干縮開裂黃褐土非飽和水平吸滲特征研究

張展羽 范世敏 王 策 劉 陽 齊 偉

(1．河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室，南京210098; 2．河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京210098)

干縮開裂黃褐土非飽和水平吸滲特征研究

張展羽1，2范世敏1，2王 策1，2劉 陽1，2齊 偉1，2

(1．河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室，南京210098; 2．河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京210098)

通過室內(nèi)水平吸滲試驗，結(jié)合Matlab數(shù)字圖像處理與形態(tài)學(xué)算法，在黃褐土土壤中添加秸稈模擬不同生長期作物根系密度，對干縮開裂黃褐土中的非飽和水平吸滲及濕潤鋒推移特征進行研究。結(jié)果表明:不同秸稈密度處理裂縫穩(wěn)定形態(tài)面積密度和裂縫平均寬度差異顯著(p＜0.05)，當秸稈密度由0 cm/cm3增加到1.5 cm/cm3時裂縫面積密度和裂縫平均寬度分別減小為1.73%、0.071 cm，隨著秸稈密度增大土壤穩(wěn)定形態(tài)裂縫面積密度與裂縫平均寬度顯著減小。秸稈添加間接影響入滲過程歷時，但土壤最終累積入滲量無顯著差異。裂縫的存在導(dǎo)致入滲率發(fā)生波動現(xiàn)象，且在入滲前中期尤為明顯;未開裂土和開裂土累積入滲量隨時間的變化關(guān)系均符合Kostiakov經(jīng)驗入滲模型，其經(jīng)驗參數(shù)與秸稈密度有關(guān)，擬合方程達到顯著水平。引入濕潤鋒均勻系數(shù)對水平吸滲不均勻性進行評價，土壤裂縫面積密度及裂縫平均寬度越大入滲初期的水分不均勻性特征越明顯，均勻系數(shù)隨著時間推移逐漸減小;根據(jù)濕潤鋒推進速率隨時間的變化特征，開裂黃褐土土壤的水平吸滲過程可以分為3個階段，即初始裂隙流階段、穩(wěn)滲基質(zhì)流階段和吸滲末期階段。

干縮裂縫;秸稈添加;水平吸滲;入滲率;濕潤鋒

引言

非飽和帶土壤作為一種復(fù)雜的多孔介質(zhì)，是水鹽運移、污染物遷移必經(jīng)途徑以及土壤水分交換的重要樞紐。自然條件下，土壤干燥失水會導(dǎo)致干燥鋒下降，基質(zhì)吸力上升，微觀顆粒組成結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，顆粒間的吸應(yīng)力增加并超過其間的膠結(jié)力，土體由于干縮而產(chǎn)生裂縫，裂縫開裂于土壤弱勢區(qū)。裂縫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增加了土壤水鹽運移的空間變異性，使得水流不再遵循傳統(tǒng)的達西定律，而是繞過土壤基質(zhì)，通過優(yōu)先通道［1－2］直接進入土壤深層或地下水中。這些灌溉水或降水未能與土壤基質(zhì)充分混合或被作物充分吸收而損失。研究表明，植物根系能夠?qū)ν馏w起到錨固和加筋作用［3］，土壤中添加秸稈還會對水分特征產(chǎn)生影響［4］。因此，基于秸稈影響下的裂縫網(wǎng)絡(luò)水分非飽和入滲運移規(guī)律的探究，越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。

土壤開裂導(dǎo)致的空間變異性影響非飽和入滲，是農(nóng)業(yè)工程、水文學(xué)、土壤學(xué)等學(xué)科的交叉課題。STIRK［5］認為土壤的入滲能力與土壤含水率相關(guān)，含水率較高時裂縫發(fā)育不充分，裂縫幾乎不影響土壤入滲性能，而當含水率小于凋萎系數(shù)時，裂縫能顯著提升入滲率。KRISNANTO等［6］根據(jù)水量平衡原理對開裂土壤橫向流進行模型建立與驗證，建立的模型能夠較好地預(yù)測通過水平裂縫網(wǎng)絡(luò)的側(cè)向流量。MOUSAVI等［7］基于4種不同質(zhì)地土壤研究了秸稈添加對土壤性質(zhì)的影響，結(jié)果表明添加秸稈可增加土壤含水率，降低土壤容重，并能夠延緩?fù)寥懒芽p的形成。TABUCHI［8］研究表明不同強度降雨條件下土壤裂縫能顯著增大入滲量，并且提供優(yōu)先通道。LIU等［9］研究了多變量對開裂水稻土入滲速率的影響，表明入滲速率隨著裂縫吸水閉合而減小，甚至低于原狀土。文獻［10］研究表明，稻稈還田能夠有效地減小稻田土壤裂縫的數(shù)量、寬度以及深度，從而間接阻斷稻田水分流失通道，提高農(nóng)田水分有效利用系數(shù)，達到節(jié)水灌溉的目的。MILLER等［11］和NUR等［12］認為干濕循環(huán)能顯著增大裂縫的強度因子，且裂縫的位置不會隨著干濕循環(huán)的進行而改變。楊和平等［13］表明干濕循環(huán)僅影響部分土壤裂縫的幾何參數(shù)，第一次循環(huán)能顯著增大裂縫寬度、深度及裂縫率。蔡光華等［14］發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)能提高土壤開裂程度，增加裂縫數(shù)量。BLAKE等［15］采用水流標記法研究了土壤干縮裂縫的水分補償效應(yīng)。ZHANG等［16］分析了不同條件下水稻土裂縫干濕循環(huán)能夠增大水流入滲率，但僅限于犁底層之上。HUANG［17］應(yīng)用數(shù)學(xué)方程分析的方法表明多孔介質(zhì)隔層將產(chǎn)生不穩(wěn)定濕潤鋒。FAVRE等［18］研究了水稻土在不同給水條件下的膨脹規(guī)律，發(fā)現(xiàn)裂縫優(yōu)先流在土壤吸水中并不是一個持續(xù)穩(wěn)定的物理過程。張展羽等［19－20］結(jié)合計算機數(shù)字圖像處理技術(shù)探究了不同玉米根系含量和鹽分梯度對土壤裂縫發(fā)育的影響以及多級干濕循環(huán)對農(nóng)田土壤干縮裂縫演變特征的影響，明晰了干濕循環(huán)下農(nóng)田土壤裂縫網(wǎng)絡(luò)開閉規(guī)律。綜上所述，目前對于土壤裂縫的發(fā)育規(guī)律以及垂直方向的優(yōu)先流已經(jīng)有較為系統(tǒng)的研究，但是對土壤裂縫非飽和水平吸滲特征還未進行深入的定量化研究。

本文結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，通過對黃褐土土壤試樣添加不同密度秸稈進行裂縫培養(yǎng)和水平自由吸滲試驗，基于測定的不同入滲參數(shù)定量分析均質(zhì)薄層土與裂縫網(wǎng)絡(luò)存在時的入滲差異性，明晰裂縫吸水閉合動態(tài)過程濕潤鋒的推移傳輸機理，揭示裂縫網(wǎng)絡(luò)下復(fù)雜的非飽和入滲特征，以期為揭示變固相骨架下的非飽和水分運移規(guī)律，指導(dǎo)農(nóng)田精量灌溉，提高農(nóng)田灌溉效率提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

供試土樣取自河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室試驗田(31.86°N、118.60°E，海拔高度8 m)的旱地土壤表層(0～20 cm)，該地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候，以丘陵地貌為主。供試土壤田間持水率為 31.5%，凋萎系數(shù)15.0%，依據(jù)國際制土壤質(zhì)地分類方法進行土壤分類，土壤理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤物理特性Tab．1 Physical properties of tested soil

為了達到試驗預(yù)期效果，去除土壤中植物殘留的根系及石塊等雜物，將試驗用土先過8 mm金屬網(wǎng)篩后置于通風(fēng)處自然風(fēng)干，再將風(fēng)干土過3 mm金屬網(wǎng)篩進行二次篩選得到均質(zhì)土樣以備待用。本文中的秸稈為水稻稈，稻稈取自河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室試驗田，去除稻稈干葉，用卷尺測量稻稈長度并記錄，用剪刀將稻稈進行剪切，每段長為3 cm待用。

1.2 試驗方案設(shè)計

試驗中稻稈密度取0、0.5、1.0、1.5 cm/cm3，分別用以模擬無作物、拔節(jié)期、灌漿期及成熟期土壤中作物根系密度［21］，記為CK、A、B、C，每組試驗設(shè)置3個重復(fù)，每個重復(fù)稱取待試土樣6 400 g并按試驗設(shè)計取稻稈密度添加至土樣中，攪拌均勻，按原容重回填至有機玻璃裝置中央?yún)^(qū)域邊長為40 cm的正方形位置，回填厚度為32mm，每鋪10mm用橡膠錘均勻夯實，并且在回填下一層時將其下層土樣表面進行打毛處理，以避免上下土層之間出現(xiàn)結(jié)構(gòu)和水動力學(xué)特性突變等不必要的內(nèi)邊界［22］，減小對裂縫發(fā)育及入滲過程的影響。

圖1 試驗裝置示意圖Fig．1 Schematic diagrams of experimental setup

試驗裝置由馬氏瓶、供水室、儲土室、數(shù)碼相機組成(圖1)。水平吸滲試驗左端設(shè)定為第一類邊界條件(無壓飽和邊界)，右端為自由出流邊界。試驗中采用馬氏瓶提供固定水頭將水流輸送至供水室，水頭水位控制與土壤試樣高度平齊，供水強度取決于試驗土樣的入滲性能。整個入滲過程采用數(shù)碼相機定時拍照記錄水分運移過程以及表面裂縫遇水閉合過程并且記錄相機拍照時刻馬氏瓶相應(yīng)讀數(shù)，當所有土樣浸水濕潤裝置右端出流時，入滲過程結(jié)束。當入滲結(jié)束時，采用保鮮膜覆蓋儲土室，使土樣充分吸水飽和，24 h后揭開保鮮膜，用電子秤監(jiān)測各處理土樣的含水率。此時干燥試驗開始，控制實驗室溫度為(25±2)℃，相對濕度為50% ±10%，當土樣表面出現(xiàn)穩(wěn)定裂縫，每隔8 h進行含水率測定，連續(xù)3次監(jiān)測土樣質(zhì)量相對變化在±0.3%時，認為土樣干燥完成，裂縫發(fā)育已達到穩(wěn)定狀態(tài)。試驗過程可近似看作水平二維平面入滲，忽略重力對本試驗的影響。

試驗所用電子秤型號為香海XH-8301，量程60 kg，精度為1.0 g;所用相機為Canon EOS 60D，分辨率5 184像素×3 456像素。為確保所得圖像拍攝距離、位置以及環(huán)境等外部因素的一致性，將相機調(diào)整為AV模式，用相機三腳架在固定位置安裝固定相機，同時將相機閃光燈關(guān)閉且遮蔽實驗室外界光源，僅使用日光燈進行均勻照射。

1.3 數(shù)字圖像處理及數(shù)據(jù)提取

1.3.1 裂縫圖片處理

為了消除試驗裝置邊緣對土壤裂縫的影響，采用Photoshop CC2014軟件的動作路徑功能進行裂縫圖像裁剪的批量高效預(yù)處理，以裝置中央?yún)^(qū)域中心為裁剪參照點，得到儲土室中央?yún)^(qū)域38 cm×38 cm作為研究區(qū)域，所對應(yīng)的圖像分辨率設(shè)置為254像素/in。結(jié)合Matlab 2014a圖像處理及形態(tài)學(xué)算法模塊，采用張展羽等［19］提出的裂縫數(shù)字圖像處理技術(shù)進行裂縫幾何參數(shù)的批量提取。處理基本方法為圖像預(yù)處理、灰度化、二值化、去除雜點、骨架提取、裂縫分割以及數(shù)據(jù)輸出等。

1.3.2 濕潤鋒圖片處理

將得到的水平入滲過程圖像導(dǎo)入 Photoshop CC2014進行上述批量預(yù)處理步驟，在數(shù)字圖像中，因吸水濕潤區(qū)域相較于干燥區(qū)域顏色更為灰暗，其反映在灰度圖像上為濕潤區(qū)域灰度更接近于零，因此可以利用灰度來自動化識別濕潤區(qū)域與干燥區(qū)域。預(yù)處理所得圖片為RGB圖像，將其轉(zhuǎn)換為灰度圖像，為了進一步增強濕潤區(qū)與干燥區(qū)的邊界，適當調(diào)整圖像對比度，采用自適應(yīng)閾值分割的方法進行圖像二值化處理，初步得到水平入滲過程圖像。

1.3.3 裂縫及入滲參數(shù)提取

通過對上述處理所得二值圖像進行Matlab編程計算，得到土壤裂縫穩(wěn)定形態(tài)幾何參數(shù)及入滲過程相關(guān)參數(shù)如下:

裂縫面積密度

式中 Rc——裂縫面積密度，%

Ai——單裂縫i的面積，cm2

A0——研究區(qū)域面積，cm2

n——研究區(qū)域裂縫總條數(shù)

裂縫長度密度

式中 Lc——裂縫長度密度，cm/cm2

Li——單裂縫i的骨架長度，cm

裂縫連通度K為裂縫交叉點數(shù)與裂縫節(jié)點數(shù)之比，計算公式為

式中 Nbp、Nep——裂縫交叉點數(shù)與端點數(shù)

裂縫平均寬度定義為研究區(qū)域土壤裂縫面積與裂縫長度之比，計算公式為

水平最大入滲距離(cm)計算式為

式中 bi——濕潤峰二值圖像矩陣順水流方向單列元素之和，編程計算

水平最小入滲距離(cm)計算式為

水平入滲濕潤面積(cm2)計算式為

式中 bw——濕潤峰二值圖像矩陣所有元素之和，編程計算

2 結(jié)果與分析

2.1 裂縫穩(wěn)定形態(tài)

4種不同秸稈密度影響下穩(wěn)定形態(tài)裂縫網(wǎng)絡(luò)分布如圖2所示。由圖2可以看出，不同秸稈密度處理的土壤裂縫面積密度、裂縫平均寬度等均有較大的差異。

圖2 不同秸稈密度下穩(wěn)定形態(tài)裂縫分布圖Fig．2 Stable crack morphology graphs with different rice straw densities

對面積密度、長度密度、連通度、裂縫平均寬度以及穩(wěn)定含水率進行統(tǒng)計，各參數(shù)均取3個重復(fù)的平均值，并對結(jié)果采用最小顯著差異法(LSD)進行顯著性分析(表2)。結(jié)果表明，不同秸稈密度處理裂縫穩(wěn)定形態(tài)面積密度和裂縫平均寬度差異顯著(p＜0.05)，CK處理的裂縫面積密度平均值約為C處理的5倍，說明隨著秸稈密度的增加，其錨固作用現(xiàn)象明顯，開裂薄弱區(qū)的開裂程度由于該秸稈-土壤顆粒之間應(yīng)力的束縛而明顯減弱，致使整個裂縫網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)支離破碎的形態(tài)，秸稈密度越大裂縫穩(wěn)定形態(tài)平均寬度和裂縫面積密度越小，添加秸稈能明顯降低裂縫的開裂程度。

表2 裂縫穩(wěn)定形態(tài)幾何參數(shù)及含水率統(tǒng)計Tab．2 Statistics of geometry param eters and moisture content w ith stable crack morphology

2.2 土壤水分非飽和入滲特性

2.2.1 累積入滲量

根據(jù)試驗結(jié)果，未開裂土和開裂土實測累積入滲量隨時間的變化關(guān)系如圖3所示。當試驗區(qū)土壤試樣完全浸潤時，一個入滲過程結(jié)束。由圖3可知，同一處理開裂土的入滲過程較未開裂土延長，對于不同處理的開裂土，秸稈密度越小入滲過程歷時越長。而對于不同處理的未開裂土，CK處理的入滲歷時較其他3個處理明顯縮短，處理A與處理B入滲歷時相似，處理C次之。通過對比圖3最終累積入滲量可知，各處理最終累積入滲量無明顯差別(均為2 500mL左右)。由于土壤秸稈密度相對于土壤體積較小，因此對土壤入滲過程未產(chǎn)生過大的影響，而秸稈作用主要體現(xiàn)在對裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)、裂縫寬度、面積和連通性的影響，其通過改變裂縫的特征間接影響了開裂土入滲規(guī)律。

圖3 累積入滲量隨時間的變化趨勢Fig．3 Changing trends of cumulative infiltration volume with experiment time

分析圖3趨勢表明，未開裂土和開裂土實測累積入滲量隨時間的變化均呈良好的函數(shù)關(guān)系，本研究采用Kostiakov經(jīng)驗入滲模型分別對其進行擬合

式中 I——累積入滲量，mL

t——入滲時間，s

α、β——經(jīng)驗常數(shù)，取決于土壤及入滲初始條件

m、n、k、s——回歸系數(shù)，與添加秸稈密度有關(guān)

d——土壤中添加的秸稈密度，cm/cm3

根據(jù)試驗資料采用最小二乘法進行參數(shù)擬合，結(jié)果如表3所示。擬合方程決定系數(shù)均達顯著水平。

表3 回歸系數(shù)擬合統(tǒng)計Tab．3 Statistics of coefficient regression fitting

由上述結(jié)果可知，未開裂土和開裂土累積入滲量與不同秸稈密度存在較好的函數(shù)擬合關(guān)系，土壤添加秸稈條件下Kostiakov經(jīng)驗入滲修正模型為

該模型揭示了添加不同秸稈密度土壤累積入滲量隨時間的變化規(guī)律，表明秸稈與土壤入滲間的密切關(guān)系，土壤累積入滲量變化受秸稈密度的影響。

2.2.2 入滲率隨時間的變化

根據(jù)不同秸稈密度未開裂土和開裂土入滲率與時間的關(guān)系，得到如圖4所示的入滲率隨時間的變化趨勢。為了研究土壤吸滲過程入滲率變化規(guī)律，將各處理未開裂土入滲率隨時間的變化進行趨勢線擬合以便對比觀察開裂土入滲規(guī)律，對于各處理開裂土壤，入滲率隨時間變化較為復(fù)雜，入滲初期入滲率大于未開裂土，水分傳輸以優(yōu)先流的形式進行，入滲中期入滲率在未開裂土入滲率趨勢線上下波動，表明此時裂縫閉合入滲過程優(yōu)先流與基質(zhì)流并存相互影響，最后入滲率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。形成波動的主要原因是由于垂直于入滲方向的縱向裂縫阻斷了水分在土壤中的連續(xù)傳導(dǎo)。入滲初期由于干燥土壤基質(zhì)吸力較大，水分入滲速率較快，因此縱向裂縫阻隔了水分傳遞，入滲出現(xiàn)了明顯的波動現(xiàn)象;而入滲中后期，由于入滲路徑變長而水力梯度變小，土壤水分入滲速率變小，塊區(qū)膨脹速率優(yōu)先于入滲速率，裂縫在水分傳導(dǎo)到達之前充分閉合，水分傳導(dǎo)可看作連續(xù)的基質(zhì)流，入滲率波動現(xiàn)象消失。觀察圖4可知，隨著土壤中秸稈密度的增加，水平吸滲入滲率數(shù)據(jù)點離散程度逐漸減小，開裂土的入滲率隨時間變化越來越接近未開裂土入滲率變化趨勢，這是由于秸稈密度增大導(dǎo)致土壤開裂程度減小。

2.3 濕潤鋒變異特征評價

2.3.1 濕潤鋒不均勻性

為了定量評價并比較水分在開裂土壤中入滲的不均勻性，4組開裂土壤水平吸滲過程中濕潤鋒的最大入滲距離Zmax和最小入滲距離Zmin隨時間的變化關(guān)系如圖5所示，并且引入濕潤鋒均勻系數(shù)，定義為

由圖5可以看出，水平入滲初期4組土壤的最大入滲距離均極速增大，均勻系數(shù)隨時間的變化關(guān)系如圖6所示，初始均勻系數(shù)由大到小表現(xiàn)為:CK、A、B、C，表明土壤的裂縫面積密度及平均寬度越大，入滲初期的水分運移不均勻性特征越明顯，此時水流模式呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)先流現(xiàn)象。初始時刻土壤均處于干燥開裂狀態(tài)，裂縫寬度越大，水分在裂隙中運移速率越快，水分以優(yōu)先流的形式在土壤中快速傳輸。隨著入滲的進行，土壤開始閉合，最大和最小入滲距離的變化曲線最終閉合，二者形成閉合圈的不規(guī)則程度能定性反映吸滲過程的不均勻性。觀察均勻系數(shù)曲線可知，裂縫面積密度越大，吸滲過程的濕潤鋒不均勻性特征越明顯，均勻系數(shù)隨著時間推移逐漸減小，裂縫發(fā)育程度越高，入滲中期均勻系數(shù)越大。

圖4 入滲率隨時間的變化趨勢Fig．4 Changing trends of infiltration rate with experiment time

圖5 入滲距離隨時間的變化趨勢Fig．5 Changing trends of infiltration distance with experiment time

圖6 均勻系數(shù)隨時間的變化趨勢Fig．6 Changing trends of uniformity coefficientwith experiment time

2.3.2 濕潤鋒推進速率

將不同時段內(nèi)濕潤鋒平均入滲距離與時間的比值作為該時段的濕潤鋒推進速率，得到如圖7所示的濕潤鋒推進速率與時間的關(guān)系曲線。由于土體開裂后被分割為多個獨立的塊區(qū)，在濕潤鋒水平推進過程中，開裂土體中單塊區(qū)吸水膨脹，當濕潤鋒到達該塊區(qū)邊界時，水分傳導(dǎo)介質(zhì)被裂縫阻斷，直到周圍塊區(qū)吸水膨脹與下個塊區(qū)完全接觸時，水分傳導(dǎo)才能繼續(xù)進行。根據(jù)濕潤鋒推進速率隨時間的變化特征結(jié)合吸滲過程的視覺描述，定性地將土壤吸滲過程分為3個階段(不同階段典型流動模式如圖8所示):

階段Ⅰ:初始裂隙流階段。該階段濕潤鋒推進速率上下波動劇烈變化，進水口為飽和邊界，水流通過裂縫迅速向前推進形成指流(圖8a)，濕潤鋒推進不均勻程度極大，裂縫塊區(qū)內(nèi)部為局部基質(zhì)流，入滲率主要由裂隙決定，在裂隙流推進的過程中，裂縫逐漸閉合導(dǎo)致推進速率放緩，當裂隙流到達該塊區(qū)邊界時，水流傳輸通道被裂縫阻斷，暫時停滯，在垂直于水流方向同一裂縫斷面的各塊區(qū)均吸水膨脹裂縫閉合后，水流才能繼續(xù)向前推進。該階段稱為初始裂隙流階段，持續(xù)時間較短，約占整個吸滲過程的1/5。

階段Ⅱ:穩(wěn)滲基質(zhì)流階段。該階段同一水平各塊區(qū)吸水膨脹，濕潤鋒推進速率大致相同，整體水流以基質(zhì)流形式向前推進(圖8b)，濕潤鋒不均性減小，此時土壤裂隙閉合，濕潤峰推進速率放緩。該階段持續(xù)時間最長，約占整個吸滲過程的3/5。

階段Ⅲ:吸滲末期階段。該階段整塊開裂土壤幾乎吸水閉合，濕潤鋒推進速率較階段II開始逐漸減小，濕潤鋒在同一剖面上基本形成類似未開裂土的水平推進(圖8c)。該階段持續(xù)時間約占整個吸滲過程的1/5。

圖7 濕潤鋒推進速率隨時間的變化趨勢Fig．7 Changing trends of average wetting front advance rate with experiment time

圖8 水平吸滲典型流動模式圖Fig．8 Typical flow patterns of horizontal water flow

3 結(jié)論

(1)添加秸稈影響土壤裂縫穩(wěn)定形態(tài)裂縫發(fā)育程度。當秸稈密度由0 cm/cm3增加到1.5 cm/cm3時，土壤裂縫面積密度和裂縫平均寬度分別減小為1.73%、0.071 cm，且二者組內(nèi)差異均達到顯著水平，表明添加秸稈能明顯降低裂縫的開裂程度。

(2)土壤裂縫面積密度與裂縫平均寬度越大，其水平吸滲過程歷時越長，對開裂土最終累積入滲量無明顯影響;秸稈密度越大，土壤開裂程度越小，開裂土入滲過程優(yōu)先流現(xiàn)象削弱，開裂土壤入滲率隨時間的變化產(chǎn)生波動現(xiàn)象，且越來越小最終趨向于穩(wěn)定;未開裂土和開裂土累積入滲量隨時間的變化關(guān)系符合Kostiakov經(jīng)驗入滲模型，擬合方程決定系數(shù)達到顯著水平。

(3)引入濕潤鋒均勻系數(shù)對水平吸滲不均勻性進行評價，土壤裂縫的面積密度及裂縫平均寬度越大，入滲初期的水分不均勻性特征越明顯，均勻系數(shù)隨著時間推移逐漸減小;根據(jù)濕潤鋒推進速率隨時間的變化特征，可以將水平吸滲過程分為3個階段:初始裂隙流階段、穩(wěn)滲基質(zhì)流階段和吸滲末期階段。

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Characteristics of Unsaturated Horizontal Infiltration in Desiccation Cracks Yellow Cinnamon Soil

ZHANG Zhanyu1，2FAN Shimin1，2WANG Ce1，2LIU Yang1，2QIWei1，2
(1．Key Laboratory of Efficient Irrigation-Drainage and Agricultural Soil-Water Environment in Southern China，Ministry of Education，Hohai University，Nanjing 210098，China 2．College ofWater Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China)

An indoor experiment was conducted to investigate the characteristics of the unsaturated horizontal infiltration and wetting front advance in cracked yellow cinnamon soil，by incorporating different densities of straws to simulate the different growth stages of crop root，combined with digital image processing and Matlabmorphology algorithm．The results showed that the stable forms of soil crack were significantly different in treatments of different straw incorporations(p＜0.05)．A downward trend in crack area ratio and crack width(respectively decreased to 1.73%and 0.071 cm)was observed with the increasing straw incorporation from 0 cm/cm3to 1.5 cm/cm3．Fracture area density and the average crack width of soil stable formswere significantly decreased with straw density increased．The discharge time of horizontal infiltration was affected by the degree of soil cracking．Cumulative infiltration into uncracked soil and cracking soil changed with time was in line with the empirical model proposed by Kostiakov，the parameters ofwhich were closely related to straw densities．The changes of fitting equation reached significant level．The uniformity coefficient of the wetting front was introduced to evaluate the non-uniformity of the horizontal absorption．The initial non-uniformity wasmore obviouswith the increase of soil crack area density and average crack width．The uniformity coefficient was decreased with time．The greater the crack area and the average crack width of soilwere，themore obvious the characteristics of non-uniformity in initial stage of infiltration became．According to the changing characteristics of thewetting front forward speed changed with time，the horizontal infiltration process in cracked soils can be divided into three stages:the initial stage of crack flow，the stage of steadymatrix flow and the late stage of horizontal infiltration．

soil cracks;straw incorporation;horizontal infiltration;infiltration rate;wetting front

S152.7

A

1000-1298(2017)07-0214-08

2017-04-16

2017-05-25

國家自然科學(xué)基金項目(51579069、51179050)、高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃(111計劃)項目(B12032)、江西省水利科技項目(KT201507)和江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(YS11001)

張展羽(1957—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事灌溉排水理論及技術(shù)研究，E-mail:zhanyu@hhu．edu．cn

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．027