沙土上升毛管水运动特性研究

2018-05-08董荣泽于明英邱照宁

节水灌溉 2018年4期

董荣泽，于明英，邱照宁，肖娟

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原030024；2.沙帮科技有限公司，北京100080 )

0 引言

土壤盐渍化的重要机制是由于地下水中可溶盐在蒸发作用下不断向表土聚集,次生盐渍土的形成则是由于人为抬高地下水位,土壤毛管水重新分配土中盐分所致[1]。土壤中存在许多毛细管，地下水受到毛管力的作用会沿毛细管向上运动。若地下水埋深较浅，土壤中的盐分溶于水后随着上升毛管水运移到土壤表层，水分蒸发后溶解于其中的盐分便留在了土壤表层造成土壤盐渍化。不合理的耕作灌溉会人为抬高地下水位，造成土壤次生盐渍化。要解决这一问题必须研究土壤水盐运移特性，同时对农业生产设计灌溉制度及降低地下水位也有着非常重要的意义。肖娟等研究了负水头条件下灌溉水水质(钠吸附比SAR和盐分浓度C)对湿润体运移和水盐分布的影响，发现较大的灌溉水盐分浓度和较小的钠吸附比对湿润体运移有利[2]；武敏等发现土壤水的钠吸附比SAR和电导率EC对渗透系数影响显著,土壤水入渗速率随着钠吸附比SAR增加和电导率EC的减小而减小[3]；尹娟等通过室内土柱实验研究了均质土上升毛管水的运移特性[4]；王伟等研究了不同水质(不同钠吸附比SAR和电导率EC)对土壤中水分扩散率的影响，发现随着电导率EC的增大钠吸附比SAR对土壤水分扩散率的影响不断减小，随着钠吸附比SAR的增大电导率EC对土壤水分扩散率的影响不断减小[5]。目前国内外学者对土壤水盐运移特性研究重点关注灌溉水对土壤水盐运移分布的影响，关于地下水对土壤的补给以及水分运移特性的研究较少，对沙土的研究也并不多见。我国有大片面积的沙土地，且近几年来出现了以沙子作为基质的新兴种植模式，因此有必要进一步研究地下水对沙土中的水分补给以及水盐分布和运动特性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用沙土取自北京市昌平区的日光温室大棚，该大棚基地主要从事与沙培有关的作物种植，地理位置为N40°12′12.52″， E116°03′10.71″。试验前对沙土进行风干处理，测得其含水率为0.61%。用规格为8目、12目、24目和70目的标准筛将风干后的沙土筛分为4组不同粒径的沙土(为方便表述以下用标准筛目数来表示不同粒径的沙土，如经70目标准筛筛出的沙土粒径表示为d=70)，各组沙土粒径见表1。

表1 沙土粒径Tab.1 Grain size of sand

1.2 试验装置及方法

试验装置由沙柱和地下水位平衡系统组成，采用长1.2 m，内径为3.2 cm的有机玻璃管装填沙柱，试验布置见图1。

图1 试验装置布置图Fig.1 Layout of experiment

槽盆A中水位为模拟地下水位，槽盆B底部用PVC管道连接一个浮子式水位控制器来给槽盆A供水，以确保地下水位恒定不变。试验采用长1.2 m，内径为3.2 cm的有机玻璃管装填沙土，有机玻璃管底部用120目滤网封口。试验用地下水为配制的盐水，根据钠吸附比(溶液中的Na+的浓度与Ca2+、Mg2+浓度和的平方根的比值，以下简称SAR)和盐分浓度(以下简称C)两个指标来配制[6]。取SAR=2、20、30和C=10、40、80 mEq/L，共9种不同处理的水质。本次试验配制盐水所用药品为NaCl和CaCl2。水质配比计算结果及相应的处理情况见表2。同一种水质处理时，4种粒径土壤同时进行试验。

表2 水质配比计算结果Tab.2 Calculation results of water quality proportioning

试验时先固定4根沙柱，调整水位控制器的高度，确保各沙柱底部均没入水中0.5 cm左右。然后将配制好的盐水加入到槽盆B中，盐水流经水位控制器注入槽盆A。当槽盆A中的液面稳定后开始计时，试验开始。观测毛管水上升高度时以槽盆A中的液面为参照面，记录各观测时间点的毛管水上升高度，每组试验观测72 h。毛管水上升高度观测结束后取下各有机玻璃管并在外管壁用记号笔标记出模拟地下水位的位置记为0点，以 0点为起点沿毛管水上升方向每隔10 cm取沙土，测定所取沙土的含水率θ及电导率，测量电导率所用仪器为雷磁DDB-303A便携式电导率仪。

2 结果与分析

沙土之中存在着各种大小不同的孔隙，比较细小的孔隙可以当做毛细管，也叫毛管。在毛管中的水分其与大气的接触面为一个弯月面，水分受到表面张力的作用沿毛管向上运动并被吸持在毛管中，这部分水被称为毛管水。水分这种向上运动的过程就是毛管水上升运动[7]。本文主要对毛管水上升过程中上升高度及速率随时间的变化、含水率的分布情况、不同水质条件下不同粒径沙土地下水补给总量及沙土中盐分分布情况进行了分析。

2.1 不同水质条件下沙土毛管水上升高度及速率随时间的变化规律

不同水质条件下各粒径沙土毛管水上升高度随时间的变化过程见图2。从图中可以看出随着时间t的延长毛管水上升高度z不断增长，但是增长的幅度随着时间t的延长逐渐减小，毛管水上升高度z的增长速率不断减小，最后趋于停止。

产生这种变化的原因可从沙土土水势着手分析。本次试验为室内试验，室内温度变化不大，而且通常认为温度变化对土壤水分运动变化的影响是很小的，故不考虑温度势的影响。而溶质势对土壤水分运动的影响也不显著，可以忽略其影响。本次试验中毛管水为非饱和土壤水，考虑到沙土通气孔隙的连通性，沙土各处水分承受的压力均为大气压，不存在压力差，因此压力势Ψp=0,故只考虑重力势Ψg和基质势Ψm的影响[7]。试验开始时沙土的初始含水率很小，沙土的基质势很小，土壤水吸力很大，因此在试验开始时毛管水上升高度z的增长速率很快。随着时间t的延长沙土含水率不断变大，基质势增加，土壤水吸力减小，且随着含水率的增加，毛管水所受的重力也越来越大，因此z的增长速率不断变小。

沙土毛管水的上升过程与入渗过程相似，只是与入渗过程方向相反，因此沙土毛管水的上升过程应符合一定的非线性函数关系[8]。通过对实测数据的分析，采用对数函数对不同水质条件下毛管水上升高度z和时间t的关系进行拟合，即z=alnt+b，拟合参数见表3。

图2 毛管水上升高度随时间的变化Fig.2 Variation of rising height of capillary water with time

粒径/目SAR=2C=10C=40C=80SAR=20C=10C=40C=80SAR=30C=10C=40C=80a9．469．618．438．508．409．047．909．088．4070b31．1230．5732．2329．9330．1330．5430．4730．9630．51R20．9860．9870．9890．9910．9920．9920．9930．9930．992a7．728．486．186．876．145．956．456．395．9624b29．6328．3230．8529．3227．5328．7128．2229．2527．50R20．9920．9860．9790．9940．9950．9890．9950．9890．994a6．758．286．416．296．676．596．846．555．7812b28．2928．5928．9127．9728．5829．9329．4929．1227．21R20．9830．9850．9970．9890．9950．9920．9950．9970．993a6．807．656．645．676．596．795．086．385．528b28．1529．4428．2027．4027．7329．1827．6629．4928．52R20．9940．9940．9870．9770．9920．9920．9660．9950．977

由表3中数据可以看出用对数函数对沙土毛管水上升高度和时间的关系进行拟合其相关性很高，系数a，b均大于0，则此对数函数为增函数，说明毛管水上升高度z随着时间t的增大而增大。

将毛管水上升高度z对时间t求导即可得出毛管水上升速率的关系式即v=dz/dt=at-1。由关系式可以看出毛管水上升速率v与时间t成反比，随着时间t的延长毛管水上升速率v不断减小，当t趋于无穷大时v趋于0，即当时间足够长时毛管水上升速率趋于停止，这与前面从图2得出的结论一致。

2.2 沙土含水率的分布情况分析

不同水质条件下各粒径沙土含水率θ分布情况见图3，h为取土点至模拟地下水位的距离。

图3 沙土含水率分布情况Fig.3 Distribution of moisture content in sand

从图3可以看出沙土含水率θ随h(取土点至模拟地下水位的距离)的增大而减小。这是由于以下两方面因素所致：①由于沙土孔隙的连通性靠上的毛管水会蒸发到空气中，因而h越大含水率越小；②随着土壤含水率的增加，土壤水吸力不断减小，且h越大毛管水受到自身重力的影响就越大，毛管水受到向上的合力越来越小，故h越大含水率越小。

当h相同时，粒径d=70目的沙土的含水率要大于其他粒径的沙土，这是因为细粒径沙土其毛细管结构较多，因而可以更好得吸水和持水。根据实测数据对含水率θ和取土点至模拟地下水位的距离h进行相关性分析，用线性函数进行拟合，即θ=ah+b。拟合参数见表4。

参数a即为函数的斜率，从表4可以看出所有的a均小于0，所以该线性函数是一个减函数，即随着取土点与模拟地下水位距离h的增大含水率θ越来越小。参数b为线性函数与纵坐标轴的交点，参数b的代数值近似等于水面接触点处所取土样的含水率。

2.3 不同水质条件下各粒径沙土地下水补给总量

试验过程中各处理不同粒径沙土地下水补给总量见图4。从图中可以看出总体上粒径越粗沙土吸水量越少，粒径越细沙土吸水量越多。这是因为毛管水上升运动发生在沙土颗粒间的毛管孔隙中，细粒径的沙土其颗粒间毛管孔隙较粗粒径的沙土要多，因此相同时间内粗粒径沙土比细粒径沙土吸水量少。从图中还可以看出盐分浓度较小(C=10，40 mEq/L)的处理其吸水量要大于盐分浓度较大(C=80 mEq/L)的处理。

图4 各组沙土吸水量情况Fig.4 Water absorption of sand in each group

2.4 沙土中的盐分分布

各水质条件下不同粒径沙土的电导率EC与取土点至模拟地下水位距离h的关系见图5；地下水盐分浓度(C)与沙土粒径d一定时，采用不同地下水钠吸附比(SAR)沙土的电导率EC与h的关系见图6；地下水钠吸附比(SAR)与沙土粒径d一定的条件下，采用不同盐分浓度(C)沙土EC值与h的关系见图7。从图5及图6可以看出在水质的盐分浓度C较小(C=10，40 mEq/L)的条件下，当取土点至模拟地下水位距离h<40 cm时每根沙柱各取土点的电导率EC值呈略微下降趋势，曲线的变化幅度较小；当h超过40 cm之后随着h的不断增大各取土点电导率EC值也不断增大，曲线呈明显上升趋势。当水质的盐分浓度C较大(C=80 mEq/L)时沙柱的电导率EC值随h的增大而减小。出现以上趋势是由于以下几个因素综合影响的结果：① 毛管水向上运动时沙土的基质势不断增大，土壤水吸力不断减小，故随着h的不断增大单位质量沙土中所含溶质质量不断减小；②毛管水运移的最上端会水分会蒸发散失到沙土孔隙和大气中，导致盐分不断累积在上层沙土中；③溶质的存在会降低土壤水的势能，从图4可以看出盐分浓度C=80 mEq/L的处理其地下水补给总量要小于盐分浓度C=10,40 mEq/L的处理，故在盐分浓度C=80 m Eq/L时溶质对土水势的降低更为明显，所以在上层水分蒸发后并不能及时补充，因此盐分浓度C=80 mEq/L时沙土电导率EC值随h的增大而减小。而盐分浓度C=10,40 mEq/L的处理，h<40 cm时毛管水不会受到水分蒸发的影响，只受土壤水吸力的影响，沙土电导率EC值随h的增大而减小；当h>40 cm时蒸发作用对水分运移的影响占主导作用，导致上层沙土盐分累积，所以沙土电导率EC随h的增大而增大。