農業水資源指流研究

0水分入滲過程中：指流發生與發展所謂總流，是多孔介質中流的一種類似“手指狀”的水運移方式，屬于優先流。區別于其他形式的優先流(如大孔隙流、漏斗流等),指流不是由介質非均質性造成的,其可以在完美的均質介質中產生。最早的指流研究始于20世紀50年代的石油領域,在土壤學領域,指流研究自20世紀70年代才受到越來越多的關注。指流的發生能較快地疏干表層土壤水造成提前干旱,從而亦影響作物對養分、農藥和殺蟲劑的利用效率,因此,指流研究對農業水肥利用效率、環境和水資源污染防護等具有重要意義。目前,國內外對水分入滲過程中指流發生、發展和影響因素進行了大量研究[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。普遍認為,水分在細質土覆于粗質土之上的層狀土體中入滲時易出現指流;水分在斥水性(water-repellency)土壤中入滲時易出現指流;當水分入滲率小于土壤介質的飽和導水率時,粒徑較粗的均質土體中也易發生指流;水分入滲過程中,若濕潤鋒前的空氣不能被及時排出而導致氣阻或土壤空氣受壓時,易于產生指流;2種密度和黏度不同的液體在多孔介質中入滲時,易出現指流。此外,土壤介質的初始含水率亦會影響水分入滲過程中濕潤鋒的不穩定性。總體上講,指流是多方面因素造成的干擾波在臨界非穩定狀態下產生耦合放大的結果,土壤介質和流體特性是指流產生的內因,施水方式、系統的初始和邊界條件是促使指流產生的外部條件。最近研究表明,入滲結束后的水分再分布過程中也可以出現指流。國內對此研究極少,僅李賀麗等探討了前期供水量、實驗土箱尺寸、溶液濃度等因素對水分再分布過程中指流發育的影響。土壤介質作為指流發生和發展的重要媒介,研究其結構特性和初始條件對水分再分布過程中指流發育的影響亦非常必要。據此,本文采用粗質石英砂和細質石英砂這2種不同的土壤介質進行試驗,探討了土壤質地、土壤結構(包括均質土體、質地成層土體和濕度成層土體)、土壤初始含水率等對水分再分布過程中指流發育的影響,以期為進一步研究提供指導。1粗質石英砂的特性試驗土箱材質為有機玻璃,內徑為98cm×100cm×1cm(高×寬×厚),可模擬土體中的二維水分運動。為便于裝土和取土,土箱面板采用螺栓固定,可拆卸。土箱面板上刻有2cm×2cm的網格線用以描繪濕潤鋒形態。土箱底部設有9個直徑3mm的孔用于排水并防止空氣壓縮。供水裝置采用馬氏瓶,并通過乳膠管與降雨模擬裝置相連。降雨模擬裝置由動力控制設備、鏈條傳動裝置和配水管組成。配水管設有8個針頭連接口,可根據試驗需求調節供水流量。試驗裝置如圖1。試驗采用的土壤介質為粗質石英砂和細質石英砂,其體積質量分別為1.58g/cm3和1.60g/cm3,主要粒徑分布范圍分別為0.25~1.00mm和0.05~0.25mm,2種砂土的機械組成見表1所示。另外,采用常水頭滲透試驗與環刀法測得,粗質石英砂的飽和水力傳導度為0.0015cm/s,飽和體積含水率為0.465cm3/cm3;細質石英砂的飽和水力傳導度為0.0008cm/s,飽和體積含水率為0.499cm3/cm3。本研究通過考慮土壤質地、土壤結構(包括均質土體、質地成層土體和濕度成層土體)、土壤初始含水率等因素以探討土壤結構特性和初始條件對水分再分布過程中指流發育的影響,共設計了6種試驗處理方案(表2),且每種處理進行2次重復試驗。裝土之前,根據試驗設計土體高度計算各土壤介質的裝土體積;然后根據各土壤介質的體積質量計算試驗所需各土壤介質的裝土質量;最后將試驗所需的各土壤介質稱質量,準備好。根據試驗設計,若整個或部分土體具有一定的初始含水率,則還需根據初始含水率的大小向備好質量的土壤介質中加水并攪拌均勻。本研究前期預備試驗發現,若將土箱直立放置,裝土過程中土壤顆粒會在重力的作用下進行自然篩分,因此,本次試驗采取將試驗土箱水平放置的裝土方法。裝土時,先將試驗土箱水平放置,移去土箱表面的一塊有機玻璃板,將備好的土壤介質放于土箱對應位置處,鋪平壓實至1cm厚;再將移去的土箱面板重新壓上并用螺栓緊緊固定;然后將土箱直立起來,用橡皮錘輕拍土箱使土壤顆粒自行下沉、壓縮至密實,最后平整土體表面至最終設計高度(均質土壤86cm,成層土壤94cm)。試驗供水強度大小約為0.2273cm/s,足以使土體表面產生積水;水分再分布過程從積水消失時刻開始計起。2結果與分析2.1水分再分布過程中1次研究采用粗質石英砂和細質石英砂2種類型介質,設計了處理1和處理2分析土壤質地對水分再分布過程中指流發育的影響,具體參數見表2。需要說明的是,處理設計本應將這處理1和處理2的供水量保持相同,然而,在實際試驗過程中,由于處理2采用細質石英砂,其毛管吸力較大,持水性較好,當采用與處理1相同的供水量(750cm3)時,其后的水分再分布過程很難進行,因此,對處理2進行了2次施水過程。對于采用風干粗顆粒石英砂裝成的均質土體(處理1),當累積供水量達到750cm3時供水停止,則在土表產生的深度約為1cm的積水層隨即消失,水分再分布過程即刻開始。此時,濕潤鋒已移至土體表面以下20cm深度處,鋒面相對平整,較為穩定,如圖2。然而,在隨即開始的水分再分布過程中,原本較為穩定的濕潤鋒面迅速分裂形成指流,指鋒以極快的速度向前推移。當水分再分布過程持續10min時,若干形態狹長的指流已經形成,指鋒接近土體的下邊界。在隨后過程中,由于土壤毛管吸力對水流的控制作用使指流側向發育受到抑制,但在重力作用下指流垂向發育繼續進行,不過指鋒下移速度有所減慢。當水分再分布過程進行17min時,指鋒已達土體下邊界。在本處理條件下,指流平均長度約為60cm,平均指寬不足10cm,其“手指狀”形態非常明顯。對于采用風干細顆粒石英砂裝成的均質土體(處理2),首次供水750cm3,土表積水消失即水分再分布過程開始時,土體濕潤深度為15cm左右,如圖3。在隨后的水分再分布過程中,濕潤鋒前移的速度很慢,鋒面平坦;當水分再分布過程進行320min時,濕潤鋒停止下移,鋒面依然穩定,無指流出現。此時,再次供水750cm3,即2次供水過程相隔了320min。在第2次供水入滲結束后的水分再分布過程中,濕潤鋒又開始向前推移,但濕潤鋒前移速度依然很慢;第2次水分再分布過程持續691min后,濕潤鋒面接近土體的下邊界。至此,鋒面依然呈穩定形態,未有指流出現。試驗表明,在充分供水后的水分再分布過程中,均質土壤中也可以出現指流;且土壤質地較粗時指流容易產生。Wang等認為這是由于均質土壤中存在一個臨界濕潤深度(定義為吸濕曲線上的進水勢值與脫濕曲線上的進氣勢值之差),只有當實際降雨或灌溉濕潤深度大于該臨界濕潤深度時,水分再分布過程中才會出現指流。根據這一判據,土壤質地較粗時,毛管作用越弱,導水性能較好,臨界濕潤深度較小,濕潤鋒的推進速度較快,正的基質勢梯度較容易形成,鋒面容易變得不穩定,易于形成指流。這一研究結果為合理地選擇灌溉水量以阻止指流產生具有指導意義。例如,粗質沙土性土壤灌水量不宜過多,否則會發生指流,降低作物的水肥利用效率。2.2土體初始含水率對濕流體穩定性的影響為研究土壤初始含水率對水分再分布過程中指流發育過程的影響,采用粗質石英砂裝成均質土體,按照初始體積含水率的大小共設計了處理1、處理3和處理4等3種情況以進行對比分析(見表2)。處理1、處理3及處理4中指流的發育情況分別見圖2、4。處理3的初始體積含水率為0.015cm3/cm3,累積供水量亦為750cm3。水分再分布過程開始時,土體濕潤深度為15cm左右,濕潤鋒穩定(圖4a);隨著水分再分布過程的持續,穩定的鋒面出現擾動并逐漸被加強,鋒面逐漸分裂;40min后,初步形成了3個形體較明顯的指流;當水分再分布過程進行85min時,指鋒移至土體下邊界。與初始含水率為風干狀態的土體結構(處理1)相比,本次處理中指流的發育過程持續的時間較長,所形成的指流寬度較大,長度較小,指流的形體較不明顯。處理4的初始體積含水率為0.045cm3/cm3,累積供水量亦為750cm3。土表積水消失時刻土體的實際濕潤深度不足15cm,鋒面平整(圖4b);在之后的水分再分布過程中,濕潤鋒擾動不大,但其下移的速度較快;當水分再分布過程進行到50min時,濕潤鋒即到達土體的下邊界,此時,濕潤鋒仍比較穩定,沒有明顯的指流出現。由此得出,在土表積水消失之后的水分再分布過程中,初始含水率的增大會抑制指流的形成和發展。此外,還可以看出,濕潤鋒面推移速度受土體初始含水率和指流發育情況的耦合影響,與其中任一因素不具有簡單的增減關系,即土體初始含水率較大或指流發育較弱時的濕潤峰下移速度可與土體初始含水率較小或指流發育較強時的情況相接近。原因在于,在較干燥的土壤中容易出現指流,且所產生的指流呈狹長形態,水流比較集中,則濕潤鋒下移的速度較大;但是,當介質的初始含水率較大時,雖然指流不易出現,但其水力傳導度較大,則濕潤鋒向前推進的速度也較大。2.3成土過程對土壤質地成層的影響土壤成層的現象在農區內普遍存在,其形成主要有2種情況:一種是受自然因素(母質、氣候、地形、生物、時間)和人類耕作活動等影響,經過不同的成土過程形成的土壤質地成層;還有一種是受地表蒸發、地下水位波動和人類灌溉活動等影響而形成的土壤濕度成層。因此,本文在研究層狀土壤結構對指流發育的影響時,考慮了質地成層結構和濕度成層結構2種情況。2.3.1水分再分布過程處理5中土體上層22cm為風干細質石英砂,下層72cm為風干粗質石英砂(表2)。由于上層細質石英砂的持水性能較好,前期供水量增至1200cm3。在初始風干的上層細質下層粗質的層狀結構土體中,水分再分布過程開始時,濕潤鋒已移至交界面處,并在鋒面處有微小擾動產生;在隨后的水分再分布過程中,已有的擾動迅速被加強,并在界面處形成若干指流;指流出現后,指間濕潤鋒停止向下移動,自由的水分均向指區供給,指流保持狹長的形態快速地向下傳播;當水分再分布過程持續進行80min時,部分指鋒已達土體的下邊界。與均質土體(處理1)相比較,本處理中出現的指流為數較多,形體更為細長,且其形體的發展呈現出很大的隨機性及不規則性,指流發育過程相對錯綜復雜,指流形態參差不齊。因此,鑒于該處理中指流的發育過程已無法在刻有網格的土箱面板上通過描繪濕潤鋒的方式很好地記錄下來,研究采取了利用相機拍照的記錄方式,如圖5。此外,本次處理中水分再分布過程持續時間較長,可能是由于上層細質石英砂的持水性能較強,多數水分被其所截持,剩下的參與下層土壤指流發育過程的水分較少的緣故。總之,可以認為,相對均質土體來說,細質土覆蓋于粗質土之上的層狀結構土壤,在水分再分布過程中更容易出現指流,且指流的形體更為明顯。2.3.2濕度分層界面為研究濕度成層對水分再分布過程中指流發育過程的影響,研究采用粗質石英砂進行試驗,其中上層22cm土體初始狀態為風干,下層72cm土體的初始體積含水率為0.03cm3/cm3,累積供水量亦為750cm3(見表2處理6)。當土表積水消失即水分再分布過程開始時,濕潤鋒已接近濕度分層界面,鋒面穩定,如圖6。在之后的水分再分布過程中,濕潤鋒下移的速度較慢且鋒面的波動也不大;當再分布過程持續210min時,濕潤鋒接近土體的下邊界,擾動被加強,指流初步開始發育,試驗結束時其形態還不是很明顯。與均質土壤(處理1)對比,本處理指流的發育進程較慢、程度較弱。筆者認為,這可能是由于在土表積水尚未消失之前的下滲過程中,上層風干土體的大部分孔隙均被水充滿,積水消失時濕潤鋒已接近分層界面,若此時上層土體中均勻分布的含水率接近或大于下層土的初始含水率,那么其后的再分布過程類似于整個土體初始含水率均較大(如處理4)或下層土體上方存在一個導水性更強的或進水勢值更大的土層情況,此時,指流發育必然會受到抑制。3水分再分布過程中指流的分布規律本文以試驗為手段,采用粗質石英砂(粒徑0.25~1.00mm)和細質石英砂(粒徑0.05~0.25mm)這2種不同的土壤介質進行試驗,結果表明,水分再分布過程中,土壤介質的質地、結構和初始含水率等特性能夠對指流現象的發生、發展產生重要影響。具體有以下幾點:1)水分再分布過程中,均質粗質石英砂中可以產生指流;2)水分再分布過程中,土壤質地較粗時易于形成指流;3)水分再分布過程中,初始含水率的增大會抑制指流的形成和發展。