洪涝灾害对农田土壤垂向入渗性的影响分析*

王振芬

(绥化学院 农业与水利工程学院，黑龙江 绥化 152061)

我国地广物博，气候多变，降水不均现象频现，季节性洪涝灾害问题突出。洪涝灾害问题导致农田土壤入渗性能出现变化，对农业的发展造成了极大的影响[1]。农田土壤入渗情况决定了地表径流和土壤储水性。为了有效降低洪涝灾害对农田土壤的影响，对农田土壤入渗情况进行研究[2]。对洪涝灾害季节土壤渗透情况进行动态观测，通过对土壤入渗量、水分剖面、干旱程度及坡度等数据进行检测和记录。针对旱涝季时节不同降雨强度及土壤初始含水量进行比对分析[3]。从而对土壤入渗程度关系进行检测，从而对农田土壤进行保护，提高农田生成效率，提高农田土壤耕作质量。

1 农田土壤垂向入渗性探究方法

由于水资源贫乏，我国当前的农田耕作行业仍然通过自然降水的方法来增加土壤水分等以便进行农田耕作。在自然灾害的风险作用下，农耕环境的脆弱性逐渐展现，严重影响着人类的农耕生产和日常生活[4]。其中，由暴雨、台风等自然现象引起的农田长期深度积水等问题对农田土壤环境脆弱性影响更为严重，严重破坏农耕用地的恢复能力[5]。因此基于洪涝灾害影响程度对农田耕地的脆弱性损失曲线进行评估计算。首先结合环刀法检测方法对土壤垂向入渗率进行计算，计算方法如下：

(1)

式中：Ai为垂向土壤入渗率；S为洪涝灾害后土壤机械组成的改变值；Q为农田积水饱和度；K为单位时间水流通过农耕土壤的通量参数；M土壤初始含水量；N为农田剖面坡度值。由于农作土壤受洪涝灾害的强度与时间有关，为了排除计算误差，对农田耕地的最高可溶水量Mi进行计算，具体换算方法如下:

(2)

式中：Qi为农田积水饱和度标准数据值；Ki为单位时间内水流通过农耕土壤的通量标准参数；Si为洪涝灾害后土壤机械组成的平均改变值；Ni为农田标准剖面坡度值，其算法如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：a为土壤地质水稳性团粒含量；水流累积量为l；农田破坏程度为γ；土壤自然恢复力为λ；洪涝影响传输速度为Ti；农田耕地边长为r；降雨周期为T；F为耕地土壤结皮层厚度。由于自然降雨过程中易引起地表结皮，则农田耕地的脆弱性损失曲线进行评估算法为：

(7)

结合上述算法对耕地初始含水量及洪涝灾害后的脆弱性损失评估计算结果进行统计，以便为后续研究作为数据值进行参考，从而达到更加精准的对土壤垂向入渗性进行检测的设计目标[6]。其具体数据值如表1所示。

表1 耕地脆弱性损失曲线评估结果

在洪涝灾害情况下对农耕用地入渗影响因素进行分析发现，在不同雨强、土壤坡度及土壤中的PAM含量各有不同，而PAM是对土壤垂向入渗能力无聊性质进行测量的重要因素[7]。在降水过程中，土壤容水量及其农田土质稳定性随降水量的增大而逐渐增加，土壤垂向入渗性也随之减小，因此认为经洪涝灾害破坏后，农田土壤质地结构对对土壤垂向入渗性产生影响，且二者相关性达到极显著水平[8]。基于上述背景探究和分析了国内外相关资料，从而针对洪涝灾害对农田土壤垂向入渗性影响进行研究，研究思路设计路线如图1所示。

图1 土壤入渗性探究思路设计路线

2 洪涝灾害对土壤入渗性影响情况分析

针对不同坡度土壤中的不同供水条件下入渗特性及影响因素进行调查研究，结合前文统计的土地初始含水量及洪涝灾害后耕地脆弱性损失数据，在洪涝灾害频发季节对由强降雨引起的农耕土壤含水量过高导致的土壤养分流失等问题进行调查，以便更精准的进行后续的土壤入渗率影响因素及程度研究[9]。首先通过对农耕土壤垂向入渗性影响、周期时间及循环率进行调查研究从而探究出洪涝灾害发生规律信息如表2所示。

表2 洪涝灾害发生规律分析

根据洪涝灾害发生规律信息进行农田土壤保护机制。做好提取预防土壤土质受到破坏等问题。在此基础上对土壤受积水腐蚀后的影响因素进行记录，得到如表3数据。在表3中提高土壤内部有机物质中，受洪涝灾害的干扰度不同，因此对土壤间歇入渗与连续入渗的影响程度也不同。由于土壤垂向入渗规律相对较为复杂，结合前文算法以及表2中对洪涝灾害周期时间和循环率数据对降水时间和降水量进行估算，从而对土壤内的初始水分含有量以及在洪涝灾害情况下土壤内部有机物质的吸水变化情况进行检测和对比研究[10]。详细分析了洪涝灾害后土壤组成的改变值、积水饱和度，水流通过农耕土壤的通量参数等变化情况，得到表4中的数据。

表3 洪涝灾害对耕地受损度检测数据

表4 洪涝灾害对土壤入渗能力影响

图2 洪涝灾害情况下土壤入渗性检测

结合表4数据，利用前文方法可有效对土壤受损和入渗性数据进行计算。由于农田土壤普遍存在孔隙度大、土层浅，等问题，导致土壤垂向入渗性相对较强，但土壤所在的不同坡度的积水入渗情况各有不同， 基于上述原因对不同坡度土壤在洪涝灾害前、中、后的垂向入渗率进行了测量，并绘制成图以便进行对比分析。检测结果如图2所示。根据图2检测结果不难发现，坡中及坡下土壤在洪涝灾害前、中、后期均有较强的入渗性，这是由于坡上土壤叠加较高，难以形成积水，导致水流向坡中、坡下方向流去。另外，洪涝灾害前中时期土壤入渗性明显由于洪涝灾害后期，这是由于土壤在后期含水量过饱和，难以对大量地表积水继续进行渗透，导致入渗性相对降低。

3 仿真实验检测和分析

为了更好的探究洪涝灾害对农田土壤垂向入渗性影响，通过人工降雨设计了仿真实验。实验原理及步骤如下：首先对高强度降雨情况进行仿真布置于试验区内，在水箱内存入大量积水从而模拟洪涝灾害下的土壤积水情况，并对模拟实验区的地表径流过程以及针对土壤表层入渗性进行设计的降雨孔积水入渗情况进行检测，从而分析出土壤入渗过程。具体仿真装置见图3。

图3 土壤积水渗透检测模拟装置

通过上述仿真装置分别设置三块面积及土质等因素相同的实验用地，对分别对坡上、坡中、坡下的土壤入渗率进行检测。由于土质条件不同易出现检测误差，因此在不同坡度条件下分别设置3个土质情况基本相同的重复样地进行重复试验，以提高检测结果的精准度。利用环刀法对土壤渗水性进行测定，并在实验结束后挖开土壤剖面，提取原状土让带回实验室进行检测并对检测到的数据进行记录。不同质地土壤入渗情况检测数据如表5所示。

表5 洪涝积水入渗实验检测数据

根据表5检测结果不难发现，受洪涝灾害影响，对着农田地表积水量的增加，土壤的垂向入渗率、累积入渗量以及入渗能力都呈不稳定的下降趋势，由此可以推断出农田土壤的入渗性能受洪涝积水的影响较为严重。对选取的土地剖面进行积水入渗性进行检测，得到如图4所示结果。图4中，由于坡上土壤位置较高，积水相对较少，因此前期积水入渗性较强，随着积水的增加，其土壤入渗性能逐渐下降。而坡中受积水及坡上流水影响，入渗性比坡上土壤入渗性较差，坡下土壤积水入渗性对低。基于上述检测结果建议对坡上农耕土壤进行优化开发保护及引水调度，从而避免洪涝灾害对农耕用地的破坏，降低农业经济损失。

图4 不同坡度土壤积水入渗检测情况

4 结束语

本论文较为系统的对土壤水分入渗特征进行研究，针对洪涝灾害造成的农田积水问题进行了分析和讨论，并给出相关建议，结合环刀检测法对农田土壤对地表积水入渗情况进行了检测。从而达到提高土壤入渗性，保障农业的有序发展的调研目标。受研究技术和调节限制，的研究成果仍存在不足，有待日后解决。