賀蘭山西麓綠洲土壤水分的入滲特性

鄭 策, 盧玉東, 郭建青, 李環(huán)環(huán)

(1.長安大學 環(huán)境科學與工程學院, 陜西 西安 710054; 2.長安大學 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室, 陜西 西安 710054)

賀蘭山西麓綠洲土壤水分的入滲特性

鄭 策1,2, 盧玉東1,2, 郭建青1,2, 李環(huán)環(huán)1,2

(1.長安大學 環(huán)境科學與工程學院, 陜西 西安 710054; 2.長安大學 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室, 陜西 西安 710054)

[目的] 研究賀蘭山西麓腰壩綠洲土壤水分入滲特性，為當?shù)睾侠砝盟Y源和農(nóng)田灌溉提供理論依據(jù)。[方法] 在當?shù)剡x取21個試驗點進行野外雙環(huán)入滲試驗，利用不同入滲公式對實測結果進行擬合，并通過多元分析及地統(tǒng)計學方法分析土壤水分入滲特性。[結果] Horton公式的擬合結果相關系數(shù)高達0.963，相對誤差與均方根誤差分別僅為4.09%與0.046 mm/min，擬合精度要優(yōu)于Philip公式與Kostiakov公式，且模型參數(shù)具有較好的物理意義。土壤質地對入滲過程有顯著性影響，土壤中含砂量越高，入滲速率越大，達到穩(wěn)定所需時間越短，而土壤容重與初始含水率則分別對累積入滲量及初始入滲率有一定影響。穩(wěn)定入滲率最大值約為最小值的12倍，變異系數(shù)高達0.677，且由東北向西南呈現(xiàn)遞減的趨勢。[結論] Horton公式適用于描述腰壩綠洲土壤水分入滲過程，土壤性質差異對入滲過程有較大影響，同時在空間上入滲率也存在較強變異性。

土壤水分; 雙環(huán)試驗; Horton公式; 入滲規(guī)律; 腰壩綠洲

入滲是指水分從土壤表面進入土壤內(nèi)部形成土壤水的過程，同時也是降水、地表水、土壤水、地下水相互轉化的重要環(huán)節(jié)[1]。土壤水分入滲是一個復雜的過程，受到土壤質地、容重、初始含水率及地下水位等多因素的影響，同時在時空分布上也存在著較多的不確定性。國內(nèi)外學者對水分入滲特性已進行了大量的研究，如劉芝芹等[2]研究了金沙江流域土壤水分入滲特征，結果表明Kostiakov公式模擬雙環(huán)入滲法測得的入滲過程效果最佳；Duan等[3]模擬了不同入滲公式對草地的適用性，結果表明修正Kostiakov公式擬合效果最佳，而Philip公式擬合效果較差；宋小帥等[4]研究了典型森林類型的土壤水文效應，結果表明Horton模型擬合結果最接近實測值；肖慶禮等[5]研究了黑河中游綠洲不同質地土壤水分入滲情況，結果表明不同質地土壤水分入滲與再分布存在明顯差異；武敏等[6]研究了不同質地土壤水分入滲規(guī)律，結果表明壤砂土達到穩(wěn)定入滲所需時間少于砂壤土及粉砂壤土。

雖然以往的研究取得了相當多的成果，但大多都是集中在水量相對充足的灌區(qū)之中，對干旱區(qū)的關注則相對較少。并且受土壤性質及周圍環(huán)境的影響，土壤入滲規(guī)律往往具有一定的地域性。對于像腰壩綠洲這類地區(qū)，由于沒有地表水流，日常生活與農(nóng)業(yè)灌溉用水都要靠開采地下水，連年的過量開采導致當?shù)氐叵滤徊粩嘞陆?，并因此引發(fā)了一系列水資源問題。因此了解當?shù)赝寥浪秩霛B過程，為其合理利用水資源提供指導成為亟待解決的問題?；诖四康?，本文擬以野外雙環(huán)入滲試驗為基礎，利用不同入滲公式擬合實測結果，確定適用于腰壩綠洲的最優(yōu)入滲公式。并通過多元分析及地統(tǒng)計學方法分析不同土壤參數(shù)對入滲過程的影響以及入滲特性的空間變異性，以期為腰壩綠洲合理利用水資源、指導當?shù)剞r(nóng)田灌溉提供科學依據(jù)[7]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

腰壩綠洲位于38°25′—38°36′N，105°32′—105°39′E,是內(nèi)蒙古阿拉善高原的主要農(nóng)牧區(qū)之一，行政區(qū)劃隸屬內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗巴潤別立鎮(zhèn)，面積約81.2 km2，地勢總體呈東高西低。試驗區(qū)內(nèi)的氣候屬于典型的大陸性干旱氣候，夏季酷熱而冬季寒冷，全年降雨稀少，氣候干旱。年平均降雨量僅為198 mm，而平均蒸發(fā)量卻達到2 394 mm。腰壩綠洲位于賀蘭山西麓山前傾斜洪積平原水文地質區(qū)，賦存有多層結構的孔隙水及承壓水，地下水的埋深由東北向西南逐漸變淺[8]。

1.2 試驗方法

本次野外試驗采用定水頭雙環(huán)入滲方法[9]，雙環(huán)為同心環(huán)，內(nèi)、外環(huán)直徑分別為20，40 cm，環(huán)高40 cm，試驗時將雙環(huán)插入地表下20 cm，并在環(huán)底鋪墊3～5 cm的小礫石作為緩沖層，防止表層的砂土被沖起。入滲時采用手動加水的方法，保持內(nèi)外環(huán)的水頭始終在5 cm處不變。試驗剛開始時，每3 min記錄加入的水量，隨著單位時刻入滲量的減少，逐步調整為每5，10，20 min記錄。每個點均觀測150 min(試驗點達到穩(wěn)定入滲的時間基本不超過120 min)，隨后計算每時刻的入滲速率。

由于試驗區(qū)內(nèi)的地下潛水位由東北向西南不斷變淺，故沿著地下水流方向在試驗區(qū)由東北向西南布置2條平行的試驗線，共計21個試驗點。在每個點進行入滲試驗之前，在其旁邊就近開挖1 m深坑，從地表起每隔20 cm分別用100 cm3環(huán)刀與鋁盒取原狀土樣，每晚將當日環(huán)刀所取土樣送往當?shù)厮苷具M行烘干試驗測定其容重及初始含水量；野外試驗結束后在室內(nèi)利用Bettersize 2000激光粒度分布儀對鋁盒所取土樣進行顆粒分析試驗，并對照國際制土壤質地分類標準命名，試驗點的土壤質地共分為壤砂土、砂壤土與粉壤土3類；利用GPS定位儀確定各點的經(jīng)緯度。具體試驗點參數(shù)如表1所示。

1.3 入滲公式擬合

不同入滲公式具有不同的側重點，選擇最適用于研究區(qū)的入滲公式是了解當?shù)厝霛B過程的基礎[10]。本文選取在土壤入滲研究中最常用的Horton公式、Philip公式和Kostiakov公式作為研究對象，利用回歸分析方法分別對野外試驗得到的實測數(shù)據(jù)進行擬合，并確定各公式的入滲參數(shù)。

Horton公式：

ft=fc+(f0-fc)e-kt

(1)

Philip公式：

(2)

Kostiakov公式：

ft=nt-α

(3)

式中：ft——開始入滲后t時刻的入滲速率(mm/min)；fc——穩(wěn)定后的入滲速率(mm/min)；f0——入滲初始時刻的入滲速率(mm/min)；t——時間(min)；k，A，n，α——相關入滲經(jīng)驗參數(shù)。具體擬合方法參考文獻[11]。

表1 試驗點土壤特性參數(shù)

2 結果與討論

2.1 入滲公式的適用性評價

分別利用Horton公式、Philip公式與Kostiakov公式對實測入滲數(shù)據(jù)進行擬合，結果如圖1所示。因篇幅限制，3種質地分別以砂壤土4號點、壤砂土5號點與粉壤土18號點為例。

由圖1的擬合結果可以明顯看出，Horton公式擬合效果最好，而Philip公式與Kostiakov公式擬合的結果與實測值相比則有一定差距。

為了具體評價入滲公式的適用性，選取相關系數(shù)(R)、相對誤差(RE)、均方根誤差(RMSE)作為評價指標。不同入滲公式擬合結果如表2所示，其中RMSE通過下式計算[12]。

(4)

式中：fti——該試驗點第i個時間點的入滲公式擬合值；fti′——該試驗點第i個時間點的雙環(huán)試驗實測值；n——該試驗點入滲過程的記錄點數(shù)。

圖1 實測值與擬合值對比

統(tǒng)計值Horton公式RRE/%RMSE/(mm·min-1)Philip公式RRE/%RMSE/(mm·min-1)Kostiakov公式RRE/%RMSE/(mm·min-1)最大值0.9987.820.0970.9939.020.1210.98510.540.138最小值0.9022.110.0210.9042.670.0430.8821.980.032平均值0.9634.090.0460.9427.810.0540.9328.590.061

注：R表示相關系數(shù)；RE表示相對誤差； RMSE表示均方根誤差。

由表2結果可知，Horton公式擬合結果的相關系數(shù)R平均值最高，為0.963，Philip公式次之，Kostiakov公式值最小，表明Horton公式擬合效果最好。而Horton公式的相對誤差RE與均方根誤差RMSE的平均值分別為4.09%與0.046 mm/min，均為3個公式最小，表明Horton公式擬合誤差最小。

由Philip公式擬合得到穩(wěn)定入滲率fc值，其與實測的fc值對比如表3所示?？梢钥闯鲈跀M合得到的fc中，共有5個點為負值，不符合實際情況。其余為正值的點，平均相對誤差為15.26%，而其中11號點與15號點均超過了30%，與實測值相比有較大的差距。表明Philip公式并不適用于腰壩綠洲。

表3 Philip公式實測fc值與擬合fc值比較

而Kostiakov公式由于本身較為簡單，導致擬合的結果在首尾兩端往往與實測值不符。由圖1也可以看出，在初始時刻，入滲速率往往偏大，在時間較長時，入滲速率又小于穩(wěn)定入滲率，不符合實際情況。但在給定的時間長度內(nèi)，該公式使用較為簡便及精確。若需更廣泛的應用，還需對公式作進一步的改善。例如Lewis在Kostiakov公式的基礎上，引入了fc，提出了Kostiakov公式的三參數(shù)形式，適用范圍則更廣泛。

綜合來看，Horton公式擬合精度要優(yōu)于Philip公式與Kostiakov公式，式中的參數(shù)有良好的實際意義，可被用來描述當?shù)赝寥浪秩霛B過程。

2.2 土壤參數(shù)對入滲過程的影響

土壤水分入滲過程受到土壤質地、容重、初始含水率、地下水位及入滲時間等多因素綜合影響，在本次試驗過程中，由于地下水位普遍大于10 m，同時所有試驗點采用統(tǒng)一入滲時間，可忽略地下水位及入滲時間對試驗的影響，因而主要影響因素為土壤參數(shù)。利用SPSS軟件分析試驗數(shù)據(jù)可知，土壤質地對入滲過程具有顯著性影響，其決定系數(shù)R2高達0.89，而土壤容重及初始含水率對入滲過程的影響則相對較小，且是基于同一土壤質地基礎之上，下面具體討論各個參數(shù)對入滲過程的影響。

2.2.1 土壤質地 為了定量研究不同質地土壤對入滲過程的影響，分別統(tǒng)計了壤砂土、砂壤土、粉壤土的野外試驗實測初始入滲率f0，穩(wěn)定入滲率fc及穩(wěn)定入滲時間t的分布，如表4所示。由于野外所有點觀測時間均為150 min，在作出入滲速率圖后，假定若10 min內(nèi)入滲速率相差小于0.01 mm/min，即認為達到穩(wěn)定入滲。

回想自己“被選擇”的經(jīng)歷，梅先生卻有了另一番感悟：“相比較現(xiàn)代社會的選擇太多，誘惑太多，當年的‘被選擇’也未必就是件壞事。被選擇了，卻省去了許多時間來做思前想后的考慮，迷茫也少些；被選擇了，也不會有太多的彎路讓人去走?！浂簧幔鹗社U’。任何一件事，你只要堅持，就是專家?！?/p>

由表4中數(shù)據(jù)可以看出，不同質地土壤入滲規(guī)律差異較大，以初始入滲率為例，最大的壤砂土入滲速率為2.218 mm/min,而最小的粉壤土僅為0.144 mm/min?？傮w上初始入滲率與穩(wěn)定入滲率均隨土壤中含砂量的降低而降低，說明隨著土壤結構由疏松變密實，其入滲能力也變差。

表4 不同質地土壤入滲參數(shù)

注：f0為初始入滲率；fc為穩(wěn)定入滲率；t為穩(wěn)定入滲時間。下同。

穩(wěn)定入滲時間則隨土壤中含砂量的減少而增加，由圖1實測值曲線亦可以看出，壤砂土在試驗初入滲速率快速下降，降幅較大，平均達到穩(wěn)定入滲僅需68 min；砂壤土入滲速率降幅變慢，平均達到穩(wěn)定入滲需79 min；而粉壤土入滲速率變化則較慢，變化幅度較小，平均達到穩(wěn)定入滲則需101 min。

2.2.2 容重 土壤容重是反應土壤緊密程度的重要指標，主要受土壤中孔隙分布的影響，而水分入滲的實質即水分在孔隙中流動并不斷深入的過程，因而容重對水分入滲過程必然存在影響[13]。按照土壤質地分類，得到累積入滲量I與容重之間的關系如圖2所示。

圖2 累積入滲量與土壤容重關系

由圖2可以看出，壤砂土容重從1.62 g/cm3增加到1.66 g/cm3，累積入滲量由11.38 cm減小到6.95 cm；砂壤土容重從1.37 g/cm3增加到1.57 g/cm3，累積入滲量由7.58 cm減小到3.65 cm；粉壤土容重從1.38 g/cm3增加到1.44 g/cm3，累積入滲量由3.08 cm減小到1.11 cm。經(jīng)顯著性檢驗，結果表明容重與累積入滲量之間存在顯著的線性相關關系(sig壤砂土=0.004<0.05,sig砂壤土=0.007<0.05,sig粉壤土=0.004<0.05)，并且3種情況下相關系數(shù)R均大于0.85，表明在同一質地土壤中，累積入滲量隨容重增大呈減小的趨勢。分析此現(xiàn)象原因，在同一種質地的土壤中，容重較小的孔隙較多，因此入滲能力較強，累積入滲量也較大。

2.2.3 初始含水率 土壤初始含水率是影響水分入滲過程的重要因子，對濕潤鋒的運移速率及穩(wěn)定入滲時間都有較大影響。分別選取本次試驗3種不同質地土壤中初始含水率最大與最小的樣品，統(tǒng)計相關土壤入滲參數(shù)(如表5所示)。

表5 不同初始含水率土壤入滲參數(shù)

注：I為累積入滲量。

由表5中3組對比結果可以看出，初始含水率較低的土壤，初始入滲速率遠大于初始含水率較高土壤，平均增幅高達36%，表明其受初始含水率影響較大；同時初始含水率較低的土壤達到穩(wěn)定入滲所需時間也相對較長，但增幅僅為11%，表明其受初始含水率影響相對較小。因為在入滲初期，土壤水分處于非飽和狀態(tài)，土壤含水率越低則土水勢越低，此時土壤對水分子吸引力較大，因而初始含水率越低的土壤初始入滲率則越大，達到穩(wěn)定入滲所需的時間也越久。而穩(wěn)定入滲率與累積入滲量則并未有表現(xiàn)出任何規(guī)律，主要是因為本次試驗之前所有試驗點均已處于長期未灌溉狀態(tài)，初始含水率普遍較低且差距不大，并且試驗時并未刻意去控制其他變量，因而初始含水率對入滲過程的影響主要表現(xiàn)在影響初始入滲率上，而對最終穩(wěn)定含水率及累積入滲量則影響不大。

2.3 入滲率的空間變異性分析

腰壩綠洲處于山前傾斜洪積平原的中下部地區(qū)，沉積物由不同時期洪積扇重疊堆積而成，由山前向西沉積物顆粒逐漸變細。

根據(jù)顆粒分析試驗結果可以看出，土壤中砂含量由東向西有減少的趨勢，為了研究試驗區(qū)內(nèi)入滲率的空間分布情況，利用地統(tǒng)計學方法對入滲率數(shù)據(jù)進行分析，將土壤入滲參數(shù)視為相互獨立隨機變量，分別計算初始入滲率f0與穩(wěn)定入滲率fc樣本的均值、方差、標準差、變異系數(shù)及偏態(tài)系數(shù)，得到相應的結果如表6所示。

表6 入滲率的統(tǒng)計特征值

由表6中數(shù)據(jù)可以看出初始入滲率與穩(wěn)定入滲率均表現(xiàn)出較大的空間變異性。其最大值分別約為最小值的16與12倍；變異系數(shù)分別為0.547與0.677，屬于中等強度變異；偏態(tài)系數(shù)分別為1.612與4.459，均表現(xiàn)出正偏趨勢。為了更加直觀描述入滲率在空間上的分布情況，利用Kriging內(nèi)插值法繪制穩(wěn)定入滲率在研究區(qū)內(nèi)的等值線圖(如圖3所示)。

圖3 研究區(qū)穩(wěn)定入滲率fc空間分布

由圖3結果可以明顯看出，總體上穩(wěn)定入滲率東部較西部高，北部較南部高，即沿試驗線布設方向入滲率呈逐步減小趨勢，具有較強的空間變異性。中西部個別點入滲率較大，主要是由于該點處土壤含砂量較高，分析其原因。中部地區(qū)主要是受耕作影響，個別農(nóng)戶為了耕作需要引入砂土；而西部地區(qū)如20號點則是由于位于腰壩綠洲最西邊，緊鄰騰格里沙漠，土地沙化現(xiàn)象嚴重。綜合來看，入滲率的空間分布主要受洪積扇堆積物影響，呈現(xiàn)出由東北向西南逐步減小的趨勢，但在局部地區(qū)會受農(nóng)業(yè)耕作及周邊環(huán)境影響。

3 結 論

(1) 通過擬合結果可以看出，Horton公式擬合結果的相關系數(shù)平均值高達0.963，相對誤差與均方根誤差分別僅為4.09%與0.046 mm/min，表明Horton公式的擬合精度要好于Philip公式與Kostiakov公式。且Horton公式的參數(shù)有較好的物理意義，符合實際情況，說明Horton公式可被用于描述腰壩綠洲土壤水分入滲過程。

(2) 通過多元回歸及地統(tǒng)計學分析可以發(fā)現(xiàn)，土壤水分入滲過程受土壤性質差異影響較大，其中受土壤質地差異影響尤為顯著；同時入滲率存在較強空間變異性，穩(wěn)定入滲率最大值為最小值的12倍，變異系數(shù)高達0.677，空間分布主要受洪積扇堆積物分布影響，呈現(xiàn)出由東北向西南遞減的趨勢。

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SoilWaterInfiltrationCharacteristicsinOasisonWestSideofHelanMountains

ZHENG Ce1,2, LU Yudong1,2, GUO Jianqing1,2, LI Huanhuan1,2

(1.SchoolofEnvironmentScienceandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China; 2.KeyLaboratoryofSubsurfaceHydrologyandEcologicalEffectsinAridRegion,MinistryofEducation,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China)

[Objective] The aim of this study was to analyze the characteristics of soil water infiltration in Yaoba Oasis on the west side of Helan Mountains, and to provide theoretical basis for utilizing water resource efficiently and determining a reasonable way for field irrigation. [Methods] The double-ring infiltration experiments from 21 test spots were carried out. The three different infiltration formulas were used to fit the experimental data. And the soil water infiltration characteristics were analyzed using multivariate analysis and geostatistics methods. [Results] The correlation coefficient of fitting results of Horton formula was as high as 0.963, and the relative error and root mean square error were only 4.09% and 0.046 mm/min, respectively, indicating that the fitting accuracy of Horton formula was better than those of Philip formula and Kostiakov formula. Soil texture had a significant impact on infiltration process, great proportion of sand components in the soil had a faster infiltration rate and had relatively shorter time required to achieve stable infiltration. While the soil bulk density and initial water content had a certain influence on cumulative infiltration volume and initial infiltration rate, respectively. The maximum of stable infiltration rate was about 12 times than the minimum one and the coefficient of variation was up to 0.677. The spatial distribution plot showed a decreasing trend of infiltration rate from the northeast to the southwest of the oasis. [Conclusion] Horton formula could be used to describe the process of soil water infiltration in Yaoba Oasis. The difference of soil properties had a great influence on infiltration process, and the infiltration rate presented a strong spatial variability.

soilwater;double-ringtest;Hortonformula;infiltrationlaw;YaobaOasis

A

1000-288X(2017)05-0146-06

S152.7

文獻參數(shù)： 鄭策, 盧玉東, 郭建青, 等.賀蘭山西麓綠洲土壤水分的入滲特性[J].水土保持通報，2017,37(5)：146-151.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.025； Zheng Ce, Lu Yudong, Guo Jianqing, et al. Soil water infiltration characteristics in oasis on west side of Helan Mountains[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：146-151.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.025

2017-03-25

2017-04-19

國家自然科學基金面上項目“灌區(qū)包氣帶氮素生物地球化學動態(tài)對水分的響應過程研究”(41273104); 阿拉善SEE生態(tài)協(xié)會資助項目(220029150182)

鄭策(1993—),男(漢族),陜西省西安市人,博士研究生,研究方向為灌溉入滲。E-mail:2015129041@chd.edu.cn。

盧玉東(1969—),男(漢族),河北省唐山市人,教授,博士生導師,主要從事水資源利用方面的研究。E-mail:luyudongphd@163.com。