基于Hydrus模拟纳米碳对黄土坡面土壤水分运动特征的影响

2020-04-27张育华周蓓蓓陈晓鹏段曼莉

水土保持研究 2020年1期

张育华, 周蓓蓓, 陈晓鹏, 段曼莉

(西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地, 西安 710048)

我国黄土地区地形起伏，植被覆盖率低，降雨集中，是我国水土流失问题最严重的地区之一[1]。为有效防治水土流失，国内学者针对黄土地区的现状采取了大量措施，如工程措施、耕作措施、土壤改良措施等[2]。但工程措施耗资太大，耕作措施容易受区域分布影响不易开展[3]，因此更多学者将土壤改良剂作为改善黄土物理性质的重要方法。本文将基于前人的研究基础，将纳米碳作为改良剂施加于土壤中，并基于Hydrus软件模拟土壤水分入渗过程，以期探索纳米碳对土壤水分的运移的影响，为施加改良剂的实际田间水分运移动态模拟提供可能。

Hydrus模型是由美国盐土实验室开发的系列软件，用于模拟不同初始条件下的饱和-非饱和土壤的水、盐、热运移，并且涵盖了作物根系吸水和土壤持水能力的滞后影响，可以设定不同的恒定或非恒定边界条件，具有良好的适用性。目前，Hydrus软件在我国主要用于模拟土壤水分运移及溶质迁移。Yi Caiqiong等[4]通过Hydrus-1D模拟黄土高原土壤前期含水量，发现Hydrus-1D可较好反映土壤的水分运动，刘小璐等[5]运用Hydrus模型模拟不同降雨对坡面水分入渗过程的影响，发现降雨强度相同时，降雨历时越长土壤含水量增量越大。董起广[6]利用HYDRUS软件建立的黄土高原丘陵沟壑区暴雨条件下土壤水分的运移，发现模型能够较好地反映土壤水分的分布。但是这些研究仅限于水分运动及溶质运移等，并未深入对土壤的水力参数进行探讨。

因此本文基于国内外学者已有的研究基础，依据土壤水分运动理论，采用Hydrus软件，对不同植被覆盖条件下纳米碳对土壤水分入渗过程的影响进行数值模拟，分析土壤水分的入渗规律，评价模拟效果，同时研究纳米碳对土壤水力参数的影响，为黄土地区水资源高效利用提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年7—9月在中国科学院水土保持研究所神木侵蚀与环境试验站进行，试验站位于中国黄土高原北部神木县以西14 km的六道沟流域。该流域面积6.89 km2，海拔1 081～1 274 m，年均气温8.4℃，年均降雨量为408.5 mm，日最大降雨量为132 mm。该地区土壤类型分为风沙土和黄绵土，试验小区所采用土壤为风沙土，具体理化性质见表1。

表1 降雨小区土壤理化性质

1.2 试验数据来源

1.2.1 试验方案设计试验小区面积为100 cm×100 cm的正方形，坡度15°。设置4组不同植被覆盖(柠条、苜蓿、黄豆和玉米)的坡面处理以及1组裸地作为空白对照，共5组。在小区上选取坡上、坡中、坡下3个位置布置纳米碳—土壤混合带。每条混合带宽5 cm，厚5 cm，长100 cm。每种植被覆盖的小区分别布置4个梯度的纳米碳—土壤混合带(纳米碳质量比例分别为0.1%，0.5%，0.7%和1.0%)，一组CK处理(纳米碳质量比例为0.0%)共5组。共计有25个小区。试验采用西安理工大学自主研制的针孔式人工模拟降雨器进行人工降雨[7]。

供试的纳米碳购自上海海诺炭业有限责任公司，碳粉直径为40 nm，是以椰子壳为原料，经高温炭化后研磨制成，微孔结构丰富，比表面积大，吸附性强。其具体理化性质见表2。

1.2.2 试验测定方法模拟降雨试验前对小区坡面进行取土，取土位置在小区坡面中部，从表层开始每隔5 cm取一层，取土深度为表层以下30 cm，将每层土取一部分样品分别装入铝盒，利用烘干法测量土壤含水率；当土壤剖面质量含水率平均值相差在10%以内，开始模拟降雨试验。模拟降雨前调节降雨器强度，设置降雨强度为0.15 cm/min，待雨强稳定后将降雨器移至小区开始进行降雨，降雨时间为40 min。降雨结束后，移去降雨器，对坡面进行取土，取土方法与降雨前相同，取土后测量土壤含水率[7]。

表2 纳米碳的基本性质

1.3 数值模拟

1.3.1 基本方程 Hydrus模型确定参数的基础是土壤含水率-水分特征曲线，并通过网格和时间步长灵敏的分析、检查及确认所提出的模型的稳健性，具有较高的准确性[8]。

在模型中，由于土壤表面为坡面，因此水分运动方程采用修改过的Richards方程表示：

(1)

式中：θ是体积含水量；h是压力水头(cm)；t是时间(min)；x是空间坐标(cm)；α是坡面方向与垂直方向之间的夹角；K为非饱和导水率(cm/min)。

土壤水分特征曲线模型和水力学参数采用Van Genuchten的土壤水力性能参数表示：

(2)

(3)

(4)

式中：θ是体积含水量；θr是滞留含水量(cm3/cm3)；Ks是饱和含水量(cm/min)；α是进气吸力倒数；m，n，l，α是模型参数；h是水的负压，取正值。

1.3.2 模型概化为研究不同纳米碳施加量对土壤水分动态变化规律，将试验小区简化为二维(垂直和水平)非饱和水分运动模型。模拟区域水平长度(底边长)取原小区侧边长度(100 cm)的1/4(25 cm)，坡度15°，右边界高30 cm。模拟时间为2018年7月1日至2018年8月25日。

1.3.3 边界条件的设置将降雨前实测的土壤含水率设置为土壤初始含水率。上边界条件设定为变通量，下边界条件设定为自由排水，侧边界条件设定为自由排水。大气边界条件根据模拟降雨强度给出，由于模拟降雨历时较短，因此不考虑植被根系吸水与土表蒸发。

1.4 模型评价

为了评价模型的准确性，设置相关水力参数，模拟降雨后土壤剖面的含水率，通过决定系数R2，平均绝对值误差MAE和均方根误差RMSE对模拟结果的准确性进行评价分析。R2和RMSE用以衡量模拟结果精确度，MAE用以衡量计算偏差，具体计算公式如下：

(5)

(6)

(7)

2 结果与分析

2.1 纳米碳对坡面土壤含水率影响极其模拟研究

小区土壤剖面含水率分布可反映土壤水分的入渗规律，可用以验证模型模拟的有效性。图1为纳米碳处理对各小区土壤剖面体积含水率实测值[7]与模拟值的对比；表3为实测值与模拟值的相关度。从图1可以看出散点基本分布在参考线两侧。进一步观察表3可知，不同处理的相关度R2整体均在0.74以上，黄豆、玉米拟合结果较好(最低0.82)、柠条(最低0.80)、苜蓿(最低0.78)次之、裸地较差(最低0.74)。由于是野外试验，存在许多不可控因素，因此，整体模拟结果存在可信度，可以反映降雨下坡面土壤含水率的分布规律。

表3 实测体积含水率与模拟体积含水率的相关度R2

2.2 坡面土壤水分累积入渗量的准确性对比

土壤入渗能力与土壤自身特性有直接联系，通过降雨前后的土壤体积含水率的增量，结合模拟小区的土壤体积，可计算获得整个降雨历时的实际降雨入渗量，即累积入渗量。为分析纳米碳对坡面水分入渗量的影响，将各植被覆盖的坡面水分累积入渗量与纳米碳含量之间的关系见图2。结果显示，当纳米碳含量为0时，裸地的累积入渗量最小，不同植被覆盖的坡面水分累积入渗量大小虽有所不同，但均比裸地大(柠条9%，苜蓿17%，黄豆12%，玉米9%)，由于植被根系的分布增加土壤大孔隙的含量[9]，进而提高降雨入渗量。从图中还可发现，随纳米碳含量的增加，各植被覆盖下土壤水分累积入渗量基本呈增加趋势；当纳米碳含量为1.0%时，裸地、柠条、苜蓿、黄豆、玉米累积入渗量分别增加约17%，5%，12%，6%，7%，裸地与苜蓿的增幅明显高于其他处理，说明纳米碳可有效提高土壤水分的入渗作用且对裸地与苜蓿覆盖下的坡面影响较为显著。

图1 模拟与实际测点体积含水率的关系

这是因为纳米碳的存在使该层土壤的小孔隙急剧增多，从而使基质吸力变大，且随着纳米碳含量的增加，纳米碳层的潜在基质吸力越大，进而导致入渗速率进一步加快，因此当土壤中存在纳米碳混合层时，入渗速率明显加快[10]。

表4为实测试验结束后的累积入渗量与Hydrus模型模拟入渗量的对比分析结果，可以看出模型反推的土壤累积入渗量与实测值误差较小，均方根误差RMSE与平均绝对值误差MAE均≥0.01，且≤0.1，说明模拟效果较好，表明Hydrus模型可以较好的模拟坡面水流的入渗。

图2 纳米碳对土壤水分累积入渗量的影响

2.3 纳米碳对土壤水力参数的影响

已知Hydrus模型模拟的结果与实测数据存在良好的关联度。因此，本研究利用Hydrus对土壤水力参数进行反推，进一步分析纳米碳对土壤水力参数的影响。

2.3.1 纳米碳对土壤进气吸力的影响土壤进气吸力值表示饱和土壤开始脱水时的临界吸力值，土壤进气吸力值越大，饱和土壤排水需要的吸力越大，土壤的持水能力越大。依据拟合结果，将纳米碳对土壤进气吸力hd的影响绘于图3，由图3可以看出未施加纳米碳的土壤进气吸力无显著变化；纳米碳—土壤混合条层的土壤进气吸力随纳米碳施量的增加整体呈线性增加趋势(斜率分别为69.119，41.179，68.825，146.78，52.403)。由此进一步证明了纳米碳可有效提高土壤的持水能力，减少深层渗漏。

2.3.2 纳米碳对土壤形状系数的影响形状系数为一经验常数，可以改变土壤水分特征曲线的形状。图4所示为纳米碳对土壤形状系数n的影响。由图可以看出，未施加纳米碳的土壤的形状系数n亦未发生明显变化，而添加纳米碳土壤的形状系数与纳米碳施量呈正比关系(斜率分别为0.381，1.088，2.573，1.466，1.379)。这主要由于纳米碳的施加改善了土壤孔隙结构，提高了土壤孔隙的空间连通性。

图3 纳米碳对土壤进气吸力的影响

表4 实测累积入渗量与Hydrus模型模拟入渗量的对比

2.3.3 纳米碳对土壤饱和导水率的影响土壤饱和导水率指土壤被水饱和时，单位水势梯度下、单位时间内通过单位面积的水量,其值大小可体现土壤的导水能力。根据模拟结果，将纳米碳对土壤饱和导水率Ks的影响绘于图5。通过分析图中散点的趋势，可以看出随纳米碳施加量的增大，未施加纳米碳土壤的饱和导水率未发生改变，而添加纳米碳后，土壤饱和导水率均随纳米碳含量增加呈增加趋势。进一步分析图5，可以发现未施加纳米碳土壤中，植被覆盖下的土壤饱和导水率普遍高于裸地，这可能主要由于植物根系分布增加水流通道进而增加了饱和导水率。土壤饱和导水率受土壤的孔隙分布特征的影响，其中孔隙尤其是有效孔隙是饱和水流良好的通道[11]。综上可知，小区土壤施加纳米碳后，经过长时间与土壤作用，其土壤饱和导水率增加，可显著提升土表水分下渗能力，减少坡面水分流失，进而减弱了坡面土壤侵蚀冲刷作用。