人工回灌下條件下的土壤水分響應(yīng)特征分析

王成文，李 英，徐兆祥，李洪波

(1.寧夏回族自治區(qū)水文環(huán)境地質(zhì)勘察院，寧夏 銀川 750011；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；3.寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)局，寧夏 銀川 750021)

0 引 言

近年來，隨著國內(nèi)外越來越多的學(xué)者投入到包氣帶水分的研究，發(fā)現(xiàn)包氣帶對聯(lián)系地表水與地下水的水力關(guān)系有著極其重要的影響，特別是地表水作為地下水的主要補(bǔ)給源時(shí)。如Shalev等[1]在美國西部干早區(qū)建立包氣帶滲流試驗(yàn)場，并用非飽和達(dá)西定律來概化模擬地表水對地下水補(bǔ)給；汪可欣等[2]進(jìn)行了大量農(nóng)田灌溉試驗(yàn)，對旱區(qū)的水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析，并通過各種試驗(yàn)方法闡明了不同覆蓋模式下的土壤水分運(yùn)移特征和動(dòng)態(tài)分析；韓占濤等[3]于寧夏清水河平原選擇典型地區(qū)建立了包氣帶水分運(yùn)移試驗(yàn)場，對旱田和灌田條件下的包氣帶水分運(yùn)移進(jìn)行了研究；商潔等[4]以野外監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)值模擬研究了巴丹吉林沙漠南部腹地包氣帶的水分運(yùn)移規(guī)律。

目前，越來越多的學(xué)者意識(shí)到我國西北干旱地區(qū)的地下水主要受地表水回灌補(bǔ)給，如田間灌溉、引河回灌、河流、湖泊、濕地等地表水下滲補(bǔ)給地下水，而非降雨入滲補(bǔ)給[5-7]；對于引水灌區(qū)而言，特別西北干涸地區(qū)，降雨較少，蒸發(fā)較大，田間入滲灌溉是地下水補(bǔ)給的主要來源之一，故研究包氣帶水分入滲過程和入滲特征對整個(gè)區(qū)域的水循環(huán)有著積極的意義。本次研究以銀川平原引黃灌區(qū)為研究對象，選擇典型灌區(qū)建立原位回灌區(qū)試驗(yàn)場，選取對地下水補(bǔ)給作用和影響較大的水稻為試驗(yàn)田，即選取一塊封閉型水稻田(水田)為研究單元，研究該水稻田在人工回灌過程中的土壤水分響應(yīng)和入滲過程，實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤的水分變化和地下水水位動(dòng)態(tài)變化，分析在人工回灌條件下包氣帶土壤水分的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征。

1 試驗(yàn)方法與過程

1.1 試驗(yàn)土體物理性質(zhì)

本次原位田間灌溉入滲試驗(yàn)選取典型田塊進(jìn)行面狀入滲試驗(yàn)，選用持續(xù)灌溉補(bǔ)給的水稻田進(jìn)行面狀灌溉入滲試驗(yàn)研究。在原位試驗(yàn)場地選取的1個(gè)有代表性的剖面上進(jìn)行包氣帶土壤水基本參數(shù)動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)監(jiān)測，獲取不同剖面空間和時(shí)間尺度上土壤含水率、土壤負(fù)壓(基質(zhì)勢)、土中溫度等參數(shù)，測定包氣帶土壤水分特征曲線。

在試驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行地層分層取樣，在野外初步進(jìn)行地層巖性的定性描述和分類，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行顆分測試后定名。試驗(yàn)田埋深0～120 cm均以粉質(zhì)黏土為主，在表層埋深20～30 cm有一層粉土，70～80 cm有一層粉砂，見表1的土壤物理特性和圖1的顆粒級配曲線。

表1 試驗(yàn)田土的物理特性

圖1 試驗(yàn)用土顆粒級配曲線Fig.1 The particle gradation curve of test soil

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

水稻田試驗(yàn)場地面積約(25×25)m2，進(jìn)行持續(xù)補(bǔ)水灌溉，實(shí)時(shí)記錄每次引水的持續(xù)時(shí)間和引水量，控制試驗(yàn)期間的灌溉總量。同時(shí)，對試驗(yàn)田間的地下水觀測井進(jìn)行長期動(dòng)態(tài)水位監(jiān)測，研究灌溉入滲補(bǔ)給對地下水的影響。在水稻田選取1處有代表性的剖面進(jìn)行土壤水分、負(fù)壓、溫度的長期性監(jiān)測工作。在試驗(yàn)田選取具有代表性的剖面，進(jìn)行開挖，開挖南北長約2 m、東西寬50 cm、深120 cm的橫槽，然后在槽側(cè)壁上用長50 cm的土鉆向土壁內(nèi)打深20 cm的水平孔，埋設(shè)土壤三參計(jì)(土壤三參數(shù)測定儀)、土壤負(fù)壓計(jì)等監(jiān)測儀器，埋設(shè)方式為開槽側(cè)壁橫向埋設(shè)。在垂向剖面上，土壤含水率、基質(zhì)勢監(jiān)測點(diǎn)位由淺到深設(shè)置埋深分別為15、30、50、70、100 cm的五組監(jiān)測點(diǎn)位，儀器埋置示意見圖2。

圖2 試驗(yàn)場地監(jiān)測點(diǎn)埋深分布圖Fig.2 Depth distribution map of monitoring points in test site

1.3 試驗(yàn)設(shè)備與方法

本次試驗(yàn)主要分為田間試驗(yàn)監(jiān)測和室內(nèi)數(shù)據(jù)整理分析。

田間試驗(yàn)中主要監(jiān)測設(shè)備有Treos12土壤三參儀、WM-1型負(fù)壓計(jì)測定土和地下水Diver監(jiān)測儀，以及自制的數(shù)采設(shè)備1套。土壤三參儀主要是測試土壤水分、電導(dǎo)率和溫度的變化，土壤負(fù)壓計(jì)是測定土壤負(fù)壓的變化；CTD-Diver地下水自動(dòng)監(jiān)測儀，測定水位、溫度和電導(dǎo)率，并存儲(chǔ)于儀器內(nèi)存中，可隨時(shí)下載到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；數(shù)采設(shè)備是實(shí)時(shí)讀取、記錄和保存測試數(shù)據(jù)，設(shè)置記錄間隔時(shí)間為10 min/次。

在室內(nèi)數(shù)據(jù)分析中，分類整理原始數(shù)據(jù)，主要運(yùn)用Origin Pro 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和制圖，運(yùn)用經(jīng)典的V-G模型進(jìn)行土壤水分特征擬合，并結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)SPSS18.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 各要素隨時(shí)間的變化分析

本次田間原位灌溉入滲試驗(yàn)是研究大面積原位持續(xù)性、周期性的灌溉入滲試驗(yàn)，選取典型剖面進(jìn)行包氣帶水分入滲監(jiān)測試驗(yàn)，分析監(jiān)測要素隨時(shí)間變化的曲線。

結(jié)合圖3可知，水稻田的土壤含水率(體積含水率)隨著灌溉量的增加呈增長的趨勢，埋深15 cm 處初始含水率由22.86%增至試驗(yàn)中期的31.12%，到末期隨著灌溉結(jié)束回落至29.85%，整個(gè)變化過程呈“驟增突變—平緩震蕩”的變化過程，其他埋深處的土壤含水率也呈類似變化；同時(shí)，不同埋深處的土壤水分響應(yīng)時(shí)間差異較大，在灌溉后的8.8 h淺層埋深15 cm處的水分開始增加，而中下層水分變化的響應(yīng)時(shí)間比淺層慢很多，最底層100 cm處在70 h后才有水分響應(yīng)變化。

同樣，土壤負(fù)壓在第一次灌溉后變化最為顯著，變幅最大，而在后面的幾次補(bǔ)水入滲中變化不大；在灌溉入滲的同時(shí)，隨著土壤含水率的增加，土壤負(fù)壓呈直線式下降，僅在不到一次監(jiān)測時(shí)間(10 min)內(nèi)土壤負(fù)壓由-47 kPa降至-10 kPa以下，說明土壤含水率與負(fù)壓的關(guān)系非常密切；在不同埋深處，土壤負(fù)壓呈一定規(guī)律，即土壤負(fù)壓隨剖面埋深的增加而減小，說明土壤負(fù)壓不僅與含水率有關(guān)，而且也與土壤質(zhì)地和土中氣有一定關(guān)系。

土壤電導(dǎo)率在整個(gè)試驗(yàn)中變幅較大，在第一次灌溉后，土壤電導(dǎo)率隨灌溉入滲呈直線式突變上升，甚至比含水率的變化劇烈，在后面的幾次灌溉中，電導(dǎo)率呈一定波動(dòng)，但變幅不大；在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，土壤剖面深度100 cm處變化較其他埋深都大，變化最劇烈，這與其他因素不同，值得進(jìn)一步深入研究。

土壤溫度主要受氣候條件影響，在土中表現(xiàn)為隨氣溫的增加而增加，但有一定的滯后性，總體是隨氣候升溫而逐漸升高。

圖3 灌溉入滲試驗(yàn)中各要素隨時(shí)間的變化Fig.3 Changes of various factors with time in irrigation infiltration test

2.2 灌溉入滲引起的土水變化分析

在整個(gè)灌溉入滲中，灌溉入滲分為“初始自然—開始灌溉—灌溉入滲—灌溉完成—自然恢復(fù)”五個(gè)階段，分析土壤含水率和負(fù)壓的變化。結(jié)合圖4可知，在入滲初始階段入滲量相對較大，含水率隨著時(shí)間累積不斷增大，變幅減小，土壤負(fù)壓的絕對值不斷減小。在土體表層入滲進(jìn)行中，灌溉初期土壤初始入滲率高，隨后入滲過程逐漸趨于穩(wěn)定，負(fù)壓由-48.5 kPa驟降到正壓9.6 kPa(絕對值)；在土體剖面30 cm及較深處以下，土壤的含水率和負(fù)壓變化幅度較小，均呈緩慢增長的趨勢，土壤含水率由28.0%增長到36.0%，負(fù)壓則由-10.8 kPa緩慢降至正壓17.4 kPa，說明土壤較深處對灌溉入滲的響應(yīng)時(shí)間較長，更易得到較為平緩的變化過程。另外，在整個(gè)試驗(yàn)段中，在淺層“開始灌溉—灌溉入滲”時(shí)間段內(nèi)土壤的含水率和負(fù)壓是驟變的過程，其他時(shí)間段變化幅度較小，說明該段要加密監(jiān)測才能更精準(zhǔn)的反映土水驟變的過程。

圖4 土壤水分特征點(diǎn)變化Fig.4 Changes of soil moisture characteristic points

分析灌溉試驗(yàn)開始前和結(jié)束后的自然時(shí)間段的土水特征，可知在水稻田灌溉入滲前，即在初始時(shí)刻不同埋深處的含水率和負(fù)壓呈一定規(guī)律，由淺到深含水率逐漸增大，而負(fù)壓是隨埋深逐漸較小；在灌溉入滲后，土壤含水率依舊是隨著埋深的加深而增大，而土壤的負(fù)壓卻表現(xiàn)不明顯，負(fù)壓值相對穩(wěn)定，不受埋深條件影響。

2.3 水分特征曲線擬合與分析

通過大量的試驗(yàn)研究，人們已提出了許多經(jīng)驗(yàn)公式來模擬土-水特征曲線，其中比較常用的有Brooks-Corey模型(1964)、V-G模型(1980)、Frdlund模型和Xing(1994)模型等，這些模型中都含有許多待求的參數(shù)。在多種經(jīng)驗(yàn)擬合公式中，V-G公式模型(Van Genuehten)相對適用范圍更廣，擬合度也最佳，采用V-G公式模型進(jìn)行曲線擬合計(jì)算[8-11]。

Van Genuchten建議將水分特征曲線擬合成式(1)：

(1)

式(1)中：θ為體積含水率(cm3/cm3，%)；a、m、n為擬合參數(shù)，a為與進(jìn)氣值有關(guān)的參數(shù)；n為曲線形狀參數(shù)；θr和θs分別為飽和含水量和殘余含水量，為壓力水頭。令m=1-1/n，則可推導(dǎo)出非飽和導(dǎo)水率k的表達(dá)式如式(2)：

(2)

式(2)中：ks為某水溫下試樣的滲透系數(shù)，cm/s；φ為土水勢，φ<0。

在土壤水分特征曲線擬合中，發(fā)現(xiàn)土水實(shí)測點(diǎn)值無法利用經(jīng)驗(yàn)公式擬合得出土壤水分特征曲線，實(shí)測點(diǎn)見圖5所示。當(dāng)分別研究不同埋深時(shí)的土壤水分特征曲線時(shí)，發(fā)下實(shí)測點(diǎn)均為不連續(xù)的點(diǎn)，如埋深15 cm、埋深30 cm和埋深50 cm處只有初始和結(jié)尾有實(shí)測點(diǎn)，在負(fù)壓-12 kPa到-43 kPa 段是沒有含水率實(shí)測值的；在埋深70 cm和100 cm處雖然整體有數(shù)據(jù)變化點(diǎn)，但變化點(diǎn)雜亂，無曲線趨勢特征；只有將所有埋深處的點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一處理時(shí)，見圖5(a)，可以看出土壤含水率與負(fù)壓呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，該圖可以說明含水率與負(fù)壓密切相關(guān)，且土壤負(fù)壓隨含水率的變化是突變的，即使在監(jiān)測中采用每10分鐘讀數(shù)采集一次的頻率下，監(jiān)測到的土壤負(fù)壓由-40 kPa突變到-9 kPa，尤其在土壤淺表層中變化最為明顯。

圖5 各埋深段土壤水分特征變化點(diǎn)分布Fig.5 Variation points of soil moisture characteristics in each buried depth

本次試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在灌溉入滲時(shí)，隨著土壤水分的入滲運(yùn)移，土壤的負(fù)壓是呈突變型的減小，而不是呈一定趨勢線的變化，這與以往研究的土水特征曲線有所不同，故不能用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合，只能分別研究在整個(gè)試驗(yàn)中土壤含水率的變化和土壤負(fù)壓的變化。在運(yùn)用典型模型無法擬合得出土水關(guān)系曲線時(shí)，只能運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對大量的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，而SPSS統(tǒng)計(jì)軟件是專業(yè)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件，其功能十分強(qiáng)大，可以處理大量紛雜的數(shù)據(jù)，做出數(shù)據(jù)分析與處理。

借助SPSS(Statistical Product and Service Solutions)統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行土壤水分特征的相關(guān)性分析可得，在水分入滲過程中土壤負(fù)壓隨之變化，特別是在淺表層，土壤負(fù)壓與水分的增加呈較好的相關(guān)性，并進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析，可得大多數(shù)監(jiān)測的土水特征點(diǎn)的在88%以上(見表2)，表明土壤水分與負(fù)壓有著密切的關(guān)聯(lián)。

表2 土壤含水率與負(fù)壓的相關(guān)性分析

續(xù)表

3 結(jié) 論

通過研究人工回灌條件下的水分運(yùn)動(dòng)特征，分析不同要素在灌溉入滲后隨時(shí)間變化響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)土壤中含水率、負(fù)壓、土溫等要素均具有一定規(guī)律性，含水率與負(fù)壓的關(guān)系較為密切，負(fù)壓變化幅度較大，測試難度也大，總結(jié)如下：

(1)分析土壤含水率、負(fù)壓、電導(dǎo)率等變量隨灌溉入滲時(shí)間的變化特征和沿剖面埋深的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)土壤含水率和負(fù)壓的變化是瞬時(shí)性的；在整個(gè)長時(shí)間灌溉入滲中發(fā)現(xiàn)，土壤水分與負(fù)壓的響應(yīng)變化在灌溉入滲試驗(yàn)前期就已基本完成。

(2)在土壤水分特征曲線擬合中，發(fā)現(xiàn)常用的V-G模型曲線無法利用經(jīng)驗(yàn)公式擬合，但相關(guān)性較強(qiáng)；而通過SPSS數(shù)理統(tǒng)計(jì)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析，分析結(jié)果較好，其相關(guān)性在88%以上。

(3)在分析含水率與負(fù)壓密切相關(guān)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)的土壤負(fù)壓隨含水率的變化是存在突變現(xiàn)象，即使在監(jiān)測為10 min/次頻率中也無法測得變化過程，建議在今后的工作中需進(jìn)一步加密試驗(yàn)前期的監(jiān)測頻率。