不同容重土壤對單坑入滲土壤含水率的影響

范鵬飛，孫西歡

（1.太原理工大學(xué) 山西太原 030024；2.山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理公司 山西太原 030002）

近年來水資源逐漸匱乏，農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和生活用水都受到了不同程度的影響，因此節(jié)水灌溉技術(shù)的研究勢在必行。由于自然條件的限制、我國北方水資源尤為短缺、降雨年內(nèi)分配極不均勻，導(dǎo)致我國黃土高原地區(qū)面臨極度缺水和干旱的現(xiàn)象。針對以上問題，孫西歡教授提出了一種適用于山丘區(qū)果園灌溉的新型節(jié)水灌水方法——蓄水坑灌法[1]，這一方法具有傳統(tǒng)地面灌溉方法不具有的優(yōu)點(diǎn)，可稱之為中深層結(jié)構(gòu)的立體灌溉方法，具有節(jié)水、保水抗旱、防止水土流失、充分利用當(dāng)?shù)氐孛鎻搅?，并形成良性水循環(huán)的特點(diǎn)[2-3]。土壤容重是影響水分入滲的一個(gè)重要因素，而田間的土壤因地理位置不同，土壤容重存在著差異，目前，還尚未見到有關(guān)土壤容重對單坑條件下水分分布的相關(guān)報(bào)道，前人沒有對這方面做過研究。因此，本文針對土壤容重，對單坑入滲濕潤體和含水率的分布規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)土壤與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)土壤

本次試驗(yàn)土壤取自于山西省太谷縣北洸村，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土。土壤剖面是自上而下的垂直切面。取土?xí)r，土壤剖面的位置必須具有代表性，不能在土層被破壞的地帶及田埂旁邊布置剖面。

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)根據(jù)田間蓄水坑的實(shí)際情況進(jìn)行簡化處理，因?yàn)樾钏铀秩霛B為軸對稱入滲，因此取蓄水坑的1/12土體（30°扇形柱體）進(jìn)行研究。

試驗(yàn)土箱是自制加工的，半徑為1.0 m，高為1.2 m。采用10 mm厚，長×寬為100 cm×120 cm的有機(jī)玻璃板粘合而成，并用角鋼固定，以確保有機(jī)玻璃板成30°角不變形。在模型的銳角部設(shè)水室。水室用3 mm厚的有機(jī)玻璃板制成，高為60 cm,半徑為16 cm?；⌒蚊嫔暇鶆虻劂@1 mm的孔，裝土?xí)r在水室與土體之間設(shè)銅網(wǎng)，防止向坑內(nèi)注水時(shí)沖刷坑壁。底部采用不透水的有機(jī)玻璃板，以防止水分的深層滲漏（如圖1所示）。本次試驗(yàn)的擋板設(shè)置在45 cm處，擋板的位置可以根據(jù)不同的坑距進(jìn)行調(diào)整。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)的確定

本次試驗(yàn)坑深取60 cm，坑半徑取15 cm，模型注水量為6 L。

圖1 蓄水坑灌實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)方案

在土箱中分別裝容重為1.3 g/cm3,1.4 g/cm3和1.47 g/cm3的土壤。用馬氏筒向水室中灌水6 L。在灌水后的1，2，3，5 h等整點(diǎn)，用記號筆在土箱的側(cè)壁直接描繪出濕潤鋒形狀；在灌水后的第1，3，5，7天 (與前面符號一致)，在距蓄水坑中心軸20 cm，25 cm，30 cm，35 cm，40 cm處用土鉆以10 cm為單位進(jìn)行取土，用所取土壤測量土壤含水率。含水率采用烘干法測量，進(jìn)而分析濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律和水分運(yùn)動分布規(guī)律。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 土壤容重對濕潤體和濕潤鋒的影響

圖2 容重1.3g/cm3不同時(shí)刻濕潤鋒推進(jìn)狀況

圖3 容重1.4g/cm3不同時(shí)刻濕潤鋒推進(jìn)圖

由以圖2,圖3,圖4可以看出：

1）單坑入滲過程中，水分從坑壁向垂直和水平方向入滲。從圖中可以看出剛開始水平推進(jìn)距離明顯大于垂直推進(jìn)距離，經(jīng)過一段時(shí)間后垂直推進(jìn)加快，但是水平推進(jìn)速度仍大于垂向推進(jìn)速度。這是由于土壤中水分入滲主要受到土壤基質(zhì)勢和重力勢的作用，在水分入滲初期，土壤基質(zhì)勢對水分運(yùn)移起決定作用，因此水分水平運(yùn)移為主要表現(xiàn)形式；而經(jīng)過一段時(shí)間入滲后，土壤基質(zhì)勢作用逐漸減弱，重力勢逐漸增強(qiáng)，因而水分向前向下運(yùn)移，形狀趨于橢球形；在土壤不同容重條件下，濕潤體的形狀具有相似性，均為橢球狀。土壤容重對土壤水分入滲速度有影響，不同容重土壤，容重小的土壤濕潤鋒前進(jìn)速度大于容重大的土壤中的濕潤鋒前進(jìn)速度。

2）從圖中還可以得出，濕潤鋒的推進(jìn)速度隨著時(shí)間的推移逐漸變慢。這主要是因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，坑內(nèi)水位逐漸降低，水勢梯度逐漸減小的緣故。

圖4 容重1.47g/cm3不同時(shí)刻濕潤鋒推進(jìn)圖

3.2 土壤含水率徑向分布規(guī)律分析

以土壤容重為1.3 g/cm3、1.4 g/cm3和1.47 g/cm3為例，分別做灌后1，3，5，7天距地表平面距離不同處土壤徑向含水率分布圖，圖5和6分別為不同容重土壤第1天和第5天的土壤徑向含水率分布圖(注：本論文均用的為體積含水率)，如下所示:?

圖5 第一天z=50cm處不同容重土壤含水率徑向規(guī)律圖

圖6 第五天z=50cm處不同容重土壤含水率徑向規(guī)律圖

從上圖可以看出：

1）不同容重的土壤曲線形狀基本相同，且隨著徑向距離r的增大，含水率逐漸減小。

2）相同容重土壤，在同一位置，含水率隨著時(shí)間的推移逐漸減小。

3）不同容重土壤，土壤容重大的，在徑向上距離水室近的土壤含水率大，而在徑向上距離水室遠(yuǎn)處，隨時(shí)間推移容重大的土壤含水率比容重小的小。這是因?yàn)橥还嗨吭谙嗤臅r(shí)間內(nèi)，土壤容重大的濕潤體小，平均含水率大，而容重大的土壤濕潤鋒推進(jìn)的慢，所以距離水室近的地方土壤容重大含水率大。

3.3 土壤含水率垂向分布規(guī)律分析

圖7和圖8分別為不同容重土壤第1天和第5天土壤垂向含水率分布圖：

圖7 第一天r=30cm處不同容重土壤含水率規(guī)律圖

從上圖可以看出：

1）曲線形態(tài)相同，隨著垂向距離的增大，土壤含水率先增大后減小，在50～70cm處,含水率達(dá)到最大。這體現(xiàn)了蓄水坑灌法中深層灌溉的優(yōu)越性。

2）含水率的峰值隨著時(shí)間的推移逐漸向下推移。這是因?yàn)樵谒秩霛B的再分布階段，水分運(yùn)移分布受到重力勢的作用，水分在不斷地向前向下運(yùn)移，因此含水率的峰值逐漸向下推移。

3）在同一徑向距離上，在距離地表面60cm左右，容重大的土壤含水率比容重小的土壤含水率大，這是因?yàn)槿葜卮蟮耐寥浪挚偹畡荩ㄖ亓莺突|(zhì)勢之和）比容重小的土壤大。

4 結(jié)論

通過對不同容重土壤對單坑入滲影響的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：不同容重土壤的濕潤體分布形狀具有相似性，都近似為橢球形；容重大的土壤徑向含水率在靠近水室的地方比容重小的土壤含水率大；土壤含水率隨著垂向距離的增大，先增大后減小。

［1］孫西歡.蓄水坑灌法及其水土保持作用［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2002(3):130-131

［2］栗巖峰.非均質(zhì)土中蓄水多坑水分運(yùn)動的數(shù)值模擬與試驗(yàn)分析［D］.太原：太原理工大學(xué),2003:21

［3］郭向紅.單坑注水量對單坑入滲濕潤體影響的試驗(yàn)研究［J］.山西水利2005(4):67-69