沙土上升毛管水運動特性研究

董榮澤，于明英，邱照寧，肖 娟

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024；2.沙幫科技有限公司，北京100080 )

0 引 言

土壤鹽漬化的重要機制是由于地下水中可溶鹽在蒸發(fā)作用下不斷向表土聚集,次生鹽漬土的形成則是由于人為抬高地下水位,土壤毛管水重新分配土中鹽分所致[1]。土壤中存在許多毛細管，地下水受到毛管力的作用會沿毛細管向上運動。若地下水埋深較淺，土壤中的鹽分溶于水后隨著上升毛管水運移到土壤表層，水分蒸發(fā)后溶解于其中的鹽分便留在了土壤表層造成土壤鹽漬化。不合理的耕作灌溉會人為抬高地下水位，造成土壤次生鹽漬化。要解決這一問題必須研究土壤水鹽運移特性，同時對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)計灌溉制度及降低地下水位也有著非常重要的意義。肖娟等研究了負水頭條件下灌溉水水質(zhì)(鈉吸附比SAR和鹽分濃度C)對濕潤體運移和水鹽分布的影響，發(fā)現(xiàn)較大的灌溉水鹽分濃度和較小的鈉吸附比對濕潤體運移有利[2]；武敏等發(fā)現(xiàn)土壤水的鈉吸附比SAR和電導(dǎo)率EC對滲透系數(shù)影響顯著,土壤水入滲速率隨著鈉吸附比SAR增加和電導(dǎo)率EC的減小而減小[3]；尹娟等通過室內(nèi)土柱實驗研究了均質(zhì)土上升毛管水的運移特性[4]；王偉等研究了不同水質(zhì)(不同鈉吸附比SAR和電導(dǎo)率EC)對土壤中水分?jǐn)U散率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著電導(dǎo)率EC的增大鈉吸附比SAR對土壤水分?jǐn)U散率的影響不斷減小，隨著鈉吸附比SAR的增大電導(dǎo)率EC對土壤水分?jǐn)U散率的影響不斷減小[5]。目前國內(nèi)外學(xué)者對土壤水鹽運移特性研究重點關(guān)注灌溉水對土壤水鹽運移分布的影響，關(guān)于地下水對土壤的補給以及水分運移特性的研究較少，對沙土的研究也并不多見。我國有大片面積的沙土地，且近幾年來出現(xiàn)了以沙子作為基質(zhì)的新興種植模式，因此有必要進一步研究地下水對沙土中的水分補給以及水鹽分布和運動特性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用沙土取自北京市昌平區(qū)的日光溫室大棚，該大棚基地主要從事與沙培有關(guān)的作物種植，地理位置為N40°12′12.52″， E116°03′10.71″。試驗前對沙土進行風(fēng)干處理，測得其含水率為0.61%。用規(guī)格為8目、12目、24目和70目的標(biāo)準(zhǔn)篩將風(fēng)干后的沙土篩分為4組不同粒徑的沙土(為方便表述以下用標(biāo)準(zhǔn)篩目數(shù)來表示不同粒徑的沙土，如經(jīng)70目標(biāo)準(zhǔn)篩篩出的沙土粒徑表示為d=70)，各組沙土粒徑見表1。

表1 沙土粒徑Tab.1 Grain size of sand

1.2 試驗裝置及方法

試驗裝置由沙柱和地下水位平衡系統(tǒng)組成，采用長1.2 m，內(nèi)徑為3.2 cm的有機玻璃管裝填沙柱，試驗布置見圖1。

圖1 試驗裝置布置圖Fig.1 Layout of experiment

槽盆A中水位為模擬地下水位，槽盆B底部用PVC管道連接一個浮子式水位控制器來給槽盆A供水，以確保地下水位恒定不變。試驗采用長1.2 m，內(nèi)徑為3.2 cm的有機玻璃管裝填沙土，有機玻璃管底部用120目濾網(wǎng)封口。試驗用地下水為配制的鹽水，根據(jù)鈉吸附比(溶液中的Na+的濃度與Ca2+、Mg2+濃度和的平方根的比值，以下簡稱SAR)和鹽分濃度(以下簡稱C)兩個指標(biāo)來配制[6]。取SAR=2、20、30和C=10、40、80 mEq/L，共9種不同處理的水質(zhì)。本次試驗配制鹽水所用藥品為NaCl和CaCl2。水質(zhì)配比計算結(jié)果及相應(yīng)的處理情況見表2。同一種水質(zhì)處理時，4種粒徑土壤同時進行試驗。

表2 水質(zhì)配比計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of water quality proportioning

試驗時先固定4根沙柱，調(diào)整水位控制器的高度，確保各沙柱底部均沒入水中0.5 cm左右。然后將配制好的鹽水加入到槽盆B中，鹽水流經(jīng)水位控制器注入槽盆A。當(dāng)槽盆A中的液面穩(wěn)定后開始計時，試驗開始。觀測毛管水上升高度時以槽盆A中的液面為參照面，記錄各觀測時間點的毛管水上升高度，每組試驗觀測72 h。毛管水上升高度觀測結(jié)束后取下各有機玻璃管并在外管壁用記號筆標(biāo)記出模擬地下水位的位置記為0點，以 0點為起點沿毛管水上升方向每隔10 cm取沙土，測定所取沙土的含水率θ及電導(dǎo)率，測量電導(dǎo)率所用儀器為雷磁DDB-303A便攜式電導(dǎo)率儀。

2 結(jié)果與分析

沙土之中存在著各種大小不同的孔隙，比較細小的孔隙可以當(dāng)做毛細管，也叫毛管。在毛管中的水分其與大氣的接觸面為一個彎月面，水分受到表面張力的作用沿毛管向上運動并被吸持在毛管中，這部分水被稱為毛管水。水分這種向上運動的過程就是毛管水上升運動[7]。本文主要對毛管水上升過程中上升高度及速率隨時間的變化、含水率的分布情況、不同水質(zhì)條件下不同粒徑沙土地下水補給總量及沙土中鹽分分布情況進行了分析。

2.1 不同水質(zhì)條件下沙土毛管水上升高度及速率隨時間的變化規(guī)律

不同水質(zhì)條件下各粒徑沙土毛管水上升高度隨時間的變化過程見圖2。從圖中可以看出隨著時間t的延長毛管水上升高度z不斷增長，但是增長的幅度隨著時間t的延長逐漸減小，毛管水上升高度z的增長速率不斷減小，最后趨于停止。

產(chǎn)生這種變化的原因可從沙土土水勢著手分析。本次試驗為室內(nèi)試驗，室內(nèi)溫度變化不大，而且通常認(rèn)為溫度變化對土壤水分運動變化的影響是很小的，故不考慮溫度勢的影響。而溶質(zhì)勢對土壤水分運動的影響也不顯著，可以忽略其影響。本次試驗中毛管水為非飽和土壤水，考慮到沙土通氣孔隙的連通性，沙土各處水分承受的壓力均為大氣壓，不存在壓力差，因此壓力勢Ψp=0,故只考慮重力勢Ψg和基質(zhì)勢Ψm的影響[7]。試驗開始時沙土的初始含水率很小，沙土的基質(zhì)勢很小，土壤水吸力很大，因此在試驗開始時毛管水上升高度z的增長速率很快。隨著時間t的延長沙土含水率不斷變大，基質(zhì)勢增加，土壤水吸力減小，且隨著含水率的增加，毛管水所受的重力也越來越大，因此z的增長速率不斷變小。

沙土毛管水的上升過程與入滲過程相似，只是與入滲過程方向相反，因此沙土毛管水的上升過程應(yīng)符合一定的非線性函數(shù)關(guān)系[8]。通過對實測數(shù)據(jù)的分析，采用對數(shù)函數(shù)對不同水質(zhì)條件下毛管水上升高度z和時間t的關(guān)系進行擬合，即z=alnt+b，擬合參數(shù)見表3。

圖2 毛管水上升高度隨時間的變化Fig.2 Variation of rising height of capillary water with time

粒徑/目SAR=2C=10C=40C=80SAR=20C=10C=40C=80SAR=30C=10C=40C=80a9．469．618．438．508．409．047．909．088．4070b31．1230．5732．2329．9330．1330．5430．4730．9630．51R20．9860．9870．9890．9910．9920．9920．9930．9930．992a7．728．486．186．876．145．956．456．395．9624b29．6328．3230．8529．3227．5328．7128．2229．2527．50R20．9920．9860．9790．9940．9950．9890．9950．9890．994a6．758．286．416．296．676．596．846．555．7812b28．2928．5928．9127．9728．5829．9329．4929．1227．21R20．9830．9850．9970．9890．9950．9920．9950．9970．993a6．807．656．645．676．596．795．086．385．528b28．1529．4428．2027．4027．7329．1827．6629．4928．52R20．9940．9940．9870．9770．9920．9920．9660．9950．977

由表3中數(shù)據(jù)可以看出用對數(shù)函數(shù)對沙土毛管水上升高度和時間的關(guān)系進行擬合其相關(guān)性很高，系數(shù)a，b均大于0，則此對數(shù)函數(shù)為增函數(shù)，說明毛管水上升高度z隨著時間t的增大而增大。

將毛管水上升高度z對時間t求導(dǎo)即可得出毛管水上升速率的關(guān)系式即v=dz/dt=at-1。由關(guān)系式可以看出毛管水上升速率v與時間t成反比，隨著時間t的延長毛管水上升速率v不斷減小，當(dāng)t趨于無窮大時v趨于0，即當(dāng)時間足夠長時毛管水上升速率趨于停止， 這與前面從圖2得出的結(jié)論一致。

2.2 沙土含水率的分布情況分析

不同水質(zhì)條件下各粒徑沙土含水率θ分布情況見圖3，h為取土點至模擬地下水位的距離。

圖3 沙土含水率分布情況Fig.3 Distribution of moisture content in sand

從圖3可以看出沙土含水率θ隨h(取土點至模擬地下水位的距離)的增大而減小。這是由于以下兩方面因素所致：①由于沙土孔隙的連通性靠上的毛管水會蒸發(fā)到空氣中，因而h越大含水率越?。虎陔S著土壤含水率的增加，土壤水吸力不斷減小，且h越大毛管水受到自身重力的影響就越大，毛管水受到向上的合力越來越小，故h越大含水率越小。

當(dāng)h相同時，粒徑d=70目的沙土的含水率要大于其他粒徑的沙土，這是因為細粒徑沙土其毛細管結(jié)構(gòu)較多，因而可以更好得吸水和持水。根據(jù)實測數(shù)據(jù)對含水率θ和取土點至模擬地下水位的距離h進行相關(guān)性分析，用線性函數(shù)進行擬合，即θ=ah+b。擬合參數(shù)見表4。

參數(shù)a即為函數(shù)的斜率，從表4可以看出所有的a均小于0，所以該線性函數(shù)是一個減函數(shù)，即隨著取土點與模擬地下水位距離h的增大含水率θ越來越小。參數(shù)b為線性函數(shù)與縱坐標(biāo)軸的交點，參數(shù)b的代數(shù)值近似等于水面接觸點處所取土樣的含水率。

2.3 不同水質(zhì)條件下各粒徑沙土地下水補給總量

試驗過程中各處理不同粒徑沙土地下水補給總量見圖4。從圖中可以看出總體上粒徑越粗沙土吸水量越少，粒徑越細沙土吸水量越多。這是因為毛管水上升運動發(fā)生在沙土顆粒間的毛管孔隙中，細粒徑的沙土其顆粒間毛管孔隙較粗粒徑的沙土要多，因此相同時間內(nèi)粗粒徑沙土比細粒徑沙土吸水量少。從圖中還可以看出鹽分濃度較小(C=10，40 mEq/L)的處理其吸水量要大于鹽分濃度較大(C=80 mEq/L)的處理。

圖4 各組沙土吸水量情況Fig.4 Water absorption of sand in each group

2.4 沙土中的鹽分分布

各水質(zhì)條件下不同粒徑沙土的電導(dǎo)率EC與取土點至模擬地下水位距離h的關(guān)系見圖5；地下水鹽分濃度(C)與沙土粒徑d一定時，采用不同地下水鈉吸附比(SAR)沙土的電導(dǎo)率EC與h的關(guān)系見圖6；地下水鈉吸附比(SAR)與沙土粒徑d一定的條件下，采用不同鹽分濃度(C)沙土EC值與h的關(guān)系見圖7。 從圖5及圖6可以看出在水質(zhì)的鹽分濃度C較小(C=10，40 mEq/L)的條件下，當(dāng)取土點至模擬地下水位距離h<40 cm時每根沙柱各取土點的電導(dǎo)率EC值呈略微下降趨勢，曲線的變化幅度較小；當(dāng)h超過40 cm之后隨著h的不斷增大各取土點電導(dǎo)率EC值也不斷增大，曲線呈明顯上升趨勢。當(dāng)水質(zhì)的鹽分濃度C較大(C=80 mEq/L)時沙柱的電導(dǎo)率EC值隨h的增大而減小。出現(xiàn)以上趨勢是由于以下幾個因素綜合影響的結(jié)果：① 毛管水向上運動時沙土的基質(zhì)勢不斷增大，土壤水吸力不斷減小，故隨著h的不斷增大單位質(zhì)量沙土中所含溶質(zhì)質(zhì)量不斷減??；②毛管水運移的最上端會水分會蒸發(fā)散失到沙土孔隙和大氣中，導(dǎo)致鹽分不斷累積在上層沙土中；③溶質(zhì)的存在會降低土壤水的勢能，從圖4可以看出鹽分濃度C=80 mEq/L的處理其地下水補給總量要小于鹽分濃度C=10,40 mEq/L的處理，故在鹽分濃度C=80 m Eq/L時溶質(zhì)對土水勢的降低更為明顯，所以在上層水分蒸發(fā)后并不能及時補充，因此鹽分濃度C=80 mEq/L時沙土電導(dǎo)率EC值隨h的增大而減小。而鹽分濃度C=10,40 mEq/L的處理，h<40 cm時毛管水不會受到水分蒸發(fā)的影響，只受土壤水吸力的影響，沙土電導(dǎo)率EC值隨h的增大而減??；當(dāng)h>40 cm時蒸發(fā)作用對水分運移的影響占主導(dǎo)作用，導(dǎo)致上層沙土鹽分累積，所以沙土電導(dǎo)率EC隨h的增大而增大。

圖5 粒徑對電導(dǎo)率的影響Fig.5 Effect of grain size on conductivity

圖6 SAR對電導(dǎo)率的影響Fig.6 Effect of SAR on conductivity

圖7 C對電導(dǎo)率的影響Fig.7 Effect of C on conductivity

3 結(jié) 論

(1)在地下水位恒定的條件下，沙土毛管水上升高度與時間呈明顯的對數(shù)函數(shù)關(guān)系，毛管水上升高度隨時間的延長不斷增加，但增加幅度逐漸減小，上升速率逐漸減小，毛管水上升速率在試驗進行72 h后基本趨于0。

(2)沙柱含水率隨著取土點與參照面距離的增大逐漸減小，二者呈明顯的線性關(guān)系。4種粒徑的沙子中距參照面相同高度，粒徑最小的沙柱其含水率總是大于其余3種粒徑的沙子的含水率。

(3)各組實驗中4種粒徑沙子的地下水補給總量隨著粒徑的增大逐漸減小。

(4)在地下水鹽分濃度C=10，40 mEq/L的條件下，當(dāng)取土點與模擬地下水位的距離h<40 cm時，沙土各部分鹽分濃度相差不大，當(dāng)h>40 cm時沙土的鹽分濃度隨h的增大而增大。當(dāng)?shù)叵滤}分濃度C=80 mEq/L時，沙土的鹽分濃度隨h的增大而減小。

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