宋長虹，王影桃

(黑龍江水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

土壤非飽和水力傳導(dǎo)度野外試驗(yàn)方法

宋長虹，王影桃

(黑龍江水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

非飽和水力傳導(dǎo)度是多孔介質(zhì)中水流運(yùn)動(dòng)的重要參數(shù)之一，在進(jìn)行較大區(qū)域尺度土壤水動(dòng)力學(xué)模型模擬時(shí)，選擇客觀準(zhǔn)確而實(shí)用的試驗(yàn)方法對其進(jìn)行測量顯得尤為重要。對國內(nèi)外非飽和水力傳導(dǎo)度的試驗(yàn)方法進(jìn)行了充分的調(diào)研，比較了各種主流試驗(yàn)方法的原理和實(shí)用范圍，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，突出闡述了適用于野外試驗(yàn)的方法。為進(jìn)行較大區(qū)域尺度土壤水動(dòng)力學(xué)模型模擬奠定了基礎(chǔ)。

非飽和水力傳導(dǎo)度；野外試驗(yàn)；飽和水力傳導(dǎo)度；空間變異性

0 前 言

傳統(tǒng)的地面灌溉中肥料隨著水流從地表到土壤再到地下水發(fā)生淋失現(xiàn)象，是地下水污染的主要原因之一。由于肥料在土壤中的運(yùn)移離開土壤水流的作用，故在研究肥料在土壤中的遷移時(shí)，常以土壤中水流運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)。土壤非飽和水力傳導(dǎo)度野外測試方法作為區(qū)域施肥對地下水造成面源污染的主要影響因素之一，其檢測評定手段和客觀依據(jù)的客觀準(zhǔn)確及實(shí)用性顯得尤為重要。

測量非飽和水力傳導(dǎo)度的方法分為間接法和直接法。間接法計(jì)算在已知土壤水分運(yùn)移的其他參數(shù)(如水分特征曲線、飽和水力傳導(dǎo)度、水分?jǐn)U散率等)后，通過它們相互之間固有的關(guān)系，來間接推求非飽和水力傳導(dǎo)度。間接法分為通過水分特征曲線和通過水分特征曲線及水分?jǐn)U散率推求非飽和水力傳導(dǎo)度兩類。直接法分為室內(nèi)及野外測量兩類。室內(nèi)測量主要有穩(wěn)定入滲法、穩(wěn)定蒸發(fā)法及非穩(wěn)定流瞬時(shí)剖面法等，野外試驗(yàn)主要有零通量面法和瞬時(shí)剖面法兩種。由于室內(nèi)試驗(yàn)法無法滿足較大區(qū)域尺度的測量需要，故在研究區(qū)域較大，需要考慮區(qū)域空間變異性時(shí)，通常采用野外試驗(yàn)的方法。

文章主要介紹了幾種間接測量非飽和水力傳導(dǎo)度的野外試驗(yàn)方法。即通過測量水分特征曲線，根據(jù)非飽和水力傳導(dǎo)度與其之間的相互固有關(guān)系，求非飽和水力傳導(dǎo)度。并討論了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其代表性。

1 相關(guān)試驗(yàn)方法調(diào)研

1.1 相關(guān)試驗(yàn)方法概述

常用的水分特征曲線擬合方法有3類：

1)Jackson(1972)公式

(1)

式中：θs為飽和含水量；i為水分特征曲線θ和φ對應(yīng)的某點(diǎn)編號(θi,φi)；m為實(shí)測點(diǎn)總數(shù)；j為求和下標(biāo)；p為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其值在0.74-1.24之間，Jackson建議去p=1(文獻(xiàn)引用)。

2)Campbell公式

土壤水分特征曲線和非飽和水力傳導(dǎo)度分別為：

(2)

式中：φc為進(jìn)氣值；b為擬合參數(shù)；B=2b+2+p；p為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，p=0(Child，時(shí)間)、1(Jackson，時(shí)間；Campbell，時(shí)間)或10.5b(Ghosh，1976)。

3)vanGenuchten公式

vanGenuchten土壤水分特征曲線表達(dá)成如下形式：

(3)

式中：θr為殘留含水量；α、m、n為擬合參數(shù)；其余各符號意義同前。

關(guān)于飽和水力傳導(dǎo)度的野外試驗(yàn)方法已經(jīng)較為成熟，為采用間接法測量非飽和水力傳導(dǎo)度提供了有利的先決條件。下面就介紹幾種野外測量飽和水力傳導(dǎo)度或直接測量非飽和水力傳導(dǎo)度的試驗(yàn)方法。

1.2 典型野外試驗(yàn)方法

1.2.1 雙環(huán)測量法

雙環(huán)入滲法是測量土壤入滲性能最有影響力，也是較早開始使用的方法之一。1986年，Bouwer首先提出了采用雙環(huán)測量儀測量土壤入滲性能的方法。1992年P(guān)rieksat對試驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，2006年，Milla和Kish再次對該裝置進(jìn)行了改進(jìn)，得到了現(xiàn)今常用的雙環(huán)入滲儀[1-3]。

測量方法：在測量時(shí)同時(shí)往內(nèi)、外鐵環(huán)內(nèi)注水，并保持內(nèi)外環(huán)的水柱都保持在同一高度，通過記錄觀測時(shí)間及入滲水量，來推求飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)，再根據(jù)飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)推求非飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果代表性：使用雙環(huán)入滲儀測量需要考慮兩方面的區(qū)域代表性。①測得結(jié)果能否代表所測范圍的入滲性能。關(guān)于該方面，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。2006年，WuestSB通過比較內(nèi)環(huán)直徑為20cm、30cm、45cm的雙環(huán)試驗(yàn)，得出平均入滲率與內(nèi)環(huán)直徑成正比，且由于空間變異性，測試區(qū)域的面積增量并不直接等于平均入滲增量[4]2010年，任理等為了研究雙環(huán)內(nèi)徑與土壤入滲空間變異性的相關(guān)性，設(shè)置了4組內(nèi)徑不同的雙環(huán)入滲儀，在此基礎(chǔ)上，通過設(shè)置不同的內(nèi)外徑比例，獲得不同的緩沖指標(biāo)，進(jìn)行了16組入滲試驗(yàn)[5]。以上研究表明，雙環(huán)內(nèi)環(huán)直徑較小時(shí)，其所測內(nèi)環(huán)區(qū)域的土壤入滲性能會(huì)受到空間變異性的影響，不能反映測點(diǎn)的真實(shí)入滲性能；②所選測點(diǎn)的入滲性能是否具有區(qū)域代表性。該特性主要受到試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的影響，不是由儀器及方法本身所引起，固在此不詳細(xì)敘述。

雙環(huán)測量法所需的儀器設(shè)備比較簡單，便于操作。且較單環(huán)入滲法而言，排除了側(cè)向入滲的影響，從而測量結(jié)果精度較高。但為了保證單次試驗(yàn)結(jié)果不受空間變異性的影響，應(yīng)保證內(nèi)環(huán)直接不小于80cm，這又使得雙環(huán)入滲試驗(yàn)儀器設(shè)備體積較大，不便于攜帶；且在研究區(qū)域面積較大時(shí)，試驗(yàn)效率較低。

1.2.2 人工模擬降雨法

1986年，Peterson等提出了室內(nèi)進(jìn)行人工模擬降雨法測量入滲的思路；1997年，Odgen等提出了模擬降雨法進(jìn)行入滲測量的裝置。1999年，Singh等(1999)對該方法進(jìn)行了改進(jìn)。人工模擬降雨法較雙環(huán)入滲測量法而言不存在選取測點(diǎn)的問題，測得結(jié)果直接代表區(qū)域的入滲均值[6-9]。(該方法能否用于野外試驗(yàn)。若能，存在何種缺陷？)

用人工降雨量和觀測的徑流資料推求入滲曲線，即降雨徑流和入滲關(guān)系，如式(4)：

P-R=F+Vd+Da+Is

(4)

式中：P為降雨量；R為地面徑流量；F為入滲量；Vd為洼地積水量；Da為地表滯水量；Is為植物截留水量。單位均為mm，各量均為累計(jì)值。

試驗(yàn)結(jié)果代表性：人工模擬降雨法不存在測量值能否代表所測區(qū)域入滲性能的情況。因?yàn)?，該方法所測得結(jié)果即為測量區(qū)域的均值，一般測量范圍大于120cm，故避免了測量區(qū)域較小，受到空間變異性影響，測得結(jié)果不具有代表性的問題。同理，在進(jìn)行較大區(qū)域尺度試驗(yàn)時(shí)，也不能直接對整個(gè)大區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)，也需要選擇具有代表性的小區(qū)域進(jìn)行人工模擬降雨試驗(yàn)，故也存在所選小區(qū)域是否具有區(qū)域代表性的問題。

人工模擬降雨法較雙環(huán)法而言，單次試驗(yàn)區(qū)域較大，能夠避免單次試驗(yàn)結(jié)果受到空間變異性影響。但由于受降雨強(qiáng)度限制，在土壤入滲初期入滲率等于降雨強(qiáng)度，無法觀測到初始時(shí)期較高的土壤入滲能力，且當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí)，土壤快速濕潤會(huì)形成地表結(jié)皮，雨滴對地表的打擊作用又會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，且會(huì)導(dǎo)致土壤入滲性能降低。使用該方法測量得到的結(jié)果與真實(shí)情況存在誤差，且不便于區(qū)域試驗(yàn)時(shí)使用。

1.2.3 圓盤入滲儀測量方法

圓盤入滲儀法是目前國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的方法之一[16-20]。圓盤入滲儀由入滲盤、蓄水管、恒壓管組成。入滲盤與儲水管固定連接并通過橡膠管連接調(diào)壓管來控制恒定負(fù)水頭，其中，調(diào)壓管是根據(jù)馬氏瓶原理制作而成。

Smettem和Haverkamp等(1994)提出了圓盤入滲問題的近似解，建立了如下具有物理意義的近似求解公式：

(5)

(6)

式中：I1D和I3D分別為一維與三維入滲過程的入滲率；rd為入滲盤的半徑，cm；θ0 和θn分別為土壤初始與最終含水率，cm3/cm3；K為供水與初始條件下的非飽和導(dǎo)水率；γ是忽略重力作用后的常數(shù)，取值0.6-0.8，通常可取0.75；β為常數(shù)，取值0-1，常取0.6。

采用HYDRU-3D進(jìn)行模擬，提出了稱作NSH的方法來估算土壤基質(zhì)勢與水力傳導(dǎo)度。其估算的基質(zhì)勢與DL方法相差無幾，但NSH方法能以更高的效率和精度估算出水力傳導(dǎo)度。

代表性：使用圓盤入滲儀進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，測點(diǎn)的布置方案與雙環(huán)入滲儀相類似，同樣存在著測得結(jié)果能否代表所測范圍的入滲性能及所選測點(diǎn)的入滲性能是否具有區(qū)域代表性的問題。目前關(guān)于圓盤直徑取值受空間變異性的研究較少，試驗(yàn)中常用的圓盤入滲儀直徑為10cm及20cm兩種，均視其測量結(jié)果不受小范圍的空間變異性影響，能真實(shí)反映所測區(qū)域土壤入滲特性。

1.2.4 表層結(jié)殼穩(wěn)定流法(簡稱結(jié)殼法)

結(jié)殼法最早由Hillel和Gardner提出并用于室內(nèi)(年代)，1983年，Bouma等(1983)改善引人到室外田間[27]。許迪(1996)驗(yàn)證了該方法在分層較為復(fù)雜土壤中的適用性。隨著雙環(huán)入滲試驗(yàn)及圓盤入滲儀測量技術(shù)的發(fā)展，結(jié)殼法在田間試驗(yàn)中應(yīng)用較少[1,19]。

方法原理：在周壁隔絕而底部與下層土壤保持連續(xù)的土柱試樣表面人為地建立表層結(jié)殼，由量水設(shè)施控制經(jīng)頂端結(jié)殼層向土柱供水人滲，隨著時(shí)間延長通過結(jié)殼的人滲水流逐漸接近穩(wěn)定狀態(tài)，若認(rèn)為土壤非常均質(zhì),則土柱內(nèi)單位水勢梯度條件存在，即⊿H/⊿z=1，此時(shí)土壤的非飽和導(dǎo)水率就近似認(rèn)為等于結(jié)殼的人滲通量，K(h)=q。結(jié)殼的人滲通量取決于結(jié)殼的密度，在具有不同結(jié)殼密度的若干土柱上重復(fù)該試驗(yàn)過程，就可得到非飽和導(dǎo)水率系列，進(jìn)而獲得一定土壤負(fù)壓范圍內(nèi)原狀土壤的非飽和導(dǎo)水性能和參數(shù)。

代表性：該方法與人工模擬降雨法類似。在進(jìn)行較大區(qū)域試驗(yàn)時(shí)，存在所選小區(qū)域是否具有區(qū)域代表性的問題。

方法原理：表層結(jié)殼穩(wěn)定流法是在土壤吸濕過程中且人滲水流被近似認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定流條件下，觀測得到土壤的導(dǎo)水率點(diǎn)據(jù)，嚴(yán)格地講其導(dǎo)水率函數(shù)僅描述了土壤吸濕條件下的非飽和導(dǎo)水特性。但是，由于土壤水分滯后效應(yīng)對土壤水分特性曲線的形狀影響較大，而對導(dǎo)水率函數(shù)則較小，因此，由該法確定的非飽和導(dǎo)水率參數(shù)亦可用于田間土壤脫濕一吸濕循環(huán)過程的模擬中。

與其它同類田間試驗(yàn)相比，表層結(jié)殼穩(wěn)定流法具有試驗(yàn)邊界條件容易控制，試驗(yàn)地點(diǎn)選擇適應(yīng)性強(qiáng)且機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，土壤吸力變化范圍較窄(0-700cm)，導(dǎo)致實(shí)測的土壤非飽和特性具有范圍局限性[28]。

1.2.5 線源入滲測量法

2007年，雷霆武(2007)提出了測量坡地土壤入滲性能的線源入滲測量方法。

方法原理：在水量平衡原理的基礎(chǔ)上，利用線源徒留水流在土壤表面濕潤面積隨時(shí)間變化的規(guī)律，同時(shí)假設(shè)土壤均質(zhì)下，推到得出了由水流推進(jìn)過程計(jì)算土壤入滲性能的計(jì)算模型[29]。與其類似的還有雷霆武提出的點(diǎn)源入滲測量法，二者原理類似。如式(7)。

由水量平衡得到入滲過程中入滲率與供水流量的關(guān)系：

(7)

式中：q為供水流量，mm3/h；i為入滲率，mm/h；A為濕潤面積，mm2。

代表性：該方法與人工模擬降雨法類似。在進(jìn)行較大區(qū)域試驗(yàn)時(shí)，存在所選小區(qū)域是否具有區(qū)域代表性的問題。

線源入滲法能在坡地等條件下獲取包含初始入滲率的土壤入滲過程，有效克服了降雨器測量方法和雙環(huán)入滲儀的缺陷。該法具有原理簡單，省水，對地表要求較低，野外適應(yīng)力較強(qiáng)，測量精度較高等特點(diǎn)，克服了降雨法雨滴打擊或雙環(huán)法快速濕潤土壤所產(chǎn)生結(jié)皮對入滲的影響。因此，測量得到的是土壤本身所固有的入滲性能。

2 各野外試驗(yàn)方法比較

對文章所介紹的幾種試驗(yàn)方法試驗(yàn)代表性，測得參數(shù)，單次試驗(yàn)周期等進(jìn)行比較，比較結(jié)果如表1所示。

表1 非飽和水力傳導(dǎo)度野外試驗(yàn)方法比較概要

由表1可知，雙環(huán)測量法和圓盤入滲儀法具有試驗(yàn)方法較為簡單和單次試驗(yàn)周期短的顯著特點(diǎn)。圓盤入滲儀在國內(nèi)外測量非飽和水力傳導(dǎo)度中應(yīng)用越來越廣泛。圓盤入滲儀法及表層結(jié)殼穩(wěn)定流法，可直接測出非飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)，其他幾種方法均需測出飽和水力傳導(dǎo)度，根據(jù)VG模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化。五種方法都不能直接應(yīng)用于較大區(qū)域內(nèi)土壤入滲性能分析。在進(jìn)行較大區(qū)域土壤非飽和水力傳導(dǎo)度試驗(yàn)時(shí)，需要選擇具有代表性的小區(qū)域。

3 結(jié)論及建議

1)雙環(huán)測量法目前仍是最常用的野外試驗(yàn)方法，其次為圓盤入滲儀法。人工模擬降雨法、表層結(jié)殼穩(wěn)定流法和線源入滲法的應(yīng)用較少。

2)圓盤入滲儀可直接模擬土壤三維入滲非飽和水力傳導(dǎo)度，隨著計(jì)算機(jī)模及模擬方法的發(fā)展，未來發(fā)展前景廣闊。故在進(jìn)行較大區(qū)域土壤水動(dòng)力學(xué)模型模擬時(shí)，可考慮采用圓盤入滲儀測量非飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)。通過對三維非飽和水力傳導(dǎo)度公式的改進(jìn)，可更為真實(shí)的模擬土壤中水流的運(yùn)動(dòng)情況。

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Field Experiment Method of Unsaturated Soil Hydraulic Conductivity

SONG Chang-hong and WANG Ying-tao

(Heilongjiang Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation,Design and Research Institute, Harbin 150080, China)

Unsaturated soil hydraulic conductivity is one of the important parameters of water flowing movement in multi-holes medium, to select a correct and practical experiment method appears particularly important for survey as simulating the soil hydraulic model in big area. Overseas and home experiment methods of unsaturated soil hydraulic conductivity were studied fully in this paper, through comparing the theory and suitable scope of each major experiment methods and analyze their own advantage and shortage, the method suitable for field experiment was described in details to lay a foundation for soil hydraulic model in the big area.

unsaturated soil hydraulic conductivity; field experiment; saturated soil hydraulic conductivity;special variability

1007-7596(2017)07-0008-05

2017-06-21

黑龍江省灌溉與排水兩用渠道設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù)研究(201307)

宋長虹(1978-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，高級工程師；王影桃(1980-)，女，黑龍江安達(dá)人，高級工程師。

S152.7

B