指流間距對模擬指流水分運(yùn)動的影響

吳叔贏 邵霞珍 張建豐

摘要 為了解指流間距對模擬指流水分運(yùn)動的影響，通過模擬不同的指流間距，研究不同間距對指流水分運(yùn)動的影響。結(jié)果表明，指流間距越大，指流域中的水分入滲越快，且指流流速與指流間距呈線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞 層狀土壤;模擬指流;指流間距

中圖分類號 S 152.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）12-0212-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.12.059

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract In order to understand the influence of finger flow spacing on ?simulation finger flow water movement ，by simulating different finger spacing the effect of different spacing on finger flow water movement was observed.The results showed that the larger the fingerflow spacing was，the faster the water infiltration was，and the relationship between the fingerflow velocity and fingerflow spacing was linear.

Key words Layered structure soil; Simulation finger flow;Finger flow spacing

指流（finger flow）在自然界廣泛存在，如玻璃上的水流，在水流的前鋒線上往往會出現(xiàn)像手指一樣的形狀。如水分在土壤中的入滲，某種條件下并不是均勻入滲，而是水分會沿著一些優(yōu)先通道快速入滲到深層。這種現(xiàn)象往往會造成耕作層土壤干旱，表層施入土壤中的農(nóng)藥、養(yǎng)分和殺蟲劑沿著快速通道流入地下水，對地下水產(chǎn)生污染。在土壤入滲中，這種由于水分繞過大部分土壤，僅沿優(yōu)先通道以“指狀”入滲的現(xiàn)象稱為指流[1-2]。1972年Hill等[3]研究發(fā)現(xiàn)“上細(xì)下粗”的層狀結(jié)構(gòu)土壤中水分入滲易出現(xiàn)指流現(xiàn)象。Hillel等[4]分析了“上細(xì)下粗”層狀土條件下指流的形成機(jī)制，并引入了進(jìn)水吸力概念。Wang等[5-7]對指流產(chǎn)生的條件和機(jī)理進(jìn)行了深入研究。王文焰等[8]對砂層在黃土中的入滲特性進(jìn)行了室內(nèi)模擬試驗(yàn)，張建豐等[9-10]對“上土下砂”的層狀結(jié)構(gòu)土壤中產(chǎn)生指流的條件和機(jī)理進(jìn)行了分析，李懷恩等[11]分析了上層土壤性質(zhì)發(fā)生變化對指流推進(jìn)速度的影響。

張建豐等[10]研究發(fā)現(xiàn)在“上土下砂”的層狀土壤中下層砂中孔隙小的會優(yōu)先導(dǎo)水，因此在下層砂土中采用粗砂來模擬基質(zhì)域，細(xì)砂來模擬指流域。以上多以研究指流的發(fā)生機(jī)理和運(yùn)動特性為主，而筆者考慮在指流發(fā)生的條件下，

研究指流間距對指流入滲優(yōu)先條件的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)裝置主要由土箱、供水裝置和支座3部分組成。土箱采用2個相同尺寸（長×高×厚為500 mm×600 mm×8 mm）的有機(jī)玻璃板，沿著2個有機(jī)玻璃板邊壁之間夾入一個寬20 mm、厚度16 mm的“U”形有機(jī)玻璃條。距“U”形有機(jī)玻璃條一側(cè)上端20 mm處開一個進(jìn)水口，且在底部設(shè)有排水孔，整個試驗(yàn)土箱尺寸為500 mm×600 mm×32 mm（寬×高×厚）。土箱前壁標(biāo)有以10 mm為單位的網(wǎng)格線，供觀測水分入滲濕潤鋒讀數(shù)使用。供水裝置采用馬氏瓶，支座采用一塊鋼鐵板上安裝2塊可拆卸的槽鋼，槽鋼一側(cè)打孔并安裝螺絲，安裝時把土箱夾在兩槽鋼之間，然后用螺絲把土箱和支座固定為一體。試驗(yàn)裝置見圖1。

1.2 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的上層黃土容重為1.4 g/ cm3，厚度為20 cm，初始含水率θ=2.7%，為砂壤土。下層為模擬指流的砂層，厚度為33 cm，以粗砂組成的基質(zhì)域的粒徑為1～5 mm，中值粒徑d50=4.15 mm。以細(xì)砂組成的指流域的粒徑為0.1～1.0 mm，中值粒徑d50=0.55 mm。設(shè)計(jì)的表層積水厚度為3 cm。黃土和粗砂的顆粒粒徑組成見表1、2。

在下層砂中設(shè)置了6個間距不同的指流域，自左向右編號分別為1～6模擬指流域，第1指流域和第2指流域的間距為3 cm，第2和第3模擬指流域的間距為4 cm，以此類推，第5和第6模擬指流域的間距為7 cm。其中，為了消除邊界的影響及很好地控制指流間距，把第1指流域和第6指流域?yàn)檫吔缰噶饔颍蛔鳛樵撗芯康膶ο蟆?/p>

試驗(yàn)準(zhǔn)備就緒后，連接好試驗(yàn)裝置，同時保持土壤表層3 cm的積水厚度，打開馬氏瓶放水閥，開始計(jì)時，并記錄此時刻的入滲時間為0。隨后每隔一定時間，記錄時間及該時刻馬氏瓶中水位值和濕潤鋒運(yùn)移位置的變化。在入滲初期，由于土壤水下滲較快，記錄的時間間隔應(yīng)短一點(diǎn)，往后入滲變緩，記錄的時間間隔長一點(diǎn)，記錄過程持續(xù)到試驗(yàn)結(jié)束。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕潤鋒動態(tài)分布

以上層土表面為濕潤鋒位移的初始面，向下入滲為正。不同指流間距下的濕潤鋒動態(tài)分布見圖2。從圖2可以看出，水分在上層均質(zhì)土中呈水平的均勻下滲，當(dāng)進(jìn)入下層不同間距的模擬指流域時，出現(xiàn)了從第2～5模擬指流域水分入滲依次變快的趨勢。其原因是水分的入滲實(shí)際上就是水分排空土壤孔隙中的空氣，從而進(jìn)入到孔隙中。當(dāng)水分進(jìn)入指流域時，就會把指流域中的空氣一部分向下排放，一部分向兩側(cè)的粗砂排放，由于每個指流域都一樣，因此向下排放的空氣量可以看為是一定的，但每個指流域旁的粗砂基質(zhì)域厚度不同。因此，向基質(zhì)域排放的多少決定了水分在指流域入滲的快慢。第1指流域和第2指流域之間的粗砂厚度為3 cm，因此可以假設(shè)第1指流域擁有厚度1.5 cm的粗砂區(qū)域，第2指流域也擁有厚度1.5 cm的粗砂區(qū)域，第2指流域和第3指流域之間的粗砂厚度為4 cm，同樣假設(shè)第2指流域和第3指流域各擁有2 cm厚的粗砂區(qū)域。因此第2指流域周圍便存在3.5 cm厚的粗砂層，按此假設(shè)得出第2指流域到第5指流域所占有的兩側(cè)粗砂厚度b分別為3.5、4.5、5.5和6.5 cm。

這說明當(dāng)水分進(jìn)入指流域后，同一時間下，濕潤鋒的入滲深度隨指流域所擁有的粗砂厚度b的增大而增大。同時也說明在產(chǎn)生指流的“上土下砂”層狀結(jié)構(gòu)土壤時，指流兩側(cè)的孔隙越多，指流流速越大。

2.2 指流特征分析

在砂層中共模擬了6條指流域，其中第1指流域和第6指流域看成是整個指流域的兩邊界，稱為邊界流。因此主要研究第2指流域到第5指流域中指流的運(yùn)動特征。指流的發(fā)生在第345 min，以此時刻為指流產(chǎn)生的初始時間，累積入滲時間減去產(chǎn)生指流的初始時間，得到產(chǎn)生指流的入滲時間Tf（表3）。

從圖2和表1可以看出，在同一時間下，從第2指流域到第5指流域的指流長度L越大。表1中不同指流域下的指流長度L的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和指流產(chǎn)生的時間Tf的變化關(guān)系見圖3。用線性函數(shù)分別對不同指流域內(nèi)的指流長度L和時間T的變化關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果：第2指流域：L2=0.032 5Tf，R2=0.988 4;第3指流域：L3=0.073 7Tf，R2=0.993 7;第4指流域：L4=0.125 4Tf，R2=0.992 1;第5指流域：L5=0.147 3Tf，R2=0.995 1。

3 結(jié)論

該試驗(yàn)研究了不同模擬指流間距下指流域中的水分運(yùn)動，結(jié)果表明，指流域的濕潤鋒深度隨模擬指流域間距的增大而增大，指流間距越大，指流域中水分入滲越快;指流流速隨指流兩側(cè)累積厚度增大而增大，并呈線性變化關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

[1]WANG Z，TULI A，JURY W A.Unstable flow during redistribution in homogeneous soil[J].Vadose zone journal，2003，2（1）： 52-60.

[2] 史文娟，汪志榮，沈冰，等.非飽和土壤中指流的研究進(jìn)展[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，32（7）：128-132.

[3] HILL D E，PARLANGE J Y.Wetting front instability in layered soil[J].Soil science society of America proceedings，1972，36（5）： 697-702.

[4] HILLEL D，BAKER R S.A descriptive theory of fingering during infiltration into layered soils[J].Soil Sci，1988，146（1）：51-56.

[5] WANG Z，F(xiàn)EYEN J，VAN GENUCHTEN M T，et al.Air entrapment effects on infiltration rate and flow instability [J].Water Resource Res，1998，34（2）： 213-222.

[6] WANG Z，WU Q J，WU L，et al.Effects of soil water lency on infiltration rate and flow instability[J].J Hydro，2000，28（2）： 265-276.

[7] WANG Z，JURY W A，TULI A，et al.Unstable flow during redistribution： Controlling factors and practical implications[J].Vadose zone journal，2004，3（2）： 549-559.

[8] 王文焰，張建豐，汪志榮，等.黃土中砂層對入滲特性的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1995，17（5）：33-41.

[9] 張建豐.黃土區(qū)層狀土入滲特性及其指流的實(shí)驗(yàn)研究[D].楊陵：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2004.

[10] 張建豐，王文焰.砂層在黃土中發(fā)生指流條件的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（2）：82-86.

[11] 李懷恩，攔繼元，史文娟，等.層狀土壤指流實(shí)驗(yàn)研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2007，25（6）：111-115.