容重对红壤土水平一维入渗水分运移特性的影响

贺卫华， 梁欣欣， 陆 飞

(1. 湖南省湘潭市水利水电勘测设计院，湖南湘潭 411400；2.南昌工程学院，江西南昌 330099)

容重对红壤土水平一维入渗水分运移特性的影响

贺卫华1， 梁欣欣2， 陆 飞2

(1. 湖南省湘潭市水利水电勘测设计院，湖南湘潭 411400；2.南昌工程学院，江西南昌 330099)

摘要[目的]研究水平一维入渗条件下，容重对红壤土水分入渗的影响。[方法]以不同容重的红壤土为研究对象，进行了室内水平入渗试验。[结果]相同时间内容重越大，水分运移的速度越慢，湿润锋运移距离越小，累积入渗量越小；在湿润锋之上,相同容重的土壤含水量差别不大，在相同的入渗距离,土壤容重越大，含水量越小。[结论]建立了红壤土一维水平入渗条件下容重与湿润锋关系模型，改进了一维水平入渗条件下的Philip模型。

关键词红壤；水平入渗；容重

江西省是农业大省[1]，也是我国红壤集中分布的地区。在土壤水分入渗方面，国内外学者进行了大量研究[2-6]，关于土壤容重对入渗的影响也有一些研究。潘云等[5]研究了土壤容重对土壤水分入渗特性的影响，李涛等[7]研究了土壤容重对深层坑渗灌入渗特性的影响，吴军虎等[8]研究了容重对不同有机质含量土壤水分入渗特性的影响，李卓等[9]进行了容重对土壤水分入渗能力影响的模拟试验，张振华等[10]定量分析了气相阻力与土壤容重对一维垂直入渗的影响。笔者通过室内试验研究水平一维入渗条件下容重对红壤土水平入渗及硝态氮运移的影响，以期为红壤区灌溉提供理论支撑。

1材料与方法

1.1试验材料供试土样取自江西省进贤县，取地表40 cm的种植土，将试验土样风干、粉碎，过2 mm筛，用塑料薄膜覆盖保存，备用。试验开始前测得初始含水率为3.60%，容重1.30 g/cm3土样的饱和导水率为2.141×10-5cm/s。采用 BT-9300H激光粒度分布仪测定土壤颗粒，粒径>0.050 mm的土壤含量为21.13%,0.050～0.001 mm的含量为38.26%，<0.001 mm的含量为40.61%。颗粒分析试验土样为中黏壤土。试验地点在南昌工程学院灌溉排水试验中心。

1.2试验装置试验装置由水平土柱和供水系统2部分组成。水平土柱采用直径10.00 cm、长度80.00 cm的有机透明玻璃筒，土筒每间隔2.50 cm开1个直径为1.00 cm的小孔取土；供水系统由马氏瓶提供稳定入渗水头。

1.3试验方法采用水平一维入渗试验，土壤容重设定5个水平,分别为 1.20、1.25、1.30、1.35、1.40 g/cm3。供试土样按照设定容重计算每层(5.00 cm)土的质量，用自制的夯土器夯实均匀，土柱表层用滤纸铺垫以防止入渗不均匀，土层之间用软毛刷刷平防止土层之间分层。试验开始前将土柱倒立并打开马氏瓶给水室供水，当水室充满水时，立即将土柱放平开始试验，同时打开秒表计时和记录马氏瓶的初始读数。

试验观测时间间隔按照先密后疏的原则，待入渗稳定后结束试验。试验结束供水后取土样，剖面取土点布置在土柱的水平剖面上，每5.00 cm布设1个取土点，取样方向自湿润锋处取土至进水口，取得土样迅速装入铝盒，采用烘干法测定含水量。

2结果与分析

2.1不同容重对一维水平入渗条件下土壤湿润锋的影响湿润锋为入渗过程中土壤湿润区的前缘，它指示水分入渗的最大深度，随着入渗时间的延长，湿润锋深度不断增加。在水平一维入渗中,水分在土壤基质吸力的作用下进入土体并在土体内运动,形成湿润区。在入渗初期,由于土壤初始含水率很低,土壤基质势梯度大,在短时间内湿润锋前进的速度很快。随着入渗时间的延长,基质势梯度变小并接近某一稳定的值，湿润锋向前推移的速率变小并趋于稳定。从图1可见，在相同时间内，不同容重红壤在入渗过程中湿润锋的运移距离差异显著，随着容重的增大，湿润锋依次显著降低。555 min时，5个容重水平下的湿润锋运移距离依次为41.87、34.57、26.77、23.10、21.83 cm。达到稳定入渗时，红壤容重越大，湿润锋运移距离越小。

图1　不同容重下红壤湿润锋距离随时间的变化情况Fig.1　The variation law of wetting front distance with time in different bulk density red soil

通过对试验数据进行分析，在水平一维入渗过程中，湿润锋运移的距离可用下式表示：

Xt=Kt0.5

(1)

式中,Xt为t时刻湿润锋的运移距离，K为系数项。采用最小二乘估计拟合模型参数，5种容重水平红壤的溶液入渗拟合模型见表1。由表1可知，各模型的R2均大于0.990 0，模型的回归精度很高。模型说明湿润锋前进距离与时间的平方根呈显著的线性正相关关系；K值随着土壤容重的增大而减小，说明随着红壤容重的增大,密实度增大,大孔隙减少,水分通道变小,水分的运移速度变慢，湿润锋前进越慢。

表1湿润锋运移距离与时间的关系模型

Table 1The relationship model between wetting front transport distance and time

容重Bulkdensity∥g/cm3模型ModelKR21.20Xf=1.7422t0.51.74220.99381.25Xf=1.4510t0.51.45100.99391.30Xf=1.1355t0.51.15500.99941.35Xf=0.9967t0.50.99670.99601.40Xf=0.8637t0.50.86370.9922

为进一步分析红壤容重与湿润锋的运移系数(K)的关系，对容重与K进行回归分析，结果如式(2)。回归模型的R2=0.994 2，说明模型的回归精度很高。

K=4.016ρ-4.623

(2)

将式(2)代入式(1)，得到红壤容重与湿润锋运移距离的关系模型：

Xt=4.016ρ-4.623t0.5

(3)

2.2不同容重对一维水平入渗条件下土壤累积入渗量的影响从图2可见，累积入渗量随容重的增大而减少。从图3可见，相同时间内，随着土壤容重的增大,土壤累积入渗量减少。

图2　不同容重下红壤累积入渗量随时间的变化情况Fig.2　The variation of cumulative infiltration volume with time in different bulk density red soil

图3　同一时刻不同容重下红壤累积入渗量的变化情况Fig.3　The variation of cumulative infiltration volume in different bulk density red soil at the same time

2.3不同容重对一维水平入渗条件下土壤入渗率的影响从图4可见，随着红壤容重的增大，入渗率逐渐减少。在试验前200 min，入渗率保持较高水平，入渗率变化较大，不同容重入渗率的斜率差别较大，说明在入渗前期，容重对入渗率的影响较大；200 min后，入渗率趋于稳定，不同容重入渗率的斜率变化较小，说明在入渗后期，容重对入渗率的影响变化较小。

图4　不同容重下红壤入渗率随时间的变化情况Fig.4　The variation of infiltration rate with time in different bulk density red soil

从图5可见，不同容重红壤入渗率与时间平方根的倒数呈显著的线性关系，这与Philip入渗模型相符合。

Philip入渗模型具有明确的物理意义，在入渗试验中得到很好的验证，应用很广泛[11-12]。水平一维入渗的Philip模型如下[13]：

土壤累积入渗量(I)表示为：

I=St0.5

(4)

对累积入渗量求导，就可以得到入渗率(i)：

(5)

式中,S为吸湿率，t为入渗时间。

利用回归分析，对Philip模型的参数进行拟合，结果见表2。

图5　不同容重下红壤入渗率与时间平方根的倒数关系Fig.5　The relationship between the infiltration rate and the reciprocal of the square root of time in different bulk density red soil

Table 2The Philip infiltration model in the different bulk density red soil

容重Bulkdensity∥g/cm3模型ModelSR21.20i=5.2976t-0.510.59520.95181.25i=3.8240t-0.57.64800.95341.30i=3.2731t-0.56.54620.95811.35i=3.1331t-0.56.26620.99671.40i=2.8963t-0.55.79260.9924

从各个容重的水平一维入渗Philip模型回归精度来看，R2均大于0.950 0，模型的回归精度较高。为了进一步分析红壤容重与入渗的关系，将容重与吸湿系数(S)进行回归分析，结果如式(6)。回归模型的R2=0.972 0，回归精度较高。

S=164.85ρ2-450.53ρ+313.67

(6)

将式(6)代入式(5)，可得以容重、时间为自变量，改进的红壤土一维水平入渗的Philip模型：

i=(82.43ρ2-225.27ρ+156.84)t-0.5

(7)

2.4不同容重对一维水平入渗条件下土壤含水率的影响从图6可见，不同容重红壤的水平一维入渗各土层含水量分布趋势相同，除湿润锋附近含水量有明显陡降外，其余土层含水量随入渗方向缓慢减小但变化不大；在相同入渗距离，容重越大，土层含水量越小。这是由于容重反映了土壤的紧密程度，其变化能够影响土壤的大孔隙含量，大孔隙量随容重的增大而减小，从而影响土壤水分的运移。

图6　不同红壤容重下各土层含水量分布Fig.6　The moisture distribution in each layer of different bulk density red soil

3结论

(1)入渗率、累积入渗量以及湿润锋均随红壤容重的增大而减小，表明红壤容重的变化改变了土壤的孔隙度，从而改变土壤的导水能力。

(2)经试验和数据分析，建立了红壤土一维水平入渗条件下，容重与湿润锋关系的模型；改进了一维水平入渗条件下的Philip模型，使模型能够直接反映容重与入渗率、入渗量之间的关系。

(3)在湿润锋之上,相同容重的土壤含水量差别不大，在相同的入渗距离,土壤容重越大，含水量越小。

参考文献

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[2] 王全九,王文焰.水平一维土壤水分入渗特性分析[J].水利学报,2000(6):34-38.

[3] 吴忠东，王全九.不同初始含水率条件下的微咸水入渗实验[J].农业机械学报，2010,41(S1):53-58.

[4] 毕远杰，王全九，雪静.淡水与微咸水入渗特性对比分析[J].农业机械学报，2010,41(7):70-75.

[5] 潘云，吕殿青.土壤容重对土壤水分入渗特性影响研究[J].灌溉排水学报，2009,28(2):59-61.

[6] 张俊，牛文全，张琳琳，等.初始含水率对微润灌溉线源入渗特征的影响[J].排灌机械工程学报，2014,34(11):72-78.

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[8] 吴军虎，张铁钢，赵伟，等.容重对不同有机质含量土壤水分入渗特性的影响[J].水土保持学报，2013，27(3):63-67.

[9] 李卓，吴普特，冯浩，等.容重对土壤水分入渗能力影响模拟试验[J].农业工程学报，2009，25(6):40-45.

[10] 张振华，谢恒星，刘继龙，等.气相阻力与土壤容重对一维垂直入渗影响的定量分析[J].水土保持学报，2005，19(4):36-39.

[11] 邵明安,王全九,HORTON R.推求土壤水分运动参数的简单入渗法I:理论分析[J].土壤学报, 2000，37(1):1-8.

[12] 聂卫波，马孝义.畦田Philip入渗参数和田面综合糙率同步推求[J].农业机械学报, 2009,40(5):39-44.

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

Study on the Effect of Bulk Density on One-dimensional Horizontal Infiltration and Water Transport Properties in Red Soil

HE Wei-hua1, LIANG Xin-xin2, LU Fei2

(1. Xiangtan Water Resources and Hydro-power Design Institute, Xiangtan, Hunan 411400; 2. Nanchang Institute of Technology, Nanchang, Jiangxi 330099)

Abstract[Objective] The aim was to study the effects of soil bulk density on moisture infiltration under the condition of one-dimensional horizontal infiltration. [Method] With different bulk density red soil as the research object, indoor horizontal infiltration experiment was conducted. [Result] The experimental results showed that during the same time, the higher the density, the slower the moisture migration speed, the smaller wetting front transport distance and the cumulative infiltration amount; On the wetting front, the soil’s moisture of same density aren’t very different, but in the same infiltration distance, the greater the soil bulk density, the smaller the moisture content. [Conclusion] The relationship model between bulk density and wetting front under the condition of red soil one-dimensional horizontal infiltration is established, the Philip model under one-dimensional horizontal infiltration condition is improved.

Key wordsRed soil; Horizontal infiltration; Bulk density

基金项目江西省科技成果重点转移转化项目 (20142BBI0020);国家自然科学基金项目(51269020)。

作者简介贺卫华(1973- )，男，湖南湘潭人，工程师，从事农业水利工程、水资源管理研究。

收稿日期2016-03-21

中图分类号S 152.5

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)12-165-03