入渗水头对盐碱土水分运移影响数值模拟研究

2010-09-17罗朋

山西水利 2010年8期

罗朋

（山西省水利水电科学研究院，山西太原 030002）

为缓解区域水危机，尤其是在淡水资源缺乏而咸水资源较丰富的盐碱地分布区，充分利用区域内的水土资源，实现农业可持续发展，采用先进的灌水方法是未来农业发展的趋势。盐渍土是一种世界性的低产土壤，由于我国水资源短缺和土地资源的日益减少和退化，实行节水灌溉，提高土壤生产能力，改良和利用盐渍化土壤已成为提高农业生产、合理利用水资源和土地资源的一个重要问题。近年来，国内外许多学者对盐碱土的灌溉利用及改良方面做了大量的研究工作，特别是在盐碱土壤中实施节水灌溉对土壤水盐运动和作物生长的影响是许多学者十分关注的热点问题，这就需要了解不同灌溉条件下的土壤水盐运动规律。在不同节水灌溉方式对土壤水盐运移的研究方面，国内外学者在喷灌、重力滴灌及地下渗灌做了一些研究工作[1-3]，关于不同水头对土壤水盐运动的影响，国内外学者大多研究了入渗水头对土壤水分运动的影响[4-5]，对在盐碱土壤中不同入渗水头对土壤水分运动的影响的研究还较少。实际上，研究不同水头对土壤水分变化的影响，对盐碱土壤的水盐运移特征有重要作用，它是盐碱土实施重力滴灌和地下渗灌技术的一个重要理论依据。本文针对盐碱土在不同入渗水头条件下土壤水分运移特征进行分析，通过室内土柱试验来揭示不同入渗水头下盐碱土垂直入渗对土壤中水分运移的影响进行模拟，为在节水灌溉条件下盐碱地区的水分管理、盐碱土壤的改良提供可靠的理论依据和现实指导。

1 试验材料与方法

1.1 供试土壤

土样取自甘肃省民勤县双茨乡裕民村，取土深度40 cm。土样的选取共分5个采样点两个地方，取回后土壤经过掺拌过2 mm筛子，使土样均匀并经自然风干。采用烘干法测定风干土壤初始含水率为2.51%，采用重量法测得土壤初始含盐量为1.634%。

1.2 试验处理和方法

为研究盐土在垂直入渗条件下，入渗水头和初始容重对盐土水分含量变化的影响，进行了一维垂直入渗试验。试验装置包括试验土柱、供水设备及其他测量装置。入渗水采用无二氧化碳的蒸馏水。土柱试验土壤容重分别为 1.35 g/cm3，1.45 g/cm3和 1.50 g/cm3，进行了在5个不同入渗水头（2.5 cm，5 cm，10 cm，15 cm，20 cm）下的垂直入渗试验。

2 结果与分析

土壤入渗特性是反映土壤入渗过程中湿润锋随时间的变化规律以及土壤累积入渗量和入渗速率的变化特征。在积水入渗条件下，土壤中水分的运动过程受表层土壤与下层土壤的水势梯度（基质势梯度）及重力作用的影响，使水在土壤孔隙中做不稳定运动。

2.1 湿润锋与时间的拟合关系

对试验处理下湿润锋的推进距离与入渗时间的实测数据关系进行分析，表明湿润锋的推进距离和入渗时间关系可用幂函数来描述：

式中：l——湿润锋推进距离，cm；

t——推进时间，min；

a，b——拟合参数。

对实测数据资料进行拟合[6]，拟合结果见表1。

表1 不同水头作用下湿润锋与时间的关系拟合参数

由表1可以看出，不同容重以及不同水头条件下的土壤湿润锋迁移与入渗时间的关系均呈显著的幂函数相关。

在湿润锋迁移距离和入渗时间的关系式中，系数a为第一分钟末的湿润锋推进距离，它是土壤质地、土壤初始含水量等因素控制条件下反映土壤湿润锋推进速度快慢的重要参数之一，也是反映入渗初期施加在土壤表面水势梯度大小的重要因子。

在同一种土容重条件下，随着入渗水头的增加，幂函数中的系数a呈增加趋势，而指数参数b则呈降低趋势。为定量描述入渗水头对参数a和b的影响，绘出不同水头与参数a和b的关系，如图1所示。

由图1可以看出，在三种土壤容重条件下，参数a与入渗水头的关系呈对数函数相关，同一水头条件下，容重对参数a的影响较小，说明初期的土壤入渗主要受土壤表层与干土层水势梯度的影响，水头的增加提高了水势梯度，使湿润锋前进速率增加，表现为参数a增大。同时参数b与入渗水头的关系呈线性负相关，但与土壤容重相比，入渗水头对参数b的影响很小，土壤容重与参数b符合二次抛物线关系。

将参数a与入渗水头的关系式和土壤容重与参数b的关系代入（1）式，就得到了考虑入渗水头和土壤容重条件下湿润锋的推进距离和入渗时间的拟合关系，如式（2）所示：

2.2 累积入渗量与时间的拟合关系

图1 γ=1.50入渗水头、容重和参数a，b的关系

由试验各处理下的累积入渗量与入渗时间的实测数据关系分析得出，不同土壤容重在不同入渗水头条件下累积入渗量随时间的变化曲线趋势与湿润锋的推进距离和入渗时间关系曲线基本相同。分析表明，累积入渗量随时间关系曲线也可用幂函数来描述，即常用的Kostiakov入渗经验公式：

式中：I——累积入渗量，cm；

t——推进时间，min；

A，B——拟合参数。

在累积入渗量和时间的变化关系式中，系数A为第一分钟末的累积入渗量，在土壤质地、土壤初始含水量等因素一定的情况下，它是反映土壤入渗能力大小的重要参数之一。随着入渗时间的增加，进入土体的水分逐渐增加，被湿润的土体越来越大，即累积入渗量随时间逐渐增加。

表2 不同水头作用下累积入渗量与时间拟合参数值

由表2可以看出，参数A和参数B都随入渗水头的增大而增大，且入渗拟合相关系数R均在0.99以上，呈显著幂函数关系。入渗初期，土体结构没有发生较大的变化，入渗过程主要靠基质势梯度和重力梯度影响作用进行增渗。随着入渗的进行，在入渗水头压力和重力的作用下，使土体结构发生变化，表层土体发生消散和分散，并受压力而致密，从而减小土壤的空隙，使土壤的导水性和透水性相对减弱，也就是土壤水分输运速度减慢，导致土壤入渗各个参数的整体减慢。

为定量描述入渗水头对参数A和参数B的影响，绘出不同水头与A和B的关系，如图2所示。

由图2可以看出，三个容重对参数A在入渗水头的影响很小，这是因为A为入渗初始第一分钟末的累积入渗量，说明初期的土壤入渗主要受土壤表层与干土层水势梯度的影响，水头的增加提高了水势梯度，使湿润锋前进速率增加，表现为参数A增大；同一水头条件下，随着容重的增大，参数A也增大，但影响较小。同时可以看出，同一容重下参数B与入渗水头呈线性正相关，随着入渗水头的增大，参数B增大；同一入渗水头下，随着容重的增大，参数B增大，且随入渗水头的增大各容重间参数B增大的差异变大。

3 结语

通过对盐碱土垂直一维入渗试验数据分析，研究了不同入渗水头下湿润锋、累积入渗量与时间的关系，结果表明：一是随着入渗水头的增加，入渗速率逐渐减小，湿润锋和累积入渗量均可表示为时间的幂函数，且相关性很好，提出了考虑入渗水头和土壤容重条件下湿润锋的推进距离和入渗时间的关系式；二是不同土壤容重在不同入渗水头条件下，累积入渗量随时间的变化也可用幂函数来描述，其中参数A受土壤容重和入渗水头的影响较小，而参数B随着入渗水头的增加呈线性增加趋势，随着土壤容重的增加呈降低趋势。