蒸发条件下浅层地下水埋深夹砂层土壤水盐运移特性研究

针对西北地区土壤剖面多呈层状和春季强烈返盐土壤多处于裸露状态的特点，通过室内土柱实验，研究了浅层地下水埋深条件下夹砂层土壤中砂层的层位、厚度以及级配等因素对水盐迁移特性的影响。结果表明，砂层位于底层即层位为0时可加速水盐运动；层位为10 cm时可抑制其运动；层位为35 cm时砂层对潜水蒸发量和土壤表层返盐的抑制率可达70％～80％左右。砂层对水分和盐分的抑制率随蒸发历时的延长而减小，但层位为35 cm的砂层对盐分的抑制率随蒸发历时的延长而增加；同一历时砂层对水分的抑制率小于对盐分的抑制率。相同层位时，水盐的抑制率随砂层厚度的增加以及级配的变差而增大。该研究为层状土区盐碱地的改良以及灌溉和排水等措施的制定提供了参考。     

夹砂层土体构型毛管水上升的实验研究

针对西北地区土壤剖面多呈层状和春季强烈返盐季节土壤多处于裸露状态的特点，通过室内土柱实验，研究了有地下水位条件下夹砂层剖面的土壤蒸发问题。结果表明，砂层会影响毛管水上升的高度和速度，毛管水到达土表的时间随砂层厚度的增加、层位的升高以及级配的变差而延长，但砂层级配对于水分的阻滞作用最大。砂层影响各层土壤含水量的分布，在水分达到平衡状态时，砂层以下土壤含水量大于均质土，而砂层以上土壤含水量则小于或近似于均质土。砂层能明显降低地下水的蒸发量，但夹砂层土柱的蒸发量随砂层厚度的增加而降低，而表砂层土柱的蒸发量则随砂层厚度的增加而增强。在蒸发阶段，砂层层位的作用表现更为显著。     

层状夹砂土柱室内积水入渗试验及模拟

为了研究夹砂层对入渗强度、湿润锋行进和沿程土壤含水率变化的影响,进行了室内层状夹砂土柱一维薄层积水入渗试验和相应情况下均质土柱的对照试验。结果表明,当湿润锋到达夹砂层上界面后,层状夹砂土柱的入渗过程与均质土入渗表现出明显不同。在湿润峰穿过夹砂层上界面时入渗率有较大波动,且最终进入稳渗阶段,其稳渗率明显小于同时刻均质土柱入渗率;当湿润锋穿过夹砂层后,夹砂层内的土壤含水率明显小于其饱和含水率。根据试验和分析,建立了针对层状夹砂土入渗的S-Green-Ampt模型,该模型可以较准确地反映层状夹砂土柱积水入渗的机     

高地下水位条件下盐渍土区潜水蒸发特性及计算方法

为了了解盐渍土区潜水蒸发特性，通过室内模拟实验，研究了不同大气蒸发能力条件下，盐渍土中盐分对潜水蒸发强度以及模型中参数的影响。结果表明：由于土表盐壳形成后对水分蒸发的抑制，不同大气蒸发能力条件下地下水埋深为50 cm时，随蒸发历时的延长，潜水蒸发由稳定变为非稳定状态。雷志栋公式在计算盐渍土的潜水稳定蒸发强度时的误差明显小于阿维里扬诺夫公式，但其参数η并非为常数，且参数β和潜水极限蒸发强度均明显减小。最后，建立了非稳定潜水蒸发强度的计算模型。该研究将为重新认识盐渍土区土壤的蒸发特性以及对其进行进一步深入研究提供重要依据。     

塔里木盆地裸地潜水蒸发计算模型

为了研究潜水蒸发规律，提高对极限蒸发强度和极限埋深等关键问题的认识，本研究根据中国科学院阿克苏水平衡试验站1990年至1996年裸地潜水蒸发及水面蒸发资料，通过分析潜水蒸发计算模型的控制条件，建立了新的潜水蒸发计算模型。研究结果表明：所建立的模型符合控制条件，对于给定的潜水埋深，潜水蒸发强度随水面蒸发强度的增大而非线性增加，当水面蒸发强度趋于无穷大时，潜水蒸发强度应趋近于潜水极限蒸发强度；潜水蒸发极限埋深在理论上不存在。本文建立的裸地潜水蒸发计算模型结构合理，克服了当大气蒸发力较大时过高估计潜水蒸发量、潜水蒸发随水面蒸发的增大而线性增加的缺点。模型计算精度较高，可供相似地区参考使用。     

砂性层状土柱蒸发过程实验与数值模拟

为了了解不同类型层状土柱蒸发特性,利用砂土和砂黄土2种土壤,设置3种不同厚度分层土柱(11.25、22.5、45 cm)和2种均质对照土柱,测定了土柱蒸发过程中累积蒸发量、相对蒸发速率和剖面含水量的变化;同时利用2种均质土柱排水过程优化的土壤水力参数和Hydrus-1D模型对2种均质土柱和3种不同类型层状土柱蒸发过程进行模拟分析。结果表明,均质砂黄土蒸发第一阶段持续长达34 d,累积蒸发量显著高于均质砂土和其他3种不同类型分层土柱,土柱剖面含水量变化进一步证明表层覆盖砂土可显著抑制土壤蒸发。利用排水过程优化的水力参数,HYDRUS-1D可以较好地模拟层状土柱蒸发过程。研究结果对干旱半干旱区土壤水分管理具有指导意义。     

不同覆砂厚度对土壤水盐运移影响的实验研究

采用室内土柱模拟试验,研究了不同覆砂厚度条件下土壤潜水蒸发及蒸发后盐分(EC)分布特征,并就覆砂厚度对土壤水盐运移的影响进行了分析。结果表明:覆砂厚度对潜水蒸发的抑制率有显著效果,且抑制率随覆砂厚度的增加而升高,如当覆砂厚度1.7 cm时抑制率达到83%,当覆砂增加到3.6 cm和5.7 cm时,抑制率分别为95%和97%;土壤表层覆砂具有显著的抑盐效应,通过覆砂明显的减轻了土壤盐分向上运移和表聚,如当覆砂厚度1.7 cm时,表层盐分抑制率达到83%,当覆砂厚度为3.6 cm与5.7 cm时,盐分抑制率则分别上升到96%和97%。本试验表明,土壤表层覆砂是一种防止土壤水分蒸发,提高土壤保水能力和抑制土壤盐分表聚的有效方法,覆砂厚度达到3.6 cm是一种在新疆北疆绿洲合理覆砂厚度。     

蒸发条件下粘土层对土壤水和溶质运移影响的模拟

以土壤水和溶质运移的动力学原理为基础 ,采用数值模拟方法 ,研究了在浅层地下水和蒸发条件下含有粘土层土壤的水和Cl-的运移状况 ,重点探讨了两种粘土的层位和层厚对水和Cl-运移影响的差别及原因。研究结果表明 ,粘土层对土壤的水和溶质运移影响的程度 ,与层状土壤中该粘土及其组合土壤的水力学性质有关。本文模拟的重粘土 (简称Y粘土 )与轻壤土所组成的层状土壤 ,其基本情况为 ,随粘土层层位的升高和层厚加大 ,土壤水分蒸发和地下水补给速率降低 ,Cl-积累减少。而轻粘土 (简称R粘土 )与轻壤土所组成的层状土壤 ,由于它们的导水率曲线在压力水头h约 - 10 0 0cm处相交 ,当h低于此值时 ,R粘土的导水率就大于轻壤土的。因此 ,蒸发、补给速率和Cl-积累强度出现以顶位最高 ,甚至高于均质轻壤土 ,其次为底位 ,最低为中部层位的现象。在蒸发条件下Cl-在剖面中的积聚部位主要是土表。粘土层的存在 ,起到了阻滞作用 ,而阻滞程度则与该粘土水力学性质、层位、厚度和地下水埋深有关     

夹砂层状土条件下渠道渗漏的室内试验和数值模拟

为了解渠床含有夹砂层情况下的渠道渗漏规律,开展了均质土（砂壤土）和层状土（含夹砂层）条件下的室内渠道渗漏试验,对不同渠道水位、渠床土质结构影响下渠道渗漏量的变化以及土壤中湿润锋的前进过程进行了试验观测。选用饱和－非饱和土壤水、热和溶质运移模拟软件HYDRUS-2D,对室内试验过程进行了模拟验证及分析。结果表明,渠床中禁锢气体的存在可能阻碍湿润锋行进,使模拟结果产生误差。但总体来说基于Richards方程的饱和－非饱和土壤水分运动模型能够对含有夹砂层渠床的渠道渗漏及土壤水分运动进行模拟。当渠床中有砂质夹层时,湿润锋在交界面处会出现不连续的现象。夹砂层的阻水减渗现象在渠道水位较低时比较明显,当渠道水位较高时,夹砂层的存在甚至会增大入渗量。研究成果可为渠床含有砂层情况下的渠道防渗技术提供参考。     

土壤剖面结构特征对坡面产流产沙过程的影响

层状土壤在自然界普遍存在,但土壤剖面结构对降雨入渗和侵蚀过程的影响研究却相对较少。通过模拟降雨试验,系统研究了7种典型剖面结构的土壤在不同雨强下降雨入渗和产流产沙特征,以揭示土壤剖面结构特征对剖面水文过程的影响。结果表明:随降雨强度增大,各层状土壤的产流时间均变短,而径流系数和土壤侵蚀强度均增大;在相同降雨强度下,上砂下黏的土壤入渗率较大,抗侵蚀能力较强,而上黏下砂的土壤,入渗率低,在降雨过程中的产流产沙量相对较大,土壤抗侵蚀能力弱。若上层为黏土,土壤产流产沙量总体为三层组合两层组合单层土壤,表明层状组合层次越多,其抗侵蚀能力可能越强;而上层为砂土的剖面结构,结果则与之相反,层数增加,产流产沙量会随之增加。研究结果可为层状土壤入渗过程和侵蚀过程模型模拟提供科学依据。     

潜水埋深为零时塔里木盆地不同土质潜水蒸发与水面蒸发关系分析

根据渭干河灌区潜水蒸发试验站和阿克苏水平衡试验站的实际监测资料,分析了E601型蒸发器与E20蒸发皿观测的水面蒸发的关系、不同土质潜水埋深为零时潜水蒸发与水面蒸发的关系,提出了潜水蒸发能力系数的概念,并分析了其与土壤机械组成的关系.结果表明塔里木盆地非冻结期E601型蒸发器与E20蒸发皿观测的水面蒸发的折算系数变化在0.65～0.78之间;除细砂土外,E601蒸发器观测的水面蒸发强度不能代替潜水埋深为零时的潜水蒸发强度;不同质地土壤的粉粘粒(d<0.02 mm)含量百分数与潜水蒸发能力系数呈指数相关关系.     

不同质地裸土潜水蒸发估算方法

为定量分析裸土区潜水蒸发与水面蒸发的关系,该文通过自制试验装置,对粗砂、细砂、壤土和砂土4种质地土壤开展了二者之间相关关系的试验研究。结果表明:相同条件下,不同土壤质地的潜水蒸发与水面蒸发量不相等,二者之间存在一个折算系数,除粗砂外,细砂、壤土和砂土的折算系数均大于1,二者表现出较强的线性相关性,基于该相关性,建立了数学关系表达式。与实测数据的对比分析表明,若用水面蒸发强度代替潜水蒸发,相对误差达-17.79%,这将不可避免地影响到潜水蒸发计算结果的精度;而通过二者相关关系建立的折算系数法,可将相对误差减小至-1.94%,有效提高了潜水蒸发计算结果的可靠度。     

覆砂对土壤入渗、蒸发和盐分迁移的影响

探讨覆砂厚度对土壤水分入渗、蒸发、盐分迁移的影响,对新疆干旱区农田抑盐、保水及合理的覆砂制度制定具有重要意义。本文采用定水头法入渗和模拟稳定蒸发条件,研究覆砂厚度对土壤水分入渗、蒸发过程以及盐分迁移的影响。以覆砂厚度为影响因子,在土壤表层设置4个厚度,分别是0(对照)、1.7、3.6、5.7 cm。研究结果表明:(1)覆砂抑制了土壤水分净入渗能力,这一抑制作用随着覆砂厚度增加而减弱;(2)覆砂可以显著抑制土壤蒸发,随着覆砂厚度的增加抑制力增大。在20天蒸发过程中,覆砂处理蒸发呈稳定态势,且累积蒸发量符合线性方程,而对照符合Rose经验公式;(3)覆砂可以改变土壤盐分在剖面中的运移,尤其减弱了盐分的表聚。总之,覆砂显著地抑制了土壤蒸发和盐分表聚,即在覆砂厚1.7 cm上就可达显著效果,但对土壤的净入渗能力具有抑制作用。     

新疆喀什地下水浅埋区弃荒地表层土壤积盐与地下水的关系

为了研究新疆喀什地下水浅埋区弃荒地表层土壤积盐与地下水的定量关系,对试验区自然状况下的土壤含水量、表层土壤含盐量、地下水埋深、地下水矿化度和潜水蒸发量进行了原位监测,模拟了潜水蒸发量与地下水埋深的关系,定量分析了弃荒地自然条件下地下水埋深、地下水矿化度对土壤表层盐分的影响,建立了表层土壤含盐量与地下水埋深、地下水矿化度的经验模型。结果表明:在5~50 cm土层,土壤质量含水率随土层深度增加而增大;地下水埋深、地下水矿化度对表层土壤盐分有显著的影响,当地下水埋深为定值时,表层土壤含盐量与地下水矿化度呈线性正相关;当地下水矿化度为定值时,表层土壤含盐量与地下水埋深呈线性负相关;土壤盐分表聚现象明显,不同地下水埋深条件下表层土壤含盐量随累计潜水蒸发量的增加而增大,表层土壤积盐速率随地下水埋深的增大而减小,地下水埋深为25 cm条件下表层土壤积盐速率约是地下水埋深为50 cm的表层土壤积盐速率的2倍多。     

基于颗粒模型的风积砂层降雨入渗深度计算及验证

为了研究沙漠干旱区降雨对砂层非饱和带水分的贡献,该文对风积砂层水分入渗过程中的水分存在形式和运移机理进行了理论和力学分析。通过以触点水为主要储水单元的立方布局颗粒模型推导出水分入渗过程中湿润深度的解析表达式,并进行验证。物理和力学分析表明,砂颗粒表面很难形成较厚的薄膜水,砂层非饱和带水分大部分以触点水的形式存在。模型计算结果表明,水分入渗的湿润深度与入渗水量和触点水湿润角有关。模型验证表明,水分入渗湿润深度的解析表达式在风积砂层入渗深度计算中具有一定的适用性,但触点水湿润角与砂颗粒粒径的函数关系还有待进一步研究当设定触点水湿润角为π/4时,比例常数为11.5。该研究可为干旱区农业规划提供依据。     

具有砂质夹层的土壤入渗计算

根据室内系统的试验研究，对土壤具有砂质夹层的入渗计算问题，即非线性入渗阶段转为稳渗阶段时间与稳渗率，提出了一个以现有均质土积水入渗公式为基础的计算方法。该方法利用Kostiakov入渗模型与砂层以上土体达到饱和所需水量建立水量平衡关系，由该关系可以确定出非线性入渗阶段转为稳渗阶段的时间；再由实验数据回归的方法，将层状土转折后的稳渗率与均质土入渗过程在转折时刻的瞬时入渗率的比值与夹层的埋深及中值粒径建立相关关系，从而可由夹层土壤埋深、中值粒径以及均质土在转折时刻的瞬时入渗率确定出层状土转折后的稳渗率。该方法经试验数据的检验，除个别点外，误差均在5%以内。由于确定稳渗率与夹层土壤埋深、颗粒组成、均质土入渗规律等有关，实际确定时会有一定困难，因此该方法尚待完善和生产实际的考验。     

不同覆膜开孔率下土壤水分和潜水蒸发的模拟研究

为研究蒸发阶段不同覆膜开孔条件下土壤水分运动,在室内进行蒸发模拟试验的基础上,采用HYDRUS-1D模型对不同覆膜开孔率和大气蒸发能力条件下土壤剖面含水率和潜水蒸发量动态变化进行了模拟,并与实测资料进行比较。结果表明:土壤剖面含水率同时受大气蒸发能力和覆膜开孔率的共同作用,随覆膜开孔率和大气蒸发能力的增加,土壤剖面含水率减小,且上层土壤含水率差异比下层土壤明显;覆膜开孔率和大气蒸发能力一定时,土壤剖面含水率在蒸发初期有所增加,蒸发后期基本保持稳定;覆膜对潜水蒸发的阻滞作用明显,但开孔率增加到一定数值时,表层盐分的影响大于覆膜的影响,使土壤含水率增大,累积蒸发量减小。经实测数据验证,模型精度较好,表明HYDRUS-1D模型用于不同覆膜开孔率下的土壤水分运动模拟是可行的。     

应用HYDRUS-1D模拟砂质夹层土壤入渗特性

依据非饱和土壤水分运动理论,采用HYDRUS-1D软件,对砂质夹层土壤入渗特性进行数值模拟,分析各因素对砂质夹层土壤入渗规律的影响。结果表明：砂质夹层结构对土壤入渗特性有较大影响,具有暂时的阻水和减渗作用;湿润锋穿过砂层上界面后,入渗过程变为稳渗阶段,稳渗率主要受砂层质地、砂层埋深和压力水头影响,与土壤初始含水率和砂层厚度无关;砂质夹层土壤剖面水分分布不连续,上层土壤基本饱和,砂层土壤未饱和,土壤剖面含水率主要受砂层质地、砂层埋深和砂层厚度的影响。研究结果可为农业水资源利用及工程防渗技术提供理论依据。     

应用HYDRUS-1D模拟砂质夹层土壤入渗特性

依据非饱和土壤水分运动理论,采用HYDRUS-1D软件,对砂质夹层土壤入渗特性进行数值模拟,分析各因素对砂质夹层土壤入渗规律的影响。结果表明:砂质夹层结构对土壤入渗特性有较大影响,具有暂时的阻水和减渗作用;湿润锋穿过砂层上界面后,入渗过程变为稳渗阶段,稳渗率主要受砂层质地、砂层埋深和压力水头影响,与土壤初始含水率和砂层厚度无关;砂质夹层土壤剖面水分分布不连续,上层土壤基本饱和,砂层土壤未饱和,土壤剖面含水率主要受砂层质地、砂层埋深和砂层厚度的影响。研究结果可为农业水资源利用及工程防渗技术提供理论依据。