入滲水頭對鹽堿土水分運(yùn)移影響數(shù)值模擬研究

羅 朋

（山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002）

為緩解區(qū)域水危機(jī)，尤其是在淡水資源缺乏而咸水資源較豐富的鹽堿地分布區(qū)，充分利用區(qū)域內(nèi)的水土資源，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，采用先進(jìn)的灌水方法是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢。鹽漬土是一種世界性的低產(chǎn)土壤，由于我國水資源短缺和土地資源的日益減少和退化，實行節(jié)水灌溉，提高土壤生產(chǎn)能力，改良和利用鹽漬化土壤已成為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、合理利用水資源和土地資源的一個重要問題。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對鹽堿土的灌溉利用及改良方面做了大量的研究工作，特別是在鹽堿土壤中實施節(jié)水灌溉對土壤水鹽運(yùn)動和作物生長的影響是許多學(xué)者十分關(guān)注的熱點問題，這就需要了解不同灌溉條件下的土壤水鹽運(yùn)動規(guī)律。在不同節(jié)水灌溉方式對土壤水鹽運(yùn)移的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者在噴灌、重力滴灌及地下滲灌做了一些研究工作[1-3]，關(guān)于不同水頭對土壤水鹽運(yùn)動的影響，國內(nèi)外學(xué)者大多研究了入滲水頭對土壤水分運(yùn)動的影響[4-5]，對在鹽堿土壤中不同入滲水頭對土壤水分運(yùn)動的影響的研究還較少。實際上，研究不同水頭對土壤水分變化的影響，對鹽堿土壤的水鹽運(yùn)移特征有重要作用，它是鹽堿土實施重力滴灌和地下滲灌技術(shù)的一個重要理論依據(jù)。本文針對鹽堿土在不同入滲水頭條件下土壤水分運(yùn)移特征進(jìn)行分析，通過室內(nèi)土柱試驗來揭示不同入滲水頭下鹽堿土垂直入滲對土壤中水分運(yùn)移的影響進(jìn)行模擬，為在節(jié)水灌溉條件下鹽堿地區(qū)的水分管理、鹽堿土壤的改良提供可靠的理論依據(jù)和現(xiàn)實指導(dǎo)。

1 試驗材料與方法

1.1 供試土壤

土樣取自甘肅省民勤縣雙茨鄉(xiāng)裕民村，取土深度40 cm。土樣的選取共分5個采樣點兩個地方，取回后土壤經(jīng)過摻拌過2 mm篩子，使土樣均勻并經(jīng)自然風(fēng)干。采用烘干法測定風(fēng)干土壤初始含水率為2.51%，采用重量法測得土壤初始含鹽量為1.634%。

1.2 試驗處理和方法

為研究鹽土在垂直入滲條件下，入滲水頭和初始容重對鹽土水分含量變化的影響，進(jìn)行了一維垂直入滲試驗。試驗裝置包括試驗土柱、供水設(shè)備及其他測量裝置。入滲水采用無二氧化碳的蒸餾水。土柱試驗土壤容重分別為 1.35 g/cm3，1.45 g/cm3和 1.50 g/cm3，進(jìn)行了在5個不同入滲水頭（2.5 cm，5 cm，10 cm，15 cm，20 cm）下的垂直入滲試驗。

2 結(jié)果與分析

土壤入滲特性是反映土壤入滲過程中濕潤鋒隨時間的變化規(guī)律以及土壤累積入滲量和入滲速率的變化特征。在積水入滲條件下，土壤中水分的運(yùn)動過程受表層土壤與下層土壤的水勢梯度（基質(zhì)勢梯度）及重力作用的影響，使水在土壤孔隙中做不穩(wěn)定運(yùn)動。

2.1 濕潤鋒與時間的擬合關(guān)系

對試驗處理下濕潤鋒的推進(jìn)距離與入滲時間的實測數(shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)行分析，表明濕潤鋒的推進(jìn)距離和入滲時間關(guān)系可用冪函數(shù)來描述：

式中：l——濕潤鋒推進(jìn)距離，cm；

t——推進(jìn)時間，min；

a，b——擬合參數(shù)。

對實測數(shù)據(jù)資料進(jìn)行擬合[6]，擬合結(jié)果見表1。

表1 不同水頭作用下濕潤鋒與時間的關(guān)系擬合參數(shù)

由表1可以看出，不同容重以及不同水頭條件下的土壤濕潤鋒遷移與入滲時間的關(guān)系均呈顯著的冪函數(shù)相關(guān)。

在濕潤鋒遷移距離和入滲時間的關(guān)系式中，系數(shù)a為第一分鐘末的濕潤鋒推進(jìn)距離，它是土壤質(zhì)地、土壤初始含水量等因素控制條件下反映土壤濕潤鋒推進(jìn)速度快慢的重要參數(shù)之一，也是反映入滲初期施加在土壤表面水勢梯度大小的重要因子。

在同一種土容重條件下，隨著入滲水頭的增加，冪函數(shù)中的系數(shù)a呈增加趨勢，而指數(shù)參數(shù)b則呈降低趨勢。為定量描述入滲水頭對參數(shù)a和b的影響，繪出不同水頭與參數(shù)a和b的關(guān)系，如圖1所示。

由圖1可以看出，在三種土壤容重條件下，參數(shù)a與入滲水頭的關(guān)系呈對數(shù)函數(shù)相關(guān)，同一水頭條件下，容重對參數(shù)a的影響較小，說明初期的土壤入滲主要受土壤表層與干土層水勢梯度的影響，水頭的增加提高了水勢梯度，使?jié)駶欎h前進(jìn)速率增加，表現(xiàn)為參數(shù)a增大。同時參數(shù)b與入滲水頭的關(guān)系呈線性負(fù)相關(guān)，但與土壤容重相比，入滲水頭對參數(shù)b的影響很小，土壤容重與參數(shù)b符合二次拋物線關(guān)系。

將參數(shù)a與入滲水頭的關(guān)系式和土壤容重與參數(shù)b的關(guān)系代入（1）式，就得到了考慮入滲水頭和土壤容重條件下濕潤鋒的推進(jìn)距離和入滲時間的擬合關(guān)系，如式（2）所示：

2.2 累積入滲量與時間的擬合關(guān)系

圖1 γ=1.50入滲水頭、容重和參數(shù)a，b的關(guān)系

由試驗各處理下的累積入滲量與入滲時間的實測數(shù)據(jù)關(guān)系分析得出，不同土壤容重在不同入滲水頭條件下累積入滲量隨時間的變化曲線趨勢與濕潤鋒的推進(jìn)距離和入滲時間關(guān)系曲線基本相同。分析表明，累積入滲量隨時間關(guān)系曲線也可用冪函數(shù)來描述，即常用的Kostiakov入滲經(jīng)驗公式：

式中：I——累積入滲量，cm；

t——推進(jìn)時間，min；

A，B——擬合參數(shù)。

在累積入滲量和時間的變化關(guān)系式中，系數(shù)A為第一分鐘末的累積入滲量，在土壤質(zhì)地、土壤初始含水量等因素一定的情況下，它是反映土壤入滲能力大小的重要參數(shù)之一。隨著入滲時間的增加，進(jìn)入土體的水分逐漸增加，被濕潤的土體越來越大，即累積入滲量隨時間逐漸增加。

表2 不同水頭作用下累積入滲量與時間擬合參數(shù)值

由表2可以看出，參數(shù)A和參數(shù)B都隨入滲水頭的增大而增大，且入滲擬合相關(guān)系數(shù)R均在0.99以上，呈顯著冪函數(shù)關(guān)系。入滲初期，土體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生較大的變化，入滲過程主要靠基質(zhì)勢梯度和重力梯度影響作用進(jìn)行增滲。隨著入滲的進(jìn)行，在入滲水頭壓力和重力的作用下，使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表層土體發(fā)生消散和分散，并受壓力而致密，從而減小土壤的空隙，使土壤的導(dǎo)水性和透水性相對減弱，也就是土壤水分輸運(yùn)速度減慢，導(dǎo)致土壤入滲各個參數(shù)的整體減慢。

為定量描述入滲水頭對參數(shù)A和參數(shù)B的影響，繪出不同水頭與A和B的關(guān)系，如圖2所示。

由圖2可以看出，三個容重對參數(shù)A在入滲水頭的影響很小，這是因為A為入滲初始第一分鐘末的累積入滲量，說明初期的土壤入滲主要受土壤表層與干土層水勢梯度的影響，水頭的增加提高了水勢梯度，使?jié)駶欎h前進(jìn)速率增加，表現(xiàn)為參數(shù)A增大；同一水頭條件下，隨著容重的增大，參數(shù)A也增大，但影響較小。同時可以看出，同一容重下參數(shù)B與入滲水頭呈線性正相關(guān)，隨著入滲水頭的增大，參數(shù)B增大；同一入滲水頭下，隨著容重的增大，參數(shù)B增大，且隨入滲水頭的增大各容重間參數(shù)B增大的差異變大。

3 結(jié)語

通過對鹽堿土垂直一維入滲試驗數(shù)據(jù)分析，研究了不同入滲水頭下濕潤鋒、累積入滲量與時間的關(guān)系，結(jié)果表明：一是隨著入滲水頭的增加，入滲速率逐漸減小，濕潤鋒和累積入滲量均可表示為時間的冪函數(shù)，且相關(guān)性很好，提出了考慮入滲水頭和土壤容重條件下濕潤鋒的推進(jìn)距離和入滲時間的關(guān)系式；二是不同土壤容重在不同入滲水頭條件下，累積入滲量隨時間的變化也可用冪函數(shù)來描述，其中參數(shù)A受土壤容重和入滲水頭的影響較小，而參數(shù)B隨著入滲水頭的增加呈線性增加趨勢，隨著土壤容重的增加呈降低趨勢。

圖2 γ=1.50入滲水頭、容重和參數(shù)A和B的關(guān)系

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