土壤初始含水率对优先流的影响简

土壤中优先流的存在会造成肥料利用率降低以及土壤深层甚至地下水污染.为确定土壤初始含水率对优先流的影响,通过室内含大孔隙土柱定水头入渗实验,以长武黑垆土及渭河砂土为研究对象,分析不同土壤初始含水率对优先流的影响.结果表明：1）相同质地,当土壤初始含水率大于其斥水性的峰值含水率时,湿润锋运移深度随着土壤初始含水率的增大而增大,反之湿润锋运移深度随着初始含水率的增加而减少,不同质地土壤湿润锋运移速度随土壤粉粒质量分数升高而减慢;2）累积入渗量受到土壤储水性及斥水性的双重影响,导致与湿润锋的运移趋势并不一致,黑垆土对照CK组及优先流O-C-30组（除7.04％含水率外）累积入渗量随着土壤初始含水率的增大而减小,渭河砂土CK组及O-C-30组均呈现2阶段特征,累积入渗量先随着土壤初始含水率的增加而减少,之后随土壤初始含水率的增加而增加;3）Kostiakov入渗模型能很好地拟合累积入渗量随时间的变化过程,适用于存在优先流的土壤入渗模拟.该研究结果对土壤优先流水分模拟具有一定的指导意义.     

不同大孔隙深度对土壤水分入渗特性的影响

利用特定粒径砂石和特制模具模拟同一有效面孔隙度、不同深度的大孔隙域.研究积水入渗条件下水分在其中的三维运移行为.实验研究表明,大孔隙的存在导致水分入渗湿润锋在入渗初期剧烈紊动,但随着入渗的推移湿润锋逐渐平稳且其稳定的转折时间和孔隙深度相关性较高;大孔隙域的存在使得水分迅速充满孔隙域并到达大孔隙域底部.造成初期水分垂直和径向两部分入渗,累积入渗增量随着孔隙深度的增大而加大并与孔隙深度呈一定的函数关系;大孔隙域的存在使得湿润锋在转折时间T_p前后表现出不同的现象,大孔隙域中心处的湿润锋为入渗过程中的最深值即特征湿润锋Z_(mf),实验分析Z_(mf)与孔隙深度Z在转折时间T_p前后呈同一函数关系但前后系数不同.利用偏差J_p对所建立的回归函数模型进行了累积入渗量I、特征湿润锋Zmf预测值和实测值之间的精度检验.结果表明其满足精度要求.     

初始含水率及容重影响下红壤水分入渗规律

运用室内模拟土柱试验,研究了初始含水率为7%,11%和15%这3个梯度及容重为1.2,1.3,1.4,1.5g/cm~3这4个梯度对均质红壤水分入渗规律的影响;根据Kostiakov模型和Philip模型对入渗过程进行拟合分析,得出入渗模型参数。试验结果表明:均质红壤水分入渗,入渗率、湿润锋运移速率与时间呈幂函数递减关系,Philip入渗模型较适用;随着时间的推进,土壤逐渐达到饱和,入渗率、湿润锋运移速率的变化也越来越小;入渗率与初始含水率成反比关系,初始含水率越高,入渗率越低;湿润锋运移速率随初始含水率增加而增大;土壤容重越大,入渗率越低,湿润锋运移越慢。     

红壤积水入渗及土壤水分再分布规律室内模拟试验研究

利用室内模拟土柱试验研究了红壤积水入渗及土壤水分再分布规律。结果表明:入渗过程中湿润锋距离、累积入渗量与时间的平方根呈线性关系,湿润锋运移速率与时间呈乘幂关系,而入渗率与时间平方根的倒数呈线性关系;再分布过程中,在隔绝蒸发条件下,土壤含水量随土层深度的增加而下降,同一深度土层含水量则随时间推移而下降。无论在隔绝蒸发还是在自然蒸发条件下,短期内土壤水吸力有随土层深度的增加呈先下降后升高的趋势,而同一深度土层水吸力则随时间的推移而升高;土壤初始含水量对水分的入渗及再分布有较大影响,初始含水量较低时,水分入渗较快,而水分再分布则较慢。     

含沙率对层状土浑水膜孔灌单点源自由入渗特性的影响

为探究不同浑水含沙率对层状土入渗特性的影响,通过室内膜孔灌自由入渗试验,研究了以夹砂层位置为5~10cm的层状土条件下清水和不同含沙率的浑水(2%,5%,7%,9%)入渗的累积入渗量、湿润锋运移规律以及湿润体内土壤含水量分布情况,分别建立了层状土不同含沙率浑水膜孔灌入渗量、湿润锋运移距离与入渗时间之间的关系;提出了基于清水入渗的不同浑水含沙率单位膜孔面积累积入渗量模型。结果表明:不同浑水含沙率累积入渗量变化趋势一致,但含沙率越大,累积入渗量越小,浑水减渗作用越明显,对应入渗系数越小,入渗指数越大;湿润锋运移距离随含沙率的增大而减小,当水分入渗到壤—砂交界面时,湿润锋在垂向上出现明显停滞,仅在水平方向上随入渗时间不断推进;供水结束后不同浑水含沙率下土壤湿润体内水分主要集中砂层以上,土壤含水量随浑水含沙率的增大而减小。研究结果可为进一步研究层状土浑水膜孔灌灌溉技术提供理论参考。     

点源供水条件下残膜对土壤水分运移的影响

通过室内模拟试验,研究残留地膜对土壤水分运移的影响,阐明不同残膜污染水平下土壤水分入渗过程。试验共设置6个残膜梯度,采用马氏瓶恒压供水175 min,根据时间间隔记录马氏瓶读数和湿润面积,分析不同残膜污染水平下土壤水分入渗过程的差异。研究结果表明,残膜会阻碍土壤湿润锋的运移,残膜量在0~360 kg/hm2区间时,当湿润锋经过0~10 cm土层,湿润锋横向距离随着残膜量的增加呈现先减小后增加的变化,当湿润锋经过10~20 cm土层,横向距离随着残膜量的增加而逐渐降低。残膜对湿润锋的垂向运移有显著的阻碍作用,但残膜量的多少对湿润锋垂向距离变化没有显著影响。残膜的存在会提高土壤湿润比和稳定入渗率,残膜区土壤湿润体变小,水分滞留在湿润体内,影响水分在土壤中正常运移与分布。当残膜量达到720 kg/hm2时,残膜区土壤大孔隙比例增加,导致土壤优势流明显,与其他残膜处理相比,湿润锋的运移加快,湿润比和稳定入渗率降低。该研究从土壤水分运移角度阐明了残膜污染危害的过程和机理,为残膜污染的防治提供了理论的依据。     

透气隔水埋体对土壤水分入渗与溶质运移的影响

为分析透气隔水(弱透水)埋体促进水分入渗与溶质运移功效,开展了不同容重(1.40,1.45,1.50,1.60 g/cm~3)透气隔水(弱透水)埋体的一维垂直土柱入渗试验,分析了不同容重的透气隔水(弱透水)埋体对土壤水分入渗与溶质分布的影响。结果表明,透气隔水(弱透水)埋体能够增加土壤累积入渗量,推动湿润锋运移,在一定范围内,随着透气隔水(弱透水)埋体容重增加,湿润锋推进速度与土壤入渗率均增加。600 min时,土壤累积入渗量相对增加7.42%～29.17%,湿润锋深度达到27 cm,入渗时间相对减少26.97%～64.27%。相比于对照组,不同容重的透气隔水(弱透水)埋体均能降低溶质向深层土壤迁移数量。Philip模型和代数模型均能描述透气隔水(弱透水)埋体土壤水分入渗过程,且Philip模型中吸渗率S和代数模型中综合形状系数α均与透气隔水(弱透水)埋体内外容重比呈正相关关系。研究结果表明透气隔水(弱透水)埋体能够通过改变上层土壤吸力分布提高水分入渗能力与溶质传输效率,实现对城市雨水径流调控和净化。     

不同因素影响下层状土壤水分入渗特征及水力学参数估计

层状土壤是自然界常见的土体结构,其水分运移规律不同于均质土;大气降水、灌溉水等水分的入渗是土壤水文过程的一个重要环节,同时它也与地下水补给、污染物运移等过程紧密相关。土壤初始含水量、土体构型及供水强度等因素均会影响水分的入渗过程。为探究积水深度、土体构型、初始含水量三种因素对层状土壤水分运移的影响,通过室内积水入渗试验对湿润锋、累积入渗量、土壤剖面压力水头进行观测,并利用Hydrus-1D模型反演水力参数并对相应条件下的水分运移规律进行模拟和分析。结果表明,层状土壤中湿润锋随时间的推进方式由非线性过渡至线性,入渗率逐渐减小。三种因素作用下,层状土壤水分运移特征有明显差异:积水深度、土壤初始含水量增加时,湿润锋运移速率和入渗率均增大,且各观测点压力水头升高加快,土壤不饱和程度降低;上砂壤下粉砂壤构型较上粉砂壤下砂壤构型而言,整体湿润锋推进速率和入渗率较大,出流快,且入渗后期界面处的压力水头高于其他观测点。且结果表明,反演的水力学参数较拟合实测的参数更适用于层状土壤入渗的模拟和预测。该研究旨在揭示和掌握层状土壤水分运移规律和影响因素的作用机制,并进一步为农田灌溉措施的合理制定提供科学依据。     

残膜对土壤水分水平运动的阻滞作用

为探明不同残膜量对土壤水分水平运动过程的影响规律,设置6个残膜量水平,分别为0,80,160,320,640,1 280kg/hm~2,采用室内水平土柱吸渗法,分析残膜对水平湿润锋运移、累积入渗量、Boltzmann系数和土壤水分扩散率的影响。结果表明:水平湿润锋运移速率、土壤含水率和累积入渗量均随残膜量增加而减小,残膜量≥160kg/hm~2时,水平湿润锋运移速率和累积入渗量大幅降低;残膜对土壤水分水平运动的阻滞系数与残膜量呈正相关关系,残膜阻滞系数的最大增长率出现在80~160kg/hm~2残膜量区间,高达251.15%;随残膜量的增加,阻滞作用较强区域距离入渗点的距离增大,Boltzmann系数和水分扩散率则逐渐减小,土壤基质势对水分水平运动的驱动作用和土壤持水能力逐渐减弱;混有残膜的土壤水分水平运动过程,仍符合土壤水分扩散率单一参数模型和Kostiakov入渗模型。残膜是一种难降解持续性污染物,会降低水平湿润锋运移速率、累积入渗量和土壤水分扩散率,对土壤水分水平运动的阻滞作用随残膜增多而增强。     

残膜量对膜孔灌土壤水氮运移特性的影响

为探究土壤残膜量对膜孔灌肥液入渗土壤水氮运移特性的影响,通过室内土箱模拟试验设置0,90,180,360,720 kg/hm~2的5个残膜量水平,分析不同残膜量下膜孔灌肥液入渗累积入渗量、湿润锋运移距离、湿润体特征和水氮分布规律。结果表明:残膜对膜孔灌肥液入渗具有阻渗作用,残膜土累积入渗量较无残膜土减少10.63%～30.77%,Kostiakov模型对残膜土单位膜孔面积累积入渗量与入渗时间有较好地拟合效果;入渗前30 min,不同残膜量的垂直湿润锋运移距离差异不显著,随着入渗时间推进,残膜量与湿润锋运移距离、湿润体体积呈负相关关系。入渗结束时,含残膜土湿润体体积减小18.09%～41.96%。垂直湿润锋距离、湿润体体积与入渗时间均呈显著的幂函数关系,R~2均0.98;除膜孔中心处,相同位置含残膜的土壤含水率低于无残膜,30%高含水率区域减小。湿润体内同一深度土壤NO_3~--N和NH_4~+-N含量随残膜量增加而减小,减小幅度为4.20%～16.27%。研究结果可为残膜土下膜孔灌技术提供理论参考。     

大孔隙对土壤水分入渗特性影响的物理模拟试验

利用不同粒径砂石和大孔隙域模具模拟同一深度、不同有效面孔隙度,在特制试验装置中研究积水条件下大孔隙流的三维运移行为。结果表明：湿润峰平齐且稳定的转折时间和有效面孔隙度相关性较高;不同有效面孔隙度条件下累积入渗量符合Kostiakov模型但其参数是有效面孔隙度的函数;大孔隙的连通性在一定条件下对土壤水分的优先入渗起主导作用;大孔隙的存在导致大孔隙中心特征剖面湿润面积发生典型变化,给出了大孔隙中心特征剖面湿润面积增量的定量概念及其与有效面孔隙度之间的数学模型,并进行了验证,精度满足要求。     

地下灌竖管灌水器湿润体时空变化规律

研究地下竖管灌水器的土壤湿润体特性时空变化规律及影响因素,对进一步研究竖管地下灌溉技术要素,并将这一节水灌溉技术用于实际具有重要意义。该文基于室内竖管灌水器入渗试验,研究了土壤物理特性参数(土壤初始含水率和土壤容重)、竖管灌水器工作压力水头和灌水器技术参数(竖管管径)对土壤湿润体空间分布的影响。根据试验数据,构建了在不同方向上竖管灌水器工作压力水头、土壤初始含水率、土壤容重、竖管灌水器直径和竖管灌水器埋深等因素与湿润体时空变化特征值的量化关系,其决定系数均在0.85以上。按标准化回归系数分析得湿润锋运移距离与压力水头、初始含水率、竖管直径及竖管埋深呈正相关,与土壤容重呈负相关。湿润锋在各个方向的运移距离由大到小依次为:向下、水平和向上。根据不同方向湿润锋运移距离和各影响因素的量化关系,建立了不同方向湿润锋运移速率和各影响因素的量化关系,这一关系表明:在入渗初期,各个方向的湿润锋运移速率较大,随着入渗时间的延续,其值逐渐减小,在200 min左右,开始逐步趋于稳定。     

沟灌入渗湿润体运移距离预测模型

为进一步探明沟灌入渗湿润体的影响因素和其运移规律,该文通过黏壤土和砂土的室内沟灌入渗试验,重点研究了土壤容重、沟中水深和土壤初始含水率对沟灌入渗湿润体的影响。通过分析,发现湿润锋垂直和水平方向运移距离与时间的1/2次方呈线性函数关系,建立了包含土壤容重、沟中水深、土壤初始含水率等因素的湿润峰运移距离预测模型,并对模型进行验证,结果表明模型精度较高,用其模拟沟灌入渗湿润峰运移距离是可行的。研究结果可为改进沟灌灌水技术提供参考。     

聚丙烯酰胺施用量、初始含水率和容重对土壤水分入渗特性的影响

  目的  聚丙烯酰胺（PAM）被认为是最有潜力的人工合成土壤改良剂。研究PAM对土壤水分入渗的影响,为黄土高原水土流失防治和土壤改良提供依据。  方法  通过室内模拟土柱试验,分析了PAM施用量、初始含水率和容重对一维垂直积水入渗的累积入渗量与湿润锋运移距离的影响,并通过多元回归分析得到各因子影响程度。  结果  （1）不同PAM施用量处理120 min累积入渗量和120 min湿润锋运移距离总体上呈减小趋势,减小程度与PAM施用量有关。（2）无论是否施用PAM,120 min累积入渗量随初始含水率和容重的增加均呈现不同幅度的减少,而120 min湿润锋运移距离随初始含水率和容重的增加分别表现为增大和减小的趋势。（3）各因子对120 min累积入渗量和120 min湿润锋运移距离的影响程度排序均为:容重 > PAM施用量 > 初始含水率。（4）建立了基于非线性回归方法的多元土壤水分入渗经验模型。  结论  PAM对于改良黄土高原地区旱作土壤的水分状况具有良好效果。     

辽西低山丘陵区坡地砾石含量及粒径对土壤入渗性能的影响

基于室内土柱模拟试验对比分析辽西低山丘陵区坡地不同粒径及砾石含量的土壤入渗规律,并采用4种模型分析了含砾石土壤对传统土壤入渗模型的适用性。结果表明:粒径一定时,随砾石含量的增加土壤累积入渗量减少,随累积入渗量的增加土柱湿润锋变化速率由小变大;砾石含量小于20%时,湿润锋前进到一定深度下,土壤累积入渗量随粒径的增加而增大;当砾石含量增大到一定值时,砾石含量相同直径不同的土壤累积入渗量与湿润锋随时间的变化基本无差异。累积入渗量与湿润锋推进距离呈良好的线性关系。利用Green-Ampt模型、通用模型、Horton模型和Kostiakov模型对入渗率与入渗历时的关系进行拟合,其中砾石含量为5%时,Horton模型拟合效果最好,砾石含量为10%~30%时通用模型适用性更强,Horton模型拟合效果最差,其他模型拟合效果因砾石含量及粒径等因素的不同而异。     

北京昌平区农地土壤优先流影响硝态氮运移的试验分析

为了探讨在优先流影响下农地土壤水分与溶质的运移规律,以昌平农地土壤为研究对象,通过原状土取样和分层填充制备实验土柱,模拟存在优先流和平衡入渗2种水分下渗过程,分析优先流对农地土壤中硝态氮运移的影响。结果表明:相较于平衡入渗,存在优先流的土壤中硝态氮运移的速率更快、数量更多,且其穿透曲线表现出拖尾现象。优先流的存在会使土壤的水分出流速率达到平衡入渗过程的1.48～2.69倍,且波动程度较大;受其影响,硝态氮运移表现出快速、大量下渗的特征,原状土柱中NO3-的穿透时间为12 h,此时的孔隙体积为0.36,相较于填充土柱分别减少了57%和27%。此外,原状土柱中以NO3-标记的优先流占水流总量的43.83%,引起的NO3-累计淋出量占总量的97.60%,这表明有限的优先流流量能够引起绝大部分的硝态氮运移。土壤优先流还使得其穿透曲线表现出拖尾现象,这可能是由于优先流和基质流之间下渗速率的不平衡造成的。     

土壤中优势流的几个基本问题研究

优势流是指土壤在整个入流边界上接受补给,但只通过少部分土体的快速运移.优势流是一种普遍存在的现象,而不是一种特例.它受许多因素的控制,如土壤中的大空隙、土壤结构、土壤质地、土壤水分含量、土壤初始水分含量、水和溶质的施加速率及溶质的施加方法等.优势流的产生机理主要有2种:一种是由土壤介质的非均质性所驱动的优势流;另一种是由湿润锋的不稳定性所驱动的优势流.目前,优势流的监测方法主要有取土壤原状土、实验室内的土柱出流试验及染色示踪试验.尽管优势流的模拟非常困难,但人们仍提出了许多模型来描述它.今后优势流研究的重点应放在进行大量的综合性野外试验,以获取足够的数据资料来确切地刻划优势流;发展新的观测技术以便在时间和空间上监测优势流;建立新的模型来模拟优势流,从而进一步解决与土壤和地下水污染有关的环境问题.