渾水含沙率對一維垂直入滲特性及致密層形成特性的影響①

鐘 韻，費良軍，朱士江*，何 軍，康守旋

渾水含沙率對一維垂直入滲特性及致密層形成特性的影響①

鐘 韻1,2，費良軍3，朱士江1,2*，何 軍1,2，康守旋3

(1 三峽大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北宜昌 443002；2 三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北宜昌 443002；3 西安理工大學省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，西安 710048)

水中帶沙是渾水灌溉較清水灌溉的本質區(qū)別，為揭示渾水含沙率對一維垂直入滲特性及致密層形成特性的影響，通過室內(nèi)一維垂直入滲試驗，以清水入滲為對照，設置了4個渾水含沙率水平(3%、6%、9%、12%)，研究了渾水含沙率對一維垂直入滲能力、濕潤鋒運移距離、致密層土壤顆粒組成及落淤層厚度等的影響，分別提出了以渾水含沙率和入滲歷時為自變量的累積入滲量模型和濕潤鋒運移距離模型，建立了不同含沙率的渾水一維垂直入滲落淤層厚度與入滲歷時之間的關系。結果表明：渾水累積入滲量、入滲率和濕潤鋒運移距離均隨含沙率的增加而減小，而落淤層厚度隨渾水含沙率的增加而增大；入滲初期(0 ～ 20 min)的落淤層厚度較小，入滲中期(20 ～ 130 min)的落淤層厚度增加較快，而其厚度增加速率逐漸變小，入滲后期的落淤層厚度穩(wěn)定增加；隨著渾水含沙率的增大，滯留現(xiàn)象越明顯，落淤層細顆粒相對含量越少，粗顆粒相對含量越多；滯留層細顆粒相對含量隨著含沙率的增加而增多，其物理性黏粒含量顯著高于原土壤，特別是在入滲深度為0 ～ 1 cm處。

渾水含沙率；一維垂直入滲；入滲特性；致密層；土壤顆粒組成

我國黃河流域大部分區(qū)域均處在干旱半干旱地區(qū)，該地區(qū)雨量稀少而集中，水資源嚴重不足[1-2]，且水土流失十分嚴重，致使黃河成為世界上含沙量最高的河流[3-4]。為解決水資源短缺問題，該地區(qū)一些灌區(qū)結合自身流域特點及生產(chǎn)實際，開展了引渾淤灌[5-6]。多年來，引渾淤灌的實踐證明，渾水灌溉不僅緩減了該地區(qū)的旱情，而且顯著提高了土壤肥力，改善土壤結構，促進作物增產(chǎn)提質[7-8]。渾水灌溉與清水灌溉的本質區(qū)別在于灌溉水中挾帶泥沙，渾水入滲過程中泥沙顆粒易在土壤表層沉積形成致密層使得土壤結構發(fā)生變化，從而改變了水分入滲的上邊界條件，影響了土壤的入滲機制[9-11]，因此現(xiàn)有的清水入滲條件下的有關灌溉研究成果已不再適用于渾水條件下應用，渾水入滲機理亟待研究。

渾水入滲過程中致密層的形成，將土壤變成了上實下松的雙層結構，其中土壤上層致密層是整個水分入滲的控制層，對水分入滲起到關鍵作用，即渾水灌溉條件下，土壤的入滲能力將主要受渾水泥沙致密層的影響[12]。致密層的形成包含兩種性質不同的現(xiàn)象：一種是泥沙顆粒沉積形成落淤層，落淤層對水分入滲的影響增加了入滲介質層，延長了水分進入土體的路徑；另一種是泥沙顆粒滯留形成滯留層，入滲滯留改變的是介質層內(nèi)顆粒級配，使得土壤孔隙發(fā)生變化，減小了水分入滲通道[13]。關于渾水入滲的研究，目前國外相關報道較少，目前有文獻報道的僅有Bouwer等[14]曾針對大池塘滲漏問題對渾水入滲規(guī)律進行了探討，主要研究了渾水泥沙沉積中的泥沙顆粒運動狀況對滲流的影響特性。國內(nèi)學者對渾水入滲問題的研究重點在于落淤層對入滲的影響，沒有考慮滯留層的影響，曹惠提等[15]通過一維垂直入滲試驗，探討了渾水土壤一維垂直入滲特性及其影響因素，指出渾水降低了土壤入滲能力，這主要與渾水含沙率和泥沙中物理性黏粒含量有關；費良軍和王文焰[16]基于不同的已知條件和影響因素，提出了3個渾水間歇入滲模型；汪志榮等[17]提出了基于不同含沙率的渾水波涌灌入滲的Green-Ampt模型；費良軍等[18]、鐘韻等[19]、劉利華等[20]、張全菊等[21]對渾水膜孔灌入滲特性及影響因素進行了一系列研究，指出渾水中泥沙對土壤入滲能力影響顯著。以上針對渾水入滲的研究均只簡單闡述渾水入滲特性及其影響因素，而未涉及到田面地表土壤孔隙、泥沙沉積致密層形成與發(fā)展規(guī)律等方面，而渾水灌溉的入滲機制較清水更為復雜。因此，本文擬基于現(xiàn)有研究成果，開展渾水含沙率對一維垂直入滲特性及致密層形成特性的影響研究，以期為進一步深入探討渾水灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在西安理工大學西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室進行，試驗土樣為粉砂壤土(美國制標準USDA)，采自西安市灞橋區(qū)，風干碾碎后過2 mm篩，土壤初始質量含水量為0.03 kg/kg，土壤飽和質量含水量為0.37 kg/kg，物理性黏粒含量為25.06%，飽和導水率為0.017 2 cm/min，田間持水量為0.26 kg/kg，土壤顆粒組成通過Mastersizer-2000型激光粒度分析儀測定，粒徑在≤0.002mm，0.002mm<≤0.05mm，0.05mm<≤2 mm分別占12.58%、74.98%、12.44%，各粒徑含量為體積分數(shù)。將從黃河流域涇惠渠灌區(qū)渠底取得的泥沙風干后過1 mm篩后，通過稱重法人工調(diào)配成質量含沙率分別為3%、6%、9% 和12% 的渾水，其泥沙顆粒級配組成見表1。

表1 渾水泥沙的顆粒級配組成

1.2 試驗方法

渾水一維垂直入滲試驗裝置由兩部分組成：土柱和馬氏瓶。試驗土柱采用內(nèi)徑為12 cm、高60 cm的有機玻璃制成，壁厚10 mm。試驗前將土柱內(nèi)壁清理干凈，土樣按照干容重1.40 g/cm3分層(5 cm)稱重均勻裝入土柱，采用夯實工具將土壤壓實到預定高度后，在土壤表面覆膜，靜置24 h。試驗過程中通過加裝有自動攪拌系統(tǒng)的馬氏瓶調(diào)整水室水頭為2.5 cm，使渾水的含沙率維持在穩(wěn)定的范圍。入滲結束后每隔1 cm取土30 g左右，烘干碾碎過2 mm篩后，測定各層的土壤顆粒組成。每組試驗均進行3次重復，取其平均值進行結果分析。

1.3 測定項目

渾水灌溉后土壤的結構見圖1所示，本文將致密層分成落淤層和滯留層兩個部分來分析。

圖1 渾水入滲后土壤結構示意圖

1)累積入滲量：按照先密后疏的時間間隔通過馬氏瓶讀取。

2)濕潤鋒運移距離：由于所用風干土壤顏色較淡，濕潤體顏色顯著加深，因此，在透明有機玻璃外壁上定時描繪出不同入滲時刻所對應的濕潤鋒的位置及形狀，試驗結束后進行測量。

3)落淤層厚度：土樣均勻裝入試驗土柱后，在透明有機玻璃土柱外壁標記上表土位置，將土柱表土處的標記作為表土“本體”和落淤層“客體”的分界線；入滲開始后，每隔5 min使用精度為0.01 mm的游標卡尺測量從表土標記處到落淤層表面的距離即為落淤層厚度，待厚度變化穩(wěn)定后逐漸加大時間間隔，直至入滲結束。

4)落淤層、滯留層顆粒組成：采用Mastersizer- 2000型激光泥沙粒度儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用統(tǒng)計學中均方根誤差(RMSE)、偏差百分比(PBIAS)和平均絕對誤差(MAE)3個指標，對計算值與試驗觀測值之間的符合度進行評價分析。其中，RMSE和MAE越接近0、PBIAS<±10% 時，表示計算值與試驗觀測值差異越小，兩者吻合越好。各指標定義如下：

式中：x為第個觀測值；y為第個計算值；為數(shù)據(jù)總個數(shù)。

2 結果與討論

2.1 含沙率對入滲特性的影響

2.1.1 含沙率對入滲能力的影響 反映土壤入滲能力的指標為累積入滲量和入滲率。由圖2、圖3可以看出，不同渾水含沙率的累積入滲量隨著入滲歷時的延長不斷增大，而入滲率則不斷變小，最終趨于穩(wěn)定。入滲歷時相同時，累積入滲量和土壤入滲率隨渾水含沙率的增加而減小。當渾水含沙率由3% 增大至12% 時，入滲結束時其累積入滲量由7.90 cm減少至4.90 cm，降幅為37.97%；相對應的穩(wěn)定入滲率由0.021 6 cm/min降低至0.010 3 cm/min，降幅為52.31%，表明含沙率對渾水一維垂直入滲能力影響顯著。這與文獻[22-23]的研究結論類似，其中王全九等[23]將渾水泥沙對一維垂直入滲能力的減滲原因歸咎于渾水泥沙對濕潤鋒處吸力的減小，并且研究表明濕潤鋒處平均吸力與渾水含沙率呈負相關關系。土壤渾水入滲特性與土壤自身特性和渾水含沙率密切相關[20, 24]，渾水入滲時，泥沙顆粒逐漸在土壤表面掛淤落於，沉積在土壤表層(落淤層)，并伴隨著入滲水將細顆粒帶入土壤孔隙中，渾水泥沙滯留減少了表層土壤的孔隙率(滯留層)，形成一個密度較大的致密層[23]。這個致密層阻滲作用強，而渾水中含沙率越大，該致密層形成越快、越密實，對土壤的入滲能力影響越大。

圖2 一維入滲土壤累積入滲量曲線

圖3 一維入滲土壤入滲率曲線

研究表明，不同渾水含沙率的累積入滲量與入滲歷時的關系曲線均符合Kostiakov入滲模型。

利用式(4)擬合累積入滲量與入滲歷時的關系曲線結果見表2，擬合的決定系數(shù)均接近于1，表明利用Kostiakov入滲模型建立的相關關系顯著。從表2可以看出，隨著渾水含沙率的增大，入滲系數(shù)減小，表明隨著渾水含沙率的增大，入滲開始后第一個單位時段內(nèi)渾水單位面積累積入滲量減少；而入滲指數(shù)隨之逐漸增大，表明隨著入滲時間的延長，渾水含沙率越大，其入滲率衰減的速率較快，最終達到了穩(wěn)滲階段。研究表明，入滲系數(shù)與入滲指數(shù)隨著含沙率的變化十分明顯，其關系為[22, 25]：

式中：0、0分別為清水的入滲系數(shù)和入滲指數(shù)；為渾水含沙率，%；、、、為擬合參數(shù)。

對表2 數(shù)據(jù)進行擬合得：

經(jīng)分析，入滲系數(shù)和入滲指數(shù)與渾水含沙率關系擬合的決定系數(shù)均接近1。將式(7)和式(8)代入式(4)得到以渾水含沙率和入滲歷時為自變量的渾水一維垂直入滲的累積入滲量模型，即：

0≤≤2109)

表2 不同渾水含沙率的渾水累積入滲量擬合參數(shù)

為評價該經(jīng)驗模型的精確度，利用相同試驗條件下渾水含沙率為5% 的試驗資料驗證，通過式(9)計算該渾水含沙率的累積入滲量，試驗實測值與模型計算值對比結果見表3?？梢钥闯?，試驗實測值與模型計算值的相對誤差均在±10% 以內(nèi)，兩者的RMSE、PBIAS和MAE分別為0.14 cm、–2.40% 和0.11 cm，RMSE和MAE都接近0，|PBIAS|<10%，表明該經(jīng)驗模型計算精度較高。

表3 累積入滲量實測值與計算值對比表(ρ=5%)

2.1.2 含沙率對濕潤鋒運移的影響 由圖4可以看出，入滲歷時相同時，濕潤鋒運移距離隨渾水含沙率的增加而減小，如渾水含沙率由3%增大至12% 時，入滲結束時其濕潤鋒運移距離由21.15 cm減少至17.75 cm，降幅為16.08%，表明渾水含沙率對濕潤鋒運移距離影響顯著，這與白瑞等[11]的研究結果相似。這主要是由于渾水入滲時，渾水中泥沙逐漸在土壤表面掛淤落於，形成一個密度較大的致密層，而渾水含沙率越大，該致密層形成越快越密實，對水分的阻滲作用越強，因此導致其濕潤鋒運移距離越小。

圖4 一維入滲濕潤鋒運移曲線

經(jīng)分析，渾水入滲濕潤鋒運移距離與入滲歷時之間符合冪函數(shù)規(guī)律，即：

式中：為濕潤鋒運移距離(cm)；為濕潤鋒擬合系數(shù)；為濕潤鋒擬合指數(shù)。

利用式(10)對圖4中實測數(shù)據(jù)擬合的結果見表4。經(jīng)研究表明，擬合系數(shù)、擬合指數(shù)與渾水含沙率關系為[22, 25]：

式中：0、0分別為清水入滲濕潤鋒的擬合系數(shù)和指數(shù)；、、、為擬合參數(shù)。

對表4 數(shù)據(jù)擬合得：

0≤≤210(15)

表4 不同渾水含沙率的一維垂直入滲濕潤鋒擬合參數(shù)

為評價該經(jīng)驗模型的精確度，利用相同試驗條件下渾水含沙率為5% 的試驗資料驗證發(fā)現(xiàn)，試驗實測值與模型計算值的相對誤差均在±11% 以內(nèi)，兩者的RMSE、PBIAS和MAE分別為0.48 cm、–3.14%和0.39 cm，RMSE和MAE都接近0，|PBIAS|<10%，表明該經(jīng)驗模型計算精度較高。

2.2 含沙率對致密層形成特性的影響

2.2.1 含沙率對落淤層厚度的影響 由圖5可以看出，不同含沙率對應的落淤層厚度均隨入滲歷時的增大而不斷增大；相同入滲歷時，落淤層厚度隨渾水含沙率的增加而增大，入滲結束時，含沙率為3%、6%、9%、12% 的落淤層厚度分別為3.02、3.56、4.51、5.29 mm。入滲初期(0 ～ 20 min)，落淤層厚度較小，這主要是由于渾水中泥沙顆粒伴隨著入滲水將進入到土壤孔隙中，主要以滯留層形式進入到土壤表面，所以落淤層厚度小得無法測量。入滲中期(20 ～ 130 min)的落淤層厚度增加較快，隨著入滲歷時的增大，厚度增加速率逐漸變小，這是由于隨著渾水累積入滲量的增加，土壤孔隙逐漸被泥沙顆粒填充，渾水中泥沙小顆粒繼續(xù)洗入到土壤孔隙中，以滯留形式進入到土壤，而渾水中較大泥沙顆粒則沉積在土體表面形成落淤層，入滲過程中落淤層逐漸加厚，阻塞入滲通道，并延長了水分進入土體的路徑，使得土壤導水能力變?nèi)?，進一步阻礙渾水入滲，由于渾水入滲量減小，供水速度減慢，導致落淤層厚度增加速率逐漸變小。入滲后期(130 ～ 210 min)的落淤層厚度隨著入滲時間穩(wěn)定增加，此時土壤表面致密層已經(jīng)形成，泥沙顆粒主要以落淤層形式沉積于土壤表面，渾水入滲能力隨入滲時間減小的幅度較小，所以落淤層厚度增幅也逐漸趨于基本穩(wěn)定。

圖5 不同渾水含沙率下落淤層厚度隨入滲時間的變化曲線

研究表明，渾水一維垂直入滲落淤層厚度隨入滲時間的變化曲線符合冪函數(shù)關系，根據(jù)兩者的關系構造如下冪函數(shù)模型：

式中：為落淤層厚度(mm)；、為擬合系數(shù)和擬合指數(shù)。

利用式(16)對圖5中實測數(shù)據(jù)擬合的結果見表5。可以看出，擬合的決定系數(shù)均接近于1，擬合系數(shù)和擬合指數(shù)均隨著渾水含沙率增大而不斷增大，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)擬合系數(shù)和擬合指數(shù)與渾水含沙率之間均呈線性正相關關系。

表5 不同渾水含沙率的一維垂直入滲落淤層厚度擬合參數(shù)

將式(17)和式(18)代入式(16)可得到以渾水含沙率和入滲歷時為自變量的渾水一維垂直入滲的落淤層厚度計算模型，即：

0≤≤210 (19)

利用相同試驗條件下渾水含沙率為5% 的試驗資料對該經(jīng)驗模型進行驗證發(fā)現(xiàn)，試驗實測值與模型計算值兩者的相對誤差均在±15% 以內(nèi)，兩者的RMSE、PBIAS和MAE分別為0.17 mm、–6.14% 和0.15 mm，RMSE和MAE都接近0，|PBIAS|<10%，表明該經(jīng)驗模型計算精度較高。

2.2.2 含沙率對致密層顆粒組成的影響 由圖6A的落淤層土壤顆粒組成含量曲線可知，在灌水結束時，不同渾水含沙率的落淤層中土壤細顆粒含量均低于渾水泥沙，大顆粒含量均高于渾水泥沙，表明渾水入滲過程中存在滯留現(xiàn)象，細顆粒進入了原土壤中，即損失了部分細顆粒的泥沙沉積在表層土壤形成落淤層。以渾水泥沙的顆粒組成為對照，含沙率為3%、6%、9%、12% 的落淤層對應的黏粒相對含量減幅依次為3.82%、25.95%、29.01% 和48.09%，表明隨著渾水含沙率的增大，滯留現(xiàn)象越明顯，落淤層細顆粒損失越多使得其相對含量越少；砂粒相對含量增幅依次為17.04%、37.53%、42.89% 和52.56%，表明隨著渾水含沙率的增大，滯留現(xiàn)象越明顯，落淤層粗顆粒相對含量越多。落淤層土壤顆粒分析結果見表6，可以看出，不同渾水含沙率的落淤層土壤物理性黏粒含量顯著低于渾水泥沙，以渾水泥沙的顆粒組成為對照，渾水含沙率3%、6%、9%、12% 的落淤層對應的物理性黏粒含量0.01減幅依次為16.72%、42.55%、46.30% 和61.50%，表明渾水中泥沙含量越大，細顆粒伴隨著入滲水洗入到土體的越多，其沉積在土壤表面形成落淤層的相對含量越少。

(A. 落游層；B. 滯留層0～1 cm；C. 滯留層1～2 cm；D. 滯留層1～3 cm)

表6 入滲結束后不同渾水含沙率的入滲致密層土壤顆粒分析結果

注：0.01表示泥沙顆粒級配中小于0.01 mm的粒徑體積含量，其是渾水泥沙顆粒中十分活躍的部分，其含量直接影響渾水入滲規(guī)律。表中同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示差異達<0.05顯著水平，下表同。

3 結論

1)渾水累積入滲量和入滲率隨含沙率的增加而減小，不同含沙率下的累積入滲量與入滲歷時的關系均符合Kostiakov模型，其中入滲系數(shù)與含沙率呈冪函數(shù)負相關關系，入滲指數(shù)與含沙率呈冪函數(shù)正相關關系。

2)濕潤鋒運移距離隨渾水含沙率的增加而減小，不同含沙率下的濕潤鋒運移距離與入滲歷時之間符合冪函數(shù)關系，其中擬合系數(shù)和擬合指數(shù)與含沙率均呈指數(shù)函數(shù)負相關關系。

3)不同渾水含沙率對應的落淤層厚度均隨入滲歷時的增大而不斷增大，兩者符合冪函數(shù)關系，擬合系數(shù)和擬合參數(shù)均隨著含沙率增大而不斷增大，兩者與含沙率之間均呈線性正相關關系；相同入滲歷時，落淤層厚度隨渾水含沙率的增加而增大。

4)隨著渾水含沙率的增大，滯留現(xiàn)象越明顯，落淤層細顆粒相對含量越少，物理性黏粒含量均顯著低于渾水泥沙，粗顆粒相對含量越多；滯留層細顆粒相對含量隨著含沙率的增加而增多，其物理性黏粒含量顯著高于原土壤，特別是在入滲深度為0 ～ 1 cm處。

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Effect of Sediment Concentration of Muddy Water on One-dimensional Vertical Infiltration Characteristics and Dense Layer Formation Characteristics

ZHONG Yun1,2, FEI Liangjun3, ZHU Shijiang1,2*, HE Jun1,2, KANG Shouxuan3

(1 Engineering Research Center of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, China Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002, China; 2 Water Conservancy and Environmental Sciences, China Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002, China; 3 State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Sediment in water is the essential difference between the irrigation of muddy and clean water. The one-dimensional vertical infiltration experiment with muddy and clean water was conducted to reveal the influence of sediment concentration in muddy water on one-dimensional vertical infiltration characteristics and dense layer formation. Four sediment concentrations (3%, 6%, 9%, 12%) were set up to study the effects of sediment concentration on one-dimensional vertical infiltration capacity, wetting front movement distance, soil particle composition in dense layer and the thickness of deposition layer. The models of cumulative infiltration and the wet front movement distance with sediment concentration in muddy water and infiltration duration as independent variables were proposed respectively, and the relationship between the thickness of deposition layer and the infiltration duration of one-dimensional vertical infiltration of muddy water with different sediment concentrations were established. The results showed that the increase of sediment concentration in muddy water, the cumulative infiltration, the infiltration rate and the movement distance of wetting front of muddy water all decreased, while the thickness of deposition layer increased. The thickness of the deposition layer was small at the initial stage of infiltration (0-20 min), increased rapidly in the middle stage of infiltration (20-130 min) but the increasing rate gradually decreased, and increased steadily in the late infiltration stage.With the increases of sediment concentration in muddy water, the sediment retention became more obvious, so the fine particles decreased while the coarse particles increased in the deposition layer. The fine particles increased in the stranded layer with the increase of sediment concentration, and the physical clay particles was significantly higher than that of the original soil, especially at 0-1 cm infiltration depth.

Sediment concentration of muddy water; One-dimensional vertical infiltration; Infiltration characteristics; Dense layer; Soil particle composition

S275.3

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.03.022

鐘韻, 費良軍, 朱士江, 等. 渾水含沙率對一維垂直入滲特性及致密層形成特性的影響. 土壤, 2022, 54(3): 602–609.

國家自然科學基金項目(52079105、52000120)和湖北省水利重點科研項目(HBSLKY201919)資助。

(784471206@qq.com)

鐘韻(1992—)，男，江西宜春人，博士，講師，主要從事節(jié)水灌溉研究。E-mail: zhongyunjx92@163.com