土壤含水量對渾水入滲能力的影響

楊素宜

(太原大學(xué) 環(huán)境工程系,山西 太原 030009)

土壤含水量對渾水入滲能力的影響

楊素宜

(太原大學(xué) 環(huán)境工程系,山西 太原 030009)

土壤含水量對渾水入滲能力產(chǎn)生明顯影響,土壤含水量由小變大,渾水入滲能力減小;3個(gè)入滲參數(shù)隨土壤含水量的增大而減小。研究結(jié)果對于指導(dǎo)渾水入滲及引洪補(bǔ)源具有重要意義。

土壤含水量;渾水入滲;累積入滲量;入滲參數(shù)

1 引言

我國是一個(gè)水資源貧乏的國家,在地面水不足的情況下大量超采地下水,導(dǎo)致了地下水位的區(qū)域性下降,并引發(fā)了一系列的環(huán)境問題。從補(bǔ)充地下水,恢復(fù)地下水環(huán)境的角度看,洪水資源在多個(gè)方面優(yōu)于其它資源。引用洪水資源補(bǔ)充地下水主要有三種方式,即點(diǎn)補(bǔ)、線補(bǔ)和面補(bǔ)。點(diǎn)補(bǔ)是通過井、蓄水體等補(bǔ)充地下水,線補(bǔ)即通過河流和渠道等補(bǔ)給,面補(bǔ)是通過農(nóng)田灌溉補(bǔ)充地下水。面補(bǔ)與點(diǎn)補(bǔ)和線補(bǔ)相比較,范圍大,容易操作,經(jīng)濟(jì)又方便,因此,面補(bǔ)是實(shí)現(xiàn)引洪補(bǔ)源的一種較好的方法。

影響渾水入滲因素包括土壤條件和渾水自身?xiàng)l件,在相同土壤質(zhì)地下,當(dāng)土壤結(jié)構(gòu)不變時(shí),影響同一泥沙含量的渾水入滲的主要因素是土壤含水量。本研究試圖以渾水入滲試驗(yàn)資料為依據(jù),分析土壤含水量對渾水入滲能力的影響及土壤重量含水量與累積入滲量和入滲參數(shù)間的關(guān)系,為合理利用洪水實(shí)現(xiàn)引洪補(bǔ)源提供參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)條件與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)條件

2.1.1 土壤條件

大田土壤渾水入滲試驗(yàn)是在山西省大同市御河試驗(yàn)站試驗(yàn)田的麥子田地進(jìn)行的。試驗(yàn)田的耕作層深度約為20cm左右。依據(jù)美國制的土壤質(zhì)地顆粒級劃分方案,試驗(yàn)田土壤是砂壤土,粘粒含量比較小,僅有5%,砂粒含量較大。試驗(yàn)田土壤含水量通過在構(gòu)筑好的地表水平噴灌不等量的水來實(shí)現(xiàn),噴灌水深度按0mm、25mm、50mm、75mm、100mm五種情況構(gòu)筑自然耕作狀態(tài)下的不同土壤含水量。噴灌水構(gòu)筑后的土壤含水量(重量含水量θ)測定其變化范圍為9.0%～20.7%。

2.1.2 試驗(yàn)用渾水

本試驗(yàn)所用渾水依據(jù)2004年大同市夏天幾場洪水最大和最小泥沙含量配制(配制泥沙含量分別為1%、3%、5%、7%、10%)。所用泥沙是每次洪水通過試驗(yàn)田渠道所淤流下的泥沙(泥沙中各顆粒含量為:砂粒(>0.05mm)占62%,(0.05～0.002mm)占34%,粘粒(<0.002mm)占4%)風(fēng)干后所得。配制渾水時(shí)先測出風(fēng)干后泥沙的含水量θ,計(jì)算出配制一定量一定比例的渾水所需泥沙量可用下式表示:

式中:Ms——配制一定量一定比例的渾水所需泥沙量,kg;

ρ——渾水泥沙含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),%;

θ——風(fēng)干后泥沙的含水量 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)),%;

MW——配制一定量一定比例的渾水所需自來水量,kg。

將計(jì)算出的泥沙量溶于配制一定量一定比例的渾水所需自來水中配制所需比例的渾水。(泥沙溶于水的過程在幾個(gè)體積為20L的大桶內(nèi)進(jìn)行,用攪拌器不斷攪拌,直到最后完全溶解并使其混合均勻。在渾水入滲試驗(yàn)過程中,也一直用大小不等的攪拌器攪拌,保證加入入滲環(huán)內(nèi)的是均勻的渾水。)

2.2 試驗(yàn)方法

渾水入滲試驗(yàn)采用自制入滲雙套環(huán),其中外環(huán)直徑60cm,內(nèi)環(huán)直徑26.5cm,內(nèi)外環(huán)高度均為25cm。入滲內(nèi)環(huán)供水用不同容量的量筒計(jì)量,并用特制的水位控制儀控制內(nèi)外環(huán)水位。用秒表測定入滲時(shí)間。

2.3 測試數(shù)據(jù)

1)試驗(yàn)入滲結(jié)果測定。包括各個(gè)時(shí)間和不同時(shí)間段的入滲渾水量,入滲結(jié)束時(shí)的剩余渾水量。入滲開始時(shí)10min內(nèi),每分鐘觀測一次;10～70min,5min觀測一次;80min和90min各觀測一次。入滲率達(dá)到相對穩(wěn)定時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

2)試驗(yàn)土壤含水量的測定,用土磚法測定土壤初始重量含水量。

3)試驗(yàn)外部條件測定。包括試驗(yàn)所用渾水的水溫,試驗(yàn)時(shí)的氣溫和地溫。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 土壤含水量對渾水入滲能力的影響

大量的大田渾水入滲試驗(yàn)表明可以用90min累積入滲量(h90)反映渾水的入滲能力。為分析方便,不同土壤含水量的渾水入滲試驗(yàn)是在相同土壤質(zhì)地條件下進(jìn)行的,不同泥沙含量的渾水所反映的入滲趨勢相同?，F(xiàn)取兩種泥沙含量的渾水入滲試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

圖1為自然耕作狀態(tài)時(shí)不同土壤含水量條件下,不同泥沙含量渾水的土壤累積入滲量曲線比較圖。圖上可以看出:

1)土壤含水量對渾水入滲能力有明顯影響

圖1-a和1-b和為兩種泥沙含量的渾水在不同土壤含水量條件下的累積入滲量過程線。圖1反映出:無論哪種泥沙含量的渾水,土壤含水量對渾水入滲能力都產(chǎn)生明顯影響,土壤含水量小的累積入滲量過程線始終位于土壤含水量大的累積入滲量過程線之上,土壤含水量由小變大,渾水入滲能力減小。

2)渾水入滲能力隨土壤含水量的增大而減小,它們之間呈對數(shù)關(guān)系

圖2為(H90)隨土壤含水量(重量含水量θ)的變化曲線圖。圖2表明:無論渾水泥沙含量為多大,H90都隨著土壤含水量的增大而減小,它們之間呈對數(shù)關(guān)系,盡管圖中個(gè)別試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)有些離散,但模型參數(shù)隨土壤含水量的增大而減小的規(guī)律還是很明顯的。擬合方程如下:

圖1 不同含沙量的渾水在不同土壤含水量條件下的累積入滲量曲線圖

圖2 H90隨土壤含水量變化圖

泥沙含量為1%:H90=-13.142L n(θ)+ 47.673 R=0.846 1

泥沙含量為3%:H90=-10.078L n(θ)+ 34.223 R=0.984 7

決定入滲量大小的因素為土水勢梯度和水力傳導(dǎo)度。土壤含水量主要從入滲水流濕潤區(qū)的平均勢梯度方面影響渾水入滲能力。土壤含水量越高,水分入滲鋒面的土水勢越高,則水分入滲鋒面與未濕潤土層之間的平均勢梯度越小,因此渾水的入滲通量越小,即渾水入滲能力越低。所以土壤含水量越高,渾水入滲能力越小。

3.2 土壤含水量與 Kostiakov-Lewis模型參數(shù)間的關(guān)系

渾水入滲符合 Kostiakov-Lewis模型。α為經(jīng)驗(yàn)入滲指數(shù),反映土壤入滲能力的衰減速度;K為經(jīng)驗(yàn)入滲系數(shù),其物理意義是入滲開始后第一個(gè)單位時(shí)段末的累積入滲量,在數(shù)值上也等于第一個(gè)單位時(shí)段末的入滲速度;f0為土壤的相對穩(wěn)定入滲率,即單位勢梯度下飽和土壤的入滲速度,非飽和土壤入滲速度達(dá)到相對穩(wěn)定時(shí)的入滲速度。

圖3是不同泥沙含量渾水的入滲模型參數(shù)α、K和f0隨土壤含水量的變化關(guān)系曲線圖。

1)入滲模型的每個(gè)參數(shù)都隨土壤含水量的增大而減小

圖3 入滲模型參數(shù)與土壤含水量θ的關(guān)系圖

從圖3可以看出:不論是那種泥沙含量的渾水,土壤含水量對入滲模型的三個(gè)參數(shù)(α、K和f0)都產(chǎn)生明顯影響。他們都隨土壤含水量的增大而減小。

在同一土壤質(zhì)地和土壤結(jié)構(gòu)的條件下,給定渾水泥沙含量,在入滲初期的水分運(yùn)動(dòng)可以近似為飽和土壤中的水分運(yùn)動(dòng)(因地表一定厚度范圍內(nèi)的土層在入滲開始后很快飽和)。在過水面積一定的情況下,入滲通量取決于勢梯度,而勢梯度的大小主要取決于土壤含水量。土壤含水量越高,勢梯度越小,入滲通量也越小。因此,土壤含水量越高,K值越小。

f0作為入滲界面處的飽和導(dǎo)水率,其大小主要取決于土壤孔隙的多少和大小。土壤含水量的變化引起土壤孔隙多少和大小的變化,因而引起f0的變化。土壤含水量越高,土壤孔隙被水分占據(jù)的越多,土壤孔隙也就越少,孔隙率也越小,故渾水相對穩(wěn)定入滲率f0也越小。所以,隨著土壤含水量的增加,渾水相對穩(wěn)定入滲率 f0減小。

2)入滲模型的每個(gè)參數(shù)都與土壤含水量呈對數(shù)關(guān)系

入滲模型的每個(gè)參數(shù)都與土壤含水量呈對數(shù)關(guān)系,具體擬合方程見表1。

表1 各模型參數(shù)與土壤含水量擬合方程表

4 結(jié)論

1)土壤含水量對渾水入滲能力產(chǎn)生明顯影響,土壤含水量由小變大,渾水入滲能力減弱。

2)90累積入滲量與土壤含水量之間呈對數(shù)關(guān)系。

3)在同一土壤質(zhì)地條件下,入滲模型的3個(gè)參數(shù)(α、K和fQ0)都隨土壤含水量的增大而減小,它們之間也符合對數(shù)關(guān)系。

由于渾水入滲的復(fù)雜性,影響渾水入滲的因素很多,本文就同一土壤質(zhì)地條件下,土壤含水量對其影響作了初步探討,有關(guān)渾水入滲及其影響因素有待于進(jìn)一步研究。

[1]解文艷.土壤質(zhì)地對土壤入滲能力的影響[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,35(5):537-540.

[2]白丹.渾水入滲規(guī)律試驗(yàn)研究[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào),1999,5(1):59-62.

[3]雷志棟.土壤水動(dòng)力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社, 1998.

[責(zé)任編輯:王啟軍]

Influence of soil water content on infiltration characteristics of muddy water

YANGSu-yi
(Department of Environment Engineering of Taiyuan University,Taiyuan,030009,China)

Based on the muddy water infiltration experiments in the field soil with different soil water content,with soil weight water content reflecting soil water content,effectsof soil water content on infiltration capacity of muddy water and three infiltration parameters of Kostiakov-Lewis infiltration equations were analyzed and discussed.The results indicated than soil water content has strong influence of muddy water infiltration.The infiltration capacityof muddy water and three infiltration parameters decreased with soil water content of increasing.These results have important meaningsfor researching muddy water infiltration and recharging groundwater with flood.

soil water content;muddy water infiltration;cumulative infiltration;infiltration parameter

book=2010,ebook=36

TV131.6

A

1671-5977(2010)02-0127-04

2010-01-15

楊素宜(1980-),女,內(nèi)蒙古商都人,太原大學(xué)環(huán)境工程系教師。