.18的時間，得出計算DL的基本公式：

(6)

(7)

試驗土柱直徑為21 cm，長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，鹽分傳感器埋設在10、20、30 cm處。為防止土壤流失，在有機玻璃管底部放置1張有機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，并埋設鹽分傳感器，同時測定觀測處的電導率，當觀測處的電導率與淋洗水的電導率相一致時，結(jié)束淡水淋洗。土柱水層即將消失的時刻開始供給鹽分溶液并記錄時間。測定土壤鹽分隨時間的變化，利用土壤鹽分和電導率的關(guān)系，獲取土壤鹽分和時間的變化參數(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率分別為3 096、8 240、4 380 uS/ cm，室溫25℃。在彌散試驗測定過程中，記錄測定各觀測處的鹽分濃度。根據(jù)不同時刻觀測點鹽分濃度，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，距供液10 cm處的土壤鹽分濃度達到了80%以上，20 cm處達到65%，30 cm處達到30%左右。在4 740 min時10 cm處濃度達到了98%以上，20 cm處達到95%以上，30 cm處高于70%。1 720 min前后時10 cm處土壤剖面鹽分濃度均達到了63%。3 700 min前后時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3個觀測孔處鹽分濃度均達到了61%。砂壤土整個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間延長，整個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，距離越遠土壤鹽分濃度越小。這是因為土壤中一部分鹽分參與累積，一部分鹽分隨鹽分溶液運移導致鹽分濃度稀釋，隨著入滲時間延長土壤剖面處于飽和狀態(tài)，供液運移速率放緩。

鹽分在砂壤土中的彌散是一個漸變過程，整個觀測處的濃度含量，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)過一段時間后達到穩(wěn)定含量。10 cm處鹽分濃度峰值出現(xiàn)時間比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，然后到達較遠的觀測處。壤土比粉壤土與砂壤土鹽分濃度隨時間關(guān)系曲線彎曲度大，鹽分溶液在壤土中不易擴散，達到供液濃度所需的時間長。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，峰值濃度小。由于鹽分溶液在土壤中運移時，鹽分溶液的擴散作用，導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而不斷降低。土壤鹽分濃度峰值的時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，達到土壤鹽分濃度峰值的時間越短，且峰值濃度越大，反之達到土壤鹽分濃度峰值的時間越長，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，觀測處鹽分濃度與時間的變化曲線的特征，可選擇通過x0.16、x0.84或t0.160、t0.840、2個分位點，并基本上具有以x0.5或t0.5點反對稱的曲線，利用公式(5)或公式(7)來計算縱向彌散系數(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]。開展水動力彌散系數(shù)研究，對于研究鹽堿地水鹽運動監(jiān)測、地下水資源保護以及化肥、農(nóng)藥及重金屬在農(nóng)田的運移規(guī)律，是一個不可或缺的參數(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、不易吸附且隨水運動性良好和性質(zhì)穩(wěn)定的特點。用NaCI作為示蹤劑連續(xù)恒定注入嚴格控制容重的風干土土柱中，根據(jù)溶質(zhì)在土壤中運移時，通過某截面的相對濃度(C-Cw)/(C0-Cw)與時間和距離的關(guān)系曲線，反映溶質(zhì)在非飽和土壤中運移曲線。研究認為由于尺度效應和土壤質(zhì)地等原因，土壤中溶質(zhì)運移的彌散系數(shù)隨溶質(zhì)運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，相對濃度處于穩(wěn)定狀態(tài)，10 cm深度以下相對濃度急劇降低，這是由于土壤在自重壓力作用下，越來越密實，延緩溶液在土壤中的穿透，造成相對濃度隨著土壤深度增加而減小，隨著時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，土壤不易形成團聚體，分子擴散增強，溶液在土壤中的穿透快，導致相對濃度變化趨勢較壤土和粉壤土緩慢且達到相對濃度穩(wěn)定的時間較短。

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，研究一維水動力彌散方程的定解問題。概念清楚，試驗操作簡單，計算簡便，數(shù)據(jù)可靠且有所改進，對北疆3種典型土壤求解水動力彌散系數(shù)得到了滿意的效果。室內(nèi)試驗為大田試驗提供指導，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]，還需進一步開展測定野外田間的縱向彌散系數(shù)研究。

4 結(jié) 論

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

4.2 砂壤土整個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)，達到土壤鹽分濃度峰值的時間最長，峰值濃度最小，反之，當滲流流速越大，達到土壤溶質(zhì)濃度峰值的時間越短，峰值濃度越大。3種典型土壤鹽分運移縱向彌散系數(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。