土壤含水量对浑水入渗能力的影响

杨素宜

(太原大学 环境工程系,山西 太原 030009)

土壤含水量对浑水入渗能力的影响

杨素宜

(太原大学 环境工程系,山西 太原 030009)

土壤含水量对浑水入渗能力产生明显影响,土壤含水量由小变大,浑水入渗能力减小;3个入渗参数随土壤含水量的增大而减小。研究结果对于指导浑水入渗及引洪补源具有重要意义。

土壤含水量;浑水入渗;累积入渗量;入渗参数

1 引言

我国是一个水资源贫乏的国家,在地面水不足的情况下大量超采地下水,导致了地下水位的区域性下降,并引发了一系列的环境问题。从补充地下水,恢复地下水环境的角度看,洪水资源在多个方面优于其它资源。引用洪水资源补充地下水主要有三种方式,即点补、线补和面补。点补是通过井、蓄水体等补充地下水,线补即通过河流和渠道等补给,面补是通过农田灌溉补充地下水。面补与点补和线补相比较,范围大,容易操作,经济又方便,因此,面补是实现引洪补源的一种较好的方法。

影响浑水入渗因素包括土壤条件和浑水自身条件,在相同土壤质地下,当土壤结构不变时,影响同一泥沙含量的浑水入渗的主要因素是土壤含水量。本研究试图以浑水入渗试验资料为依据,分析土壤含水量对浑水入渗能力的影响及土壤重量含水量与累积入渗量和入渗参数间的关系,为合理利用洪水实现引洪补源提供参考依据。

2 试验条件与试验方法

2.1 试验条件

2.1.1 土壤条件

大田土壤浑水入渗试验是在山西省大同市御河试验站试验田的麦子田地进行的。试验田的耕作层深度约为20cm左右。依据美国制的土壤质地颗粒级划分方案,试验田土壤是砂壤土,粘粒含量比较小,仅有5%,砂粒含量较大。试验田土壤含水量通过在构筑好的地表水平喷灌不等量的水来实现,喷灌水深度按0mm、25mm、50mm、75mm、100mm五种情况构筑自然耕作状态下的不同土壤含水量。喷灌水构筑后的土壤含水量(重量含水量θ)测定其变化范围为9.0%～20.7%。

2.1.2 试验用浑水

本试验所用浑水依据2004年大同市夏天几场洪水最大和最小泥沙含量配制(配制泥沙含量分别为1%、3%、5%、7%、10%)。所用泥沙是每次洪水通过试验田渠道所淤流下的泥沙(泥沙中各颗粒含量为:砂粒(>0.05mm)占62%,(0.05～0.002mm)占34%,粘粒(<0.002mm)占4%)风干后所得。配制浑水时先测出风干后泥沙的含水量θ,计算出配制一定量一定比例的浑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浑水所需泥沙量,kg;

ρ——浑水泥沙含量(质量分数),%;

θ——风干后泥沙的含水量 (质量分数),%;

MW——配制一定量一定比例的浑水所需自来水量,kg。

将计算出的泥沙量溶于配制一定量一定比例的浑水所需自来水中配制所需比例的浑水。(泥沙溶于水的过程在几个体积为20L的大桶内进行,用搅拌器不断搅拌,直到最后完全溶解并使其混合均匀。在浑水入渗试验过程中,也一直用大小不等的搅拌器搅拌,保证加入入渗环内的是均匀的浑水。)

2.2 试验方法

浑水入渗试验采用自制入渗双套环,其中外环直径60cm,内环直径26.5cm,内外环高度均为25cm。入渗内环供水用不同容量的量筒计量,并用特制的水位控制仪控制内外环水位。用秒表测定入渗时间。

2.3 测试数据

1)试验入渗结果测定。包括各个时间和不同时间段的入渗浑水量,入渗结束时的剩余浑水量。入渗开始时10min内,每分钟观测一次;10～70min,5min观测一次;80min和90min各观测一次。入渗率达到相对稳定时结束试验。

2)试验土壤含水量的测定,用土砖法测定土壤初始重量含水量。

3)试验外部条件测定。包括试验所用浑水的水温,试验时的气温和地温。

3 试验结果与分析

3.1 土壤含水量对浑水入渗能力的影响

大量的大田浑水入渗试验表明可以用90min累积入渗量(h90)反映浑水的入渗能力。为分析方便,不同土壤含水量的浑水入渗试验是在相同土壤质地条件下进行的,不同泥沙含量的浑水所反映的入渗趋势相同。现取两种泥沙含量的浑水入渗试验结果进行分析。

图1为自然耕作状态时不同土壤含水量条件下,不同泥沙含量浑水的土壤累积入渗量曲线比较图。图上可以看出:

1)土壤含水量对浑水入渗能力有明显影响

图1-a和1-b和为两种泥沙含量的浑水在不同土壤含水量条件下的累积入渗量过程线。图1反映出:无论哪种泥沙含量的浑水,土壤含水量对浑水入渗能力都产生明显影响,土壤含水量小的累积入渗量过程线始终位于土壤含水量大的累积入渗量过程线之上,土壤含水量由小变大,浑水入渗能力减小。

2)浑水入渗能力随土壤含水量的增大而减小,它们之间呈对数关系

图2为(H90)随土壤含水量(重量含水量θ)的变化曲线图。图2表明:无论浑水泥沙含量为多大,H90都随着土壤含水量的增大而减小,它们之间呈对数关系,尽管图中个别试验点数据有些离散,但模型参数随土壤含水量的增大而减小的规律还是很明显的。拟合方程如下:

图1 不同含沙量的浑水在不同土壤含水量条件下的累积入渗量曲线图

图2 H90随土壤含水量变化图

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

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

决定入渗量大小的因素为土水势梯度和水力传导度。土壤含水量主要从入渗水流湿润区的平均势梯度方面影响浑水入渗能力。土壤含水量越高,水分入渗锋面的土水势越高,则水分入渗锋面与未湿润土层之间的平均势梯度越小,因此浑水的入渗通量越小,即浑水入渗能力越低。所以土壤含水量越高,浑水入渗能力越小。

3.2 土壤含水量与 Kostiakov-Lewis模型参数间的关系

浑水入渗符合 Kostiakov-Lewis模型。α为经验入渗指数,反映土壤入渗能力的衰减速度;K为经验入渗系数,其物理意义是入渗开始后第一个单位时段末的累积入渗量,在数值上也等于第一个单位时段末的入渗速度;f0为土壤的相对稳定入渗率,即单位势梯度下饱和土壤的入渗速度,非饱和土壤入渗速度达到相对稳定时的入渗速度。

图3是不同泥沙含量浑水的入渗模型参数α、K和f0随土壤含水量的变化关系曲线图。

1)入渗模型的每个参数都随土壤含水量的增大而减小

图3 入渗模型参数与土壤含水量θ的关系图

从图3可以看出:不论是那种泥沙含量的浑水,土壤含水量对入渗模型的三个参数(α、K和f0)都产生明显影响。他们都随土壤含水量的增大而减小。

在同一土壤质地和土壤结构的条件下,给定浑水泥沙含量,在入渗初期的水分运动可以近似为饱和土壤中的水分运动(因地表一定厚度范围内的土层在入渗开始后很快饱和)。在过水面积一定的情况下,入渗通量取决于势梯度,而势梯度的大小主要取决于土壤含水量。土壤含水量越高,势梯度越小,入渗通量也越小。因此,土壤含水量越高,K值越小。

f0作为入渗界面处的饱和导水率,其大小主要取决于土壤孔隙的多少和大小。土壤含水量的变化引起土壤孔隙多少和大小的变化,因而引起f0的变化。土壤含水量越高,土壤孔隙被水分占据的越多,土壤孔隙也就越少,孔隙率也越小,故浑水相对稳定入渗率f0也越小。所以,随着土壤含水量的增加,浑水相对稳定入渗率 f0减小。

2)入渗模型的每个参数都与土壤含水量呈对数关系

入渗模型的每个参数都与土壤含水量呈对数关系,具体拟合方程见表1。

表1 各模型参数与土壤含水量拟合方程表

4 结论

1)土壤含水量对浑水入渗能力产生明显影响,土壤含水量由小变大,浑水入渗能力减弱。

2)90累积入渗量与土壤含水量之间呈对数关系。

3)在同一土壤质地条件下,入渗模型的3个参数(α、K和fQ0)都随土壤含水量的增大而减小,它们之间也符合对数关系。

由于浑水入渗的复杂性,影响浑水入渗的因素很多,本文就同一土壤质地条件下,土壤含水量对其影响作了初步探讨,有关浑水入渗及其影响因素有待于进一步研究。

[1]解文艳.土壤质地对土壤入渗能力的影响[J].太原理工大学学报,2004,35(5):537-540.

[2]白丹.浑水入渗规律试验研究[J].土壤侵蚀与水土保持学报,1999,5(1):59-62.

[3]雷志栋.土壤水动力学[M].北京:清华大学出版社, 1998.

[责任编辑:王启军]

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

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1671-5977(2010)02-0127-04

2010-01-15

杨素宜(1980-),女,内蒙古商都人,太原大学环境工程系教师。