入滲水量和試驗尺度對土壤水非均勻流動的影響

唐澤華, 盛 豐, 高云鵬

(1.長沙理工大學 水利工程學院, 湖南 長沙 410114; 2.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室, 湖北 武漢 430072)

入滲水量和試驗尺度對土壤水非均勻流動的影響

唐澤華1,2, 盛 豐1,2, 高云鵬1

(1.長沙理工大學 水利工程學院, 湖南 長沙 410114; 2.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室, 湖北 武漢 430072)

摘要：[目的] 研究入滲水量和試驗尺度對土壤水非均勻流動(最大入滲深度和平均入滲深度、土壤水流運動非均勻程度和土壤優先流尺寸的影響)的影響，為農業灌溉施肥的高效利用、地下水環境保護以及流域水文過程預測等方面提供理論支撐。[方法] 采用亮藍染色示蹤方法在砂土條件下開展了9組18個(每組2個重復)不同入滲水量(分別為1.25，2.5和5.0 cm)和試驗尺度(分別為0.25 m×0.25 m，0.5 m×0.5 m和1.0 m×1.0 m)的入滲試驗。[結果] (1) 相同試驗尺度條件下，土壤水最大入滲深度和平均入滲深度均隨著入滲水量的增大而增大；土壤水流運動非均勻程度隨入滲水量的增大而先增大后減小。 (2) 相同入滲水量條件下，當入滲水量較小時，土壤水最大入滲深度和土壤水流運動非均勻程度隨著試驗尺度的增大而增大；當入滲水量很大時，試驗尺度的變化對最大入滲深度和土壤水流運動非均勻程度的影響不明顯。 (3) 入滲水量的增加和試驗尺度的增大都將使得優先流通道尺寸增大。[結論] 入滲水量和試驗尺度對土壤優先流運動有重要影響。

關鍵詞：入滲水量; 試驗尺度; 染色示蹤試驗; 非均勻特征

水和溶質在下滲過程中，沿某些特定路徑運動而繞過絕大部分土壤的現象稱之為優先流[1]。優先流是自然土壤中常見的和重要的水和溶質運動形式。土壤中的水和溶質在優先流通道內快速移動，增大了農業灌水和施肥的滲漏損失，也縮短了污染物在土壤中停留降解的時間[2]。而且，由于優先流只沿某些特定路徑運動而繞過絕大部分土壤，減少了土壤顆粒對污染物的吸附和截留[2]。所有這些都將極大地增加地下水和地表水受污染的風險。因此，準確描述土壤中的優先流過程對農業灌溉施肥的高效利用、地下水環境的保護以及流域水文過程的預測都有著重要的意義[3]。優先流表現形式很多，如大孔隙流、環繞流、管流、溝槽流、指流、漏斗流、短路流、部分置換流、地下強徑流、非飽和重力流、異質流、擺動流及低洼再蓄滿等，其運移過程一般具有環繞性和非平衡性兩個重要特征[1]。由于內在和外在因素的影響，導致優先流路徑具有空間可變性。其中內在因素主要包括土壤性質、生物因素、土壤初始含水量等因素；外在因素主要有降雨強度和灌溉方法、耕作方式、干濕和凍融交替等因素，并且外在因素的影響程度也是最大的[1]。由于優先流表現形式多樣、影響因素眾多，因此增加了對其研究的難度。近些年來，染色示蹤方法被廣泛用來研究土壤優先流運動。該方法將顏色不同于土壤底色的染色劑溶于水中并隨水流入滲，水流經過的區域由于含有染色劑而被染成明顯不同于土壤原來的顏色，從而將水流流過的區域(優先流區域)與水流未流經的區域(優先流繞過的區域)區分開來[4]。其中，食品級亮藍由于其價格便宜、在水中的溶解度高、隨水流運動的一直性較好和無毒等優點，已被廣泛應用于各種室內和野外試驗研究中[5-6]。通過對染色模式信息的提取和分析，可以定量研究土壤優先流流場的非均勻分布特征[4]以及非均勻水流運動和溶質輸移特征[7]，進而可對相關模型進行檢驗和評價[8]。由于土壤黏粒對亮藍分子的吸附作用，特別是黏粒含量較高時引起亮藍分子的遷移速率明顯小于土壤水流入滲濕潤鋒的遷移速率，限制了亮藍作為染色示蹤劑在黏性土壤中的應用[9-11]。但對于砂性土壤，亮藍仍然是最為常用的染色示蹤劑。近年來，一些在黏性土壤條件下開展的示蹤試驗同時使用亮藍和無機離子(如Cl-，I-和NO3-等)作為示蹤劑，通過亮藍來示蹤大孔隙和裂隙中的水流運動，通過無機離子來示蹤土壤基質中的水流運動，以此來研究不同介質之間流動的聯系和差異[12]。此外，亮藍染色示蹤技術也被與CT掃描技術結合使用，用來可視化優先流運動的動態特征[13]。本研究采用染色示蹤方法，利用亮藍溶液示蹤砂土中的非均勻水流運動路徑，分析不同入滲條件下染色模式(即優先流通道)的分布特征，在此基礎上研究入滲水量和試驗尺度對土壤水非均勻流動的影響。

1理論和方法

1.1　染色示蹤試驗技術

田間試驗于2004年4—8月在日本鳥取大學干燥地研究中心進行。試驗區域土壤為砂土，土壤的物理和水動力參數詳見表1。試驗采用類似于雙套環試驗的試驗裝置。在1 hm2的試驗場地內開展了9組共18個(每組兩個重復)不同入滲水量(共3種，分別為1.25，2.5和5.0 cm)和不同試驗尺度(即內框尺寸，共3個尺度，分別為0.25 m×0.25 m， 0.5 m×0.5 m和1.0 m×1.0 m)的染色示蹤試驗(各試驗的詳細入滲水量和試驗尺度條件設置詳見表2)。每個試驗的外框尺寸均為2.0 m×2.0 m。為了避免試驗之間的相互影響，各試驗處理之間的間距控制在3 m以上。試驗開始前先對試驗區域土壤進行平整，并小心的剪去地表植物，盡可能的不破壞土壤的原狀結構?？紤]到土壤含水量不同對于試驗結果可能造成的影響，試驗前用5～6 d的時間將試區土壤充分飽和[5]。試驗開始時，在內框中注入設定高度的濃度為4 g/L亮藍溶液，同時在外框中注入與內框水頭高度相等的清水。待亮藍溶液完全入滲后，用防水和隔熱材料將試驗區覆蓋24 h后開挖水平剖面，剖面間距控制在1～5 cm之內。水平剖面形成后用數碼相機記錄染色示蹤劑所顯示的水流運動空間分布模式(染色模式)。

表1　試驗區域土壤的物理性質參數

表2　各試驗的試驗條件設置和相關計算結果

注：Zmax為土壤水最大入滲深度；Zmean為土壤水平均入滲深度；Cu為入滲深度分布非均勻系數；X和Y分別為X方向和Y方向的優先流尺寸。

1.2　數字圖像處理技術

所有照片均采用Morris和Mooney提出的臨界值方法[14]，根據照片的RGB值信息將染色圖片轉化成黑(染色)和白(未染色)二元化圖片。在此基礎上，運用計算機對土壤水流分布和運動模式進行定量的分析計算。

1.3　入滲深度分布非均勻系數

由于側向入滲和流動的非均勻性等因素，最大入滲深度以上的土壤并未完全染色，因此最大入滲深度分布并不能完全描述土壤水流運動的非均勻特征，由此引入實際入滲深度[3,15-16]：

(1)

式中：ha(x,y)——(x,y)位置的實際入滲深度(cm)，如果水流運動經過(x,y,z)位置(被染色)，則β(x,y,z)=1，反之，β(x,y,z)=0； Δhi——相鄰兩水平剖面的垂直間距(cm)；k——試驗的總剖面數。

土壤水實際入滲深度分布非均勻系數[4,15]定義為：

(2)

對每個試驗所開挖的所有剖面進行綜合分析，可以計算出土壤水入滲深度分布非均勻系數(Cu)。Cu越大表明流動的非均勻性越強，Cu越小表明流動的非均勻性越弱。

1.4　互相關函數理論

互相關函數分析可用來研究和計算入滲區域上土壤優先流通道的尺寸(也即最可能尺寸)[3,17]。互相關函數是數據矩陣陣列兩兩做相關分析后，計算各相同間距數列的平均相關值，最后求得相關性的空間特征(即相關值隨間距的變化)。互相關函數表示入滲深度沿不同方向(即X方向和Y方向)分布的相關程度?；ハ嚓P函數曲線總是從間距為0，相關度為1開始下降，經過一定距離后(相關尺度)或者達到某一定值(平臺值)后相關度不再因距離的增加而發生變化或者互相關函數曲線變化趨勢發生逆轉；相關尺度對應著土壤優先流通道的尺寸[3,17]。

2結果與分析

2.1　染色面積分布

各組試驗的染色面積分布如圖1所示。由圖1可以看出，各試驗的染色面積分布明顯不同，即使是在相同入滲水量和相同試驗尺度條件下，兩個重復試驗的染色面積分布模式也存在明顯的差異，表明土壤水流運動具有高度的非均勻性和不確定性。

圖1　不同試驗尺度條件下的染色面積分布

2.2　入滲條件對土壤水入滲深度的影響

2.2.1入滲水量對土壤水入滲深度的影響根據各試驗的染色模式分布，計算出各試驗的土壤水最大入滲深度(Zmax)和平均入滲深度(Zmean)，計算結果詳見表2。根據表2計算出相同試驗尺度條件下土壤水最大入滲深度和平均入滲深度隨入滲水量變化情況如圖2所示。由圖2可知，在相同試驗尺度條件下，最大入滲深度和平均入滲深度都隨著入滲水量的增加而增大。這說明隨著入滲水量的增加，局部優先流通道中的和優先流整體的水流遷移深度都將增大。

圖2　入滲水量對最大入滲深度和平均入滲深度的影響

2.2.2試驗尺度對土壤水入滲深度的影響根據表2計算出相同入滲水量條件下，土壤水最大入滲深度和平均入滲深度隨試驗尺度變化情況如圖3所示。圖3顯示，當入滲水量較小時(1.25和2.5 cm)，土壤水最大入滲深度隨著試驗尺度的增大而增大；當入滲水量較大時(5.0 cm)，試驗尺度的變化對土壤水最大入滲深度的影響不明顯。這主要是因為，當入滲水量較小時，入滲水流主要集中在局部快速優先流通道中迅速運動。隨著試驗尺度的增大，傳導到局部快速優先流通道中的水流總量也增加，因此這部分優先流通道(快速優先流通道)發展越充分，土壤水最大入滲深度也越大。當入滲水量很大時，幾乎所有的優先流通道都能得到充分的發展和擴張，因此不同尺度條件下的最大入滲深度相差不明顯。與最大入滲深度不同，圖3顯示試驗尺度對土壤水平均入滲深度影響的規律性不明顯。

圖3　試驗尺度對最大入滲深度和平均入滲深度的影響

2.3　入滲條件對土壤水流運動非均勻特征的影響

2.3.1入滲水量對土壤水流運動非均勻特征的影響根據各試驗的染色模式分布，由公式(1)—(2)計算出各試驗的入滲深度分布非均勻系數Cu(表2)。根據表2計算出相同試驗尺度條件下，土壤水入滲深度分布非均勻系數隨入滲水量變化的情況如圖4所示。圖4顯示，在試驗尺度一定的條件下，土壤水入滲深度分布非均勻系數隨入滲水量的增大呈現出先增大后減小的變化趨勢。這主要是因為當入滲水量較小時，限制了優先流通道的發展；優先流還未充分發展即停止了運動，因而優先流的非均勻程度較低，導致土壤水入滲深度分布非均勻系數也較小。隨著入滲水量的增大，優先流通道得以充分發展，因此非均勻特征明顯，導致土壤水入滲深度分布非均勻系數增大。但當入滲水量增加到一定程度后，由于優先流通道擴張并彼此聯接，因而土壤水流運動的非均勻程度降低，導致土壤水入滲深度分布非均勻系數相應減小。

圖4　入滲水量對非均勻系數的影響

2.3.2試驗尺度對入滲深度分布非均勻特征的影響根據表2計算出相同入滲水量條件下，土壤水入滲深度分布非均勻系數隨試驗尺度變化的情況如圖5所示。圖5顯示，當入滲水量較小時(1.25和2.5 cm)，土壤水入滲深度分布非均勻系數隨著試驗尺度的增大而增大；當入滲水量很大時(5.0 cm)，試驗尺度的變化對土壤水入滲深度分布非均勻系數的影響不明顯。表明試驗尺度對土壤水流運動非均勻特征的影響只有在入滲水量較小時才比較明顯；當入滲水量較大時，試驗尺度對土壤水流運動非均勻特征的影響降低。這主要是因為，當入滲水量較小時，入滲水流主要集中在局部快速優先流通道中迅速運動。隨著試驗尺度的增大，傳導到局部快速優先流通道中的水流總量也增加，因此這部分優先流通道(快速優先流通道)發展越充分，與其它水流通道(慢速優先流通道和部分基質流通道)的差異越明顯，因此，土壤水流運動的非均勻程度增大。當入滲水量很大時，過高的入滲水量不但使得慢速優先流通道和基質流通道得以充分發展，還使得優先流通道寬度擴張和聯接，導致流動的差異性降低，因此，土壤水流運動的非均勻程度降低。

圖5　試驗尺度對非均勻系數的影響

2.4　入滲條件對優先流尺寸的影響

將每一試驗的試驗區域均勻離散成32×32個小正方形網格，計算每個小正方形網格區域范圍內的平均入滲深度。在此基礎上計算每一個試驗區域內沿不同方向(X方向和Y方向)的入滲深度分布互相關函數，根據入滲深度分布的互相關函數，計算各試驗不同方向(X方向和Y方向)的優先流最可能尺寸(表2)。

2.4.1入滲水量對優先流尺寸的影響由表2計算出相同試驗尺度條件下，優先流尺寸隨入滲水量變化如圖6所示。由圖6可知，在試驗尺度一定的條件下，入滲水量增加，優先流尺寸也相應增大。這主要是因為，入滲水量的增大導致優先流通道內外的水勢梯度增大，使得優先流橫向擴張加劇，因而優先流通道尺寸增大。

圖6　入滲水量對優先流尺寸的影響

2.4.2試驗尺度對優先流尺寸的影響根據表2計算出相同入滲水量條件下，優先流尺寸隨試驗尺度的變化如圖7所示。由圖7可知，在初始水頭一定的條件下，隨著試驗尺度增大優先流尺寸也相應增加。這主要是因為，正如前面所揭示的，在較大尺度的試驗中，傳導到局部快速優先流通道中的水流總量增加，從而增大了優先流通道內外的水勢梯度，導致優先流在縱向遷移深度增大的同時橫向擴張也增大，因此，優先流通道尺寸也增大。

圖7　試驗尺度對優先流尺寸的影響

3結 論

(1) 土壤水流運動具有高度的非均勻性和不確定性，即使是在相同入滲水量和相同試驗尺度條件下，兩個重復試驗的染色面積分布模式也存在明顯的差異。

(2) 隨著入滲水量的增加，局部優先流通道中的和優先流整體的水流遷移深度都將增大。入滲水量較小時(1.25和2.5 cm)，土壤水最大入滲深度隨著試驗尺度的增大而增大；當入滲水量較大時(5.0 cm)，試驗尺度的變化對土壤水最大入滲深度的影響不明顯。試驗尺度對土壤水平均入滲深度的影響無明顯規律性。

(3) 土壤水流運動的非均勻程度隨入滲水量的增大呈現出先增大后減小的變化趨勢。當入滲水量較小時，土壤水流運動的非均勻程度隨著試驗尺度的增大而增大；當入滲水量較大時，試驗尺度的變化對土壤水流運動非均勻程度的影響不明顯。

(4) 入滲水量的增加和試驗尺度的增大都將使優先流通道尺寸增大。

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Effects of Infiltration Amount and Experimental Scale on Heterogeneous Soil Water Flow

TANG Ze-hua1,2, SHENG Feng1,2, GAO Yun-peng1

(1.SchoolofHydraulicEngineering,ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha,Hu’nan410114,China; 2.StateKeyLab.ofWaterResourcesandHydropowerEngineeringScience,WuhanUniversity,Wuhan,Hubei430072,China)

Abstract：[Objective] To study the effects of infiltration amount and experimental scale on heterogeneous soil water flow(including both the maximum infiltration depth and the average infiltration depth, preferential flow heterogeneity and the size of preferential flow path), in order to provide theoretical support for efficient use of agricultural irrigation-fertilization, protection of groundwater environment and prediction of hydrological process etc. [Methods] 18 infiltration experiments, using the comassie brilliant blue staining as the dye tracer, were conducted in sand soil with various infiltration amounts(i.e. 1.25, 2.5 and 5.0 cm) and experimental scales (i.e. 0.25 m×0.25 m, 0.5 m×0.5 m and 1.0 m×1.0 m). [Results](1) Both the maximum infiltration depth and the average infiltration depth increase with the increasing of infiltration amount under the same experimental scale, and the preferential flow heterogeneity increases firstly and then decreases with the increasing of the infiltration amount under the same experimental scale; (2) While under the same infiltration amount condition, the maximum infiltration depth and the preferential flow heterogeneity increase with the experimental scale when the infiltration amount is relatively small but the maximum infiltration depth and the preferential flow heterogeneity keep almost unchanged when the infiltration amount is considerably high; (3) Furthermore, the increasing of infiltration amount and experimental scale both make the preferential flow path expanded. [Conclusion] The infiltration amount and experimental scale have obvious impacts on the heterogeneous soil water flow.

Keywords:infiltration amount; experimental scale; dye infiltration experiment; heterogeneity

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0173-06

中圖分類號：S152

通信作者：盛豐(1981—),男(漢族),湖南省株洲市人,副教授,主要從事水土環境方面的研究。E-mail:fsaint8586@163.com。

收稿日期：2014-06-30修回日期：2014-07-20
資助項目：國家自然科學基金項目“土壤優先流流動分形的時空特征和兩區—兩階段分形模型研究”(51109017); 湖南省自然科學基金項目(13JJ3069); 水資源與水電工程科學國家重點實驗室開放基金項目(2012B097)
第一作者：唐澤華(1989—),男(漢族),湖南省湘潭市人,碩士研究生,研究方向為農田水利工程。E-mail:tzh7017@hotmail.com。