内蒙孪井灌区包气带土壤水分特征研究*

刘贯群,孙蓓蓓,朱良超,王 娟

(中国海洋大学1.环境科学与工程学院;2.海洋环境与生态教育部重点实验室,山东青岛266100)

土壤水分特征曲线定义为土壤水的基质势或土壤水吸力随含水量变化的关系曲线,反映土壤水在非饱和状态下土壤水和土壤固体之间相互作用的关系以及保持土壤水的土壤颗粒的表面吸附力和土壤孔隙的毛管力对土壤水的作用。非饱和土壤中的水由吸着水和毛细管水组成,这2部分水的数量是影响土壤物理、力学性质的重要因素[1-2]。

在研究土壤水分入渗、蒸发、土壤侵蚀及溶质运移过程中,土壤水分特征曲线是推求各种水分运动参数的重要手段。它是分析土壤水运动的最基本资料之一,也是获取其他土壤水动力参数及土壤水分常数的基础[3]。随着农田生态环境污染问题的日益严重以及农田水肥联合调控管理不断受到重视,尤其是对于生态环境非常脆弱的我国西北干旱地区农业灌区,利用数值模拟方法进行土壤水分运动及溶质运移的预测显得越来越重要[4]。魏长义等利用土壤机械组成和容重推断东北干旱农业区淋溶褐土的水力参数,得出土壤含水量、土壤导水率计算值与测定值的相对误差均随着水势的降低而减小,土壤含水量的相对误差较土壤导水率低[5]。冯杰等研究了大孔隙土壤水土性质,说明土壤的孔隙结构能够影响水分特征曲线形状和拟合参数[6]。

常用的拟合土壤水分特征曲线经验模型有B roods-Co rey模型、van Genuchten模型、Gardner模型和Gardner-Russo模型等。其中van Genuchten模型是最广泛采用的描述土壤水分特征曲线方程的模型。van Genuchten模型适用土壤质地范围比较宽,符合吸湿过程中土壤吸力变化特点。该模型得到的曲线光滑且具有连续斜率,线型与实测数据曲线相似度高,参数意义明确;对绝大多数土壤在相当宽的水势或含水量范围内具有普遍适用性,并可得到相对导水率的解析解。卢小惠等对栾城粉质黏土土壤水分特征曲线进行拟合,认为原状土效果最好的模型是原始van Genuchten模型;而扰动土为修正的van Genuchten模型[7]。

1 材料与方法

1.1 样品采集与测定

本试验所用土壤样品取自内蒙古孪井灌区,该地区位于内蒙古阿拉善盟南部,是极其干旱的沙漠边缘,其西部紧连腾格里沙漠,属于典型的大陆性干旱气候,降水稀少,蒸发强烈。灌区包气带岩性下部为第三系砂岩、含砾砂岩,局部为砂质泥岩;上部为第四系黏类土、砂类土与砂砾石组成的双层结构[8]。灌区灌溉面积为7.64 km2,1994年底灌区正式引水灌溉。灌区建成后,主要采用漫灌方式种植小麦、谷物、经济作物等。

根据耕作灌溉年限和土壤性质的不同,选取该地区具有代表性的3个采样点K1,K2,K3(见图1)。在田间用环刀取得不同深度的原状土样。采用环刀截面面积41 cm2,体积为250 cm3。土壤水势和重量测量采用ku-p F Apparatus DT 04-01非饱和导水率仪(德国UGT公司),装置图如图2所示。

1.2 实验方法

目前用于室内测定土壤水分特征曲线的方法主要有张力计法、压力膜法和离心机法等,本研究采用的非饱和导水率仪法是自动连续化的张力计法。

利用环刀采原状样,将样品充分饱和后,测量时将土壤样品放置在样品容器中,将底部密封,上表面暴露于空气中,以便于水分蒸发。使用Ku非饱和导水率测定系统(见图2)可以同时测量10个土壤样品。样品容器被放置在具有星型吊臂的系统上,设置样品的测量时间间隔是10 min。运行了1个周期的土壤样品转至天平上方时将得到1次称重,以确定水分的变化量。每个样品容器配备2个张力计(间隔3 cm)用于测量土壤样品的顶部和底部不同的水势变化情况。土壤样品在插入张力计后的体积为245 cm3。当上层张力计读数在75～89 kPa之间时,停止测量。通过数据采集系统获取不同时间的土壤水势和土样重量数据[9]。

图1 孪井灌区采样点Fig.1 Sampling points in Luanjing

图2 Ku-p F非饱和导水率仪Fig.2 Ku-p F Apparatus

2 拟合模型与软件

van Genuchten模型是最广泛采用的描述土壤水分特征曲线方程的模型。在本次试验中,采用该模型和其修正模型来拟合实际的水分运动。

2.1 van Genuchten模型

van Genuchten以M ualem为基础得出的水分特征曲线的方程式为[10]:

式中:θ(h)为土壤含水量;h为压力水头,cm;θr为土壤残余含水率;θs为土壤饱和含水率;α和n为经验拟合参数(或曲线形状参数);m=1-1/n。

修正的van Genuchten模型[11]方程式为:

式中:符号与原Van Genuchten模型一致,但m=1-2/n。

2.2 RETC软件拟合土壤水分特征曲线

RETC软件由Simunek和van Genuchten开发,可用于分析非饱和土壤水分和水力传导特性。该软件操作简单,计算精度高,适用性广[5,12]。该软件运用Broods-Corey模型和van Genuchten模型来拟合土壤水分特征曲线[11]。

运行RETC软件拟合时,选择Van Genuchten(m=1-1/n)或者Van Genuchten(m=1-2/n);把实测数据输入到Retention Curve Data进行运算,得到拟合曲线和θs,θr,α,n等参数。

3 土壤水力参数及模型分析验证

3.1 土壤机械组成测定与水力参数

在采样点按土壤类型采取样品并测定其机械组成,K1,K2采样深度均为0.2 m,在K3点采样深度分别为0.2,1.6,2.5和3.2 m(见表1)。

通过Ku-p F非饱和导水率仪采集各土壤样品水势和重量数据,从土壤负压值为0升至75～89 kPa,θs,θr实测的数据点可以绘出实测数据的土壤水分特征曲线。

该仪器的优势在于能够在固定的时间间隔内自动连续读取水势和含水量变化数据,最小的时间间隔为10 min。从土壤水分充分饱和状态开始,到达到残余含水量为止,测量数据可以形成近乎连续的土壤水分特征曲线。

由于土壤黏性不同,运行天数不同,因此每个土壤样品的每隔10 min测定的步数约为450～1100。利用非饱和导水率仪能够得到近乎连续的曲线,真实反映土样的脱水过程。从图3中可以看出,不同土壤类型,水分特征曲线的形状不同。

表1 土壤样品的颗粒分析结果Table 1 Size analysisof soil samp les/%

表层的砂壤(见图3a)饱和含水量相对偏低,负压0～300 cm区间含水量下降速度快,曲线斜率高。粉砂(见图3b)饱和含水量高,负压在0～200 cm区间曲线梯度大,迅速接近残余含水量;200～800 cm含水量保持稳定。砂砾石(见图3c)>2 mm的砂砾比重高,易脱水,且曲线在0～800 cm整个区间下降均匀平缓。黏壤(见图3d)残余含水量最大,黏结力强,不易脱水;水分特征曲线近似为一直线。分析K3点不同深度土壤样品数据,可以建立van Genuchten模型的土壤水分特征曲线方程。

3.2 2种模型分析验证及最优确定

拟合模型的优劣在于模拟值与实测值之间差异的大小及分散程度,可以综合分析比较标准差、相关系数和显著性检验F值、t值等统计指标确定。相关系数是表征数据之间线性相关的密切程度。

运行RETC,可以计算2种土壤水分特征曲线模型的计算值和实测值之间的标准差、加权平方和、相关系数及t值等(见表2)。

RETC结果输出Graph of Soil Hydraulic Properties中得到2种模型实测数据点与拟合特征曲线的吻合程度,见图4(以K3-1,K3-2为例)。从图中可以看出,van Genuchten模型相对于修正模型其拟合曲线的结果与实测值拟合程度更好。van Genuchten修正模型在负压值逐渐升高(≥40 kPa)后,其拟合体积含水率结果低于实测含水率值。用样本相关系数判断数据之间线性相关性,r越大,说明数据间线性相关性越好。van Genuchten模型相关性优于其修正模型相关性。在van Genuchten模型中θs,θr,α等参数标准差较低,t值较高;而在修正模型中,n的标准差低,t值高。比较平方和(加权、未加权),van Genuchten模型较其修正模型值小。结果说明,在孪井地区van Genuchten模型更适应于拟合实际的土壤特征曲线。

图3 K3不同深度土壤样品实测数据的土壤水分特征曲线Fig.3 Soil water characteristic curves of different depth of K3 soil samp les

表2 K3采样点2种土壤水分特征曲线模型统计分析Table 2 Statistical analysis of two kind of soil SWCC models

图4 van Genuchten模型及修正模型拟合图Fig.4 van Genuchten model and revised model simulation

3.3 相同深度砂壤土水力参数

比较不同采样点相同深度砂壤土土壤样品的水力参数(见表3),可以看出各点的饱和含水量和参数α值相近,分别为0.354±0.006,0.014±0.001范围内。而残余含水率和参数n差异相对较大。

比较孪井地区不同的典型地层砂壤土水分特征曲线(见图5),整个脱水过程的走势相似。其砂壤土各水力参数相近。这说明模拟所求参数能够代表整个孪井地区砂壤土水力性质。分析其原因,3个采样点0.2 m深度处土壤组成、性质类型相似,而土样实际结构不同。对于孪井地区土壤,存在差异的原因是野外原状土样土壤结构不同。有研究表明,含有大孔隙的原状土田间持水量小于均质土的田间持水量[6]。土壤的残余含水量θr与黏粒(<0.002 mm)的比重呈正相关性,黏粒比重越高,θr越大(见表3)。在孪井地区黏粒含量是影响残余含水量的重要因素。

4 结论

(1)利用非饱和导水率仪能够提供较高精度的推求田间土壤水分特征曲线参数的简便方法。Van Genuchten模型比其修正模型能够更好的获得有效的水力参数,为土壤水分运动及溶质运移数值模拟提供符合实际水文地质条件的基本参数,为孪井地区土壤盐碱化和土壤溶质运移研究服务。

(2)孪井地区不同地层结构、不同耕作年限的表层砂壤土水力参数相近,这说明试验所求参数对孪井地区的土壤具有广泛适用性。研究结果表明可以通过对典型地层典型土壤类型的分析来模拟整个孪井地区土壤水力性质。

(3)通过对相同采样点不同类型土壤以及不同采样点砂壤土土壤水分特征曲线的比较,饱和含水量相同,残余含水量θr不同。黏粒比重越高,θr越大。

图5 不同采样点0.2 m深度砂壤的土壤水分特征曲线图Fig.5 Sand loam of 0.2 m dep th samp le points SWCC

[1] 雷志栋,杨诗秀,谢森传.土壤水动力学[M].北京:清华大学出版社,1988.

[2] 刘艳华,龚壁卫,苏鸿.非饱和土的土水特征曲线研究[J].水土保持报,2002,3:23-26.

[3] 范严伟,邓燕,王波雷.土壤水分特征曲线VG模型参数求解对比研究[J].人民黄河,2008,5:49-50.

[4] 王全九,邵明安,郑纪勇.土壤中水分运动与溶质迁移[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[5] 魏义长,刘作新,康玲玲,等.辽西淋溶褐土土壤水动力学参数的推导及验证[J].水利学报,2004,3:81-86.

[6] 冯杰,尚熳廷,刘佩贵,等.大孔隙土壤与均质土壤水分特征曲线比较研究[J].土壤通报,2009,5:1006-1009.

[7] 卢小慧,靳孟贵,汪丙国.栾城农业生态系统试验站土壤水分特征曲线分析[J].中国农村水利水电,2006,12:30-32.

[8] 刘贯群.内蒙孪井灌区地下水数值模拟及土壤盐渍化预报[D].青岛:青岛海洋大学:环境科学与工程学院,2002.

[9] Umwelt-Ger?te-Technik Gmb H,L TD.Operating instruction for ku-p F Apparatus DT 04-01[D].[s.l.]:umwelt Gerate-Technik Gmbh.L TP,2009.

[10] van Genuchten MT H.A closed—form equation for p redicting the hydraulic conductivity of unsaturated soil[J].Soil Sci Soc Am J,1980,44:892-898.

[11] van Genuchten MTh,Leij F J,Yates S R.The RETC code for quantifying the hydraulic functions of unsaturated soils[M].Washington:US Environmental Protection Agency,1991.

[12] 王薇,孟杰,虎胆·吐马尔白.RETC推求土壤水动力学参数的室内试验研究[J].河北农业大学学报,2008,1:99-106.