原油在扰动土壤中入渗的实验研究

随着国家发展对能源的迫切需求,石油作为我国能源的主要构成之一,其开采和冶炼也在不断地增加。然而由于某些相关管理环节的不完善引发的污染事故日趋增多,其中原油的土壤污染问题尤为严重。为研究原油在土壤中的入渗过程,通过室内土柱模拟实验,测定了原油在土壤中入渗的湿润距离、湿润推进速率与时间的关系以及被原油污染的土壤中残留物的含量。结果表明:对于同一质地土壤,随着容重的增加,原油在土壤中入渗的湿润距离、湿润推进速率和残留物的含量均降低;容重相同而质地不同的土壤,随着粉粒含量的增加,原油在土壤中入渗的湿润距离、湿润推进速率和残留物的含量均表现为降低趋势;原油在土壤中入渗的湿润距离随时间的变化可以用对数函数拟合,湿润推进速率与时间的关系可以用幂函数拟合,均达到显著水平。研究原油在土壤中的入渗对于了解原油在土壤中的迁移有着重要的意义。     

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.     

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。     

土壤初始含水率对浑水膜孔灌肥液自由入渗水氮运移特性影响

为了探究浑水膜孔灌肥液入渗在不同土壤初始含水率下水氮运移特性,通过室内肥液入渗试验,研究了不同土壤初始含水率(6.02%,7.40%,8.23%,10.08%和13.20%)条件下入渗特性、湿润锋运移、土壤水分分布以及铵态氮和硝态氮的运移特性,建立了浑水膜孔灌肥液入渗累积入渗量、各向湿润锋运移距离与土壤初始含水率之间的关系,提出了不同土壤初始含水率的累积入渗量以及各向湿润锋运移距离的经验模型。结果表明:累积入渗量、各向湿润锋运移距离以及湿润体内水分和氮素的分布规律均受到土壤初始含水率的影响;同一入渗时刻,累积入渗量随土壤初始含水率的增大而减小,而湿润锋运移距离却呈现出随时间增大的趋势;土壤初始含水率越大,湿润体体积越大,湿润体内水分、铵态氮以及硝态氮分布范围越广;土壤初始含水率越大,入渗系数K值越小,入渗指数α越大。灌水结束时,湿润体内铵态氮绝大部分分布在湿润体半径r≤5cm范围内,而湿润体半径10cmr5cm范围的土壤铵态氮含量随土层深度的增加而降低,当湿润体半径r≥10cm时,铵态氮含量明显降低;硝态氮主要集中分布在由膜孔中心至半径为10cm范围内,水平方向和垂直方向硝态氮含量均随着膜孔中心距离的增加而降低,距离膜孔中心越近硝态氮含量越高;在同一位置处,铵态氮和硝态氮质量分数均随土壤初始含水率的增大而增大;随土壤水分再分布,湿润锋逐渐下移,湿润体内铵态氮逐渐向下运移且其含量呈现降低趋势;随时间继续运移,上层土壤硝态氮含量逐渐减小,下层新湿润体中硝态氮含量逐渐增加,整个湿润体内硝态氮含量分布趋于均匀。研究成果为进一步研究浑水膜孔灌肥液入渗氮素运移及转化奠定了基础。     

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。     

土壤初始含水率对涌泉根灌土壤水分及氮素运移特性的影响

为了探究涌泉根灌水肥一体化灌溉在不同土壤初始含水率下水氮运移特性,通过室内肥液入渗试验,研究了不同土壤初始含水率(4.13%,7.21%,8.77%,11.06%,14.01%)条件下入渗特性、湿润锋运移、土壤水分以及铵态氮和硝态氮的运移特性,建立了涌泉根灌累积入渗量、各向湿润锋运移距离与不同土壤初始含水率之间的关系,提出了不同初始含水率下涌泉根灌累积入渗量、各向湿润锋运移距离的经验模型。结果表明:累积入渗量、各向湿润锋运移距离以及湿润体内水分和氮素的分布、转化等均不同程度地受到土壤初始含水率的影响。同一时刻条件下,累积入渗量随着土壤初始含水率的增大而减小,而湿润锋运移距离却呈现出增大的趋势;土壤初始含水率越大,湿润体体积越大,湿润体内水分、铵态氮和硝态氮的分布范围越广泛;距离灌水器出水孔越近,土壤中的铵态氮和硝态氮含量越高。入渗系数K随着土壤初始含水率的增大而减小,入渗指数α随着土壤初始含水率的增大而增大;水平湿润锋拟合参数a、b均随土壤初始含水率的增大而增大,竖直向下湿润锋运移指数c随着土壤初始含水率的增大而增大,入渗指数d随着土壤初始含水率的增大而减小。随着土壤水分再分布的持续进行,湿润体内水分分布越加均匀,采用克里斯琴森均匀系数Cu评价灌水结束、再分布1,3天条件下湿润体内水分分布均匀度依次为61.99%,74.27%和83.60%;湿润体内铵态氮含量逐渐减小,但铵态氮的分布区域基本无变化;湿润体内硝态氮分布区域变大,平均值呈增大,最值区域有下移趋势。研究成果为进一步研究涌泉根灌水氮高效利用技术奠定了基础。     

纳米碳混合层对土壤水分入渗特性及水分分布影响

通过室内一维垂直土柱试验,利用TDR和张力计分别研究土壤中纳米碳混合层对土壤水分入渗特性、土壤水分分布以及纳米碳混合层对土壤水分特征曲线的影响。结果表明:(1)随着入渗时间的增加,含有纳米碳的土壤在相同入渗时间内累积入渗量减少,湿润锋推进距离明显减小,施加纳米碳具有明显的减渗作用。利用Philip入渗模型拟合入渗数据,吸渗率S随着纳米碳含量的增加而减小,随着纳米碳含量的增加,水分入渗初期的累积入渗量逐渐减小。对湿润锋分层进行线性拟合,在湿润锋进入第2层土壤时,入渗速率有了显著的降低,纳米碳混合层有着明显的阻水效果。(2)随着纳米碳的加入,纳米碳混合层的含水量明显提高,纳米碳混合层下层的土壤含水量相对于空白对照组土壤含水量更低;当纳米碳含量为0.5%时,纳米碳混合层的土壤含水量达到最大值。(3)随着纳米碳的施入,在土壤脱湿状态下,能显著提高土壤的持水能力,运用van Genuchten模型对水分特征曲线进行拟合,公式中的土壤的滞留含水率、饱和含水率及与进气值相关系数较不加纳米碳的土壤明显增加,形状系数n则小于不加纳米碳的土壤。     

土壤质地对单膜孔肥液入渗水分及氮素运移的影响

为了探求特定条件下的水肥运移规律,该文通过室内试验,研究了土壤质地对单膜孔肥液入渗水分运移及 NO-3 -N分布的影响。研究表明,不同土壤质地的单膜孔肥液入渗累积入渗量均符合Kostiakov入渗模型;水平湿润距离和垂直湿润距离随时间的变化均符合幂函数方程;质地对土壤含水率的分布和再分布的影响均较大;供水结束时,不同土壤质地的NO-3 -N含量在湿润土体表层10 cm范围内的高含水率段分布均比较均匀,且NO-3 -N含量相差较小;NO-3 -N本底值对湿润体表层10 cm范围内NO-3 -N含量分布和再分布的影响不大。     

土壤温度对土壤水分入渗的影响

为了解温度对土壤水分人渗参数的影响,研究了黄土高原三种典型土壤(神木风沙土、安塞黄绵土、杨凌蝼土)在不同温度(18℃,25℃-27℃.30℃,35℃)时的人渗特征.用幂函数对湿润锋距离与时间关系进行拟合.并用Philip入渗公式对累积人渗量及入渗率进行拟合.结果表明:(1)温度对湿润锋的影响主要是通过对参数a的影响来实现.而对土壤水分人渗率的影响主要是通过吸湿率S起作用;(2)随着温度的升高,同种土壤水分入渗达到某一深度所用时间缩短.但不同质地的土壤之间的差别较大;(3)随着温度的升高.湿润锋运移速率和入渗速率增加,且湿润锋运移速率及人渗速率与温度和时间关系可用多元复合幂函数关系拟合;(4)温度对同一土壤湿润锋运移速率和水分人渗速率的影响随着温度的变化而变化.在较低温度区温度对其的影响大于较高温区.     

辽西褐土区沟灌侵蚀影响因素研究

通过辽西褐土区田间沟灌试验,研究不同灌水流量、垄沟长度与土壤初始含水率对沟灌侵蚀的影响,基于灌溉径流推进过程,运用水量平衡法计算土壤入渗参数。结果表明:研究区域土壤入渗参数K和α值分别平均为0.002 09与0.785 1;相对干燥土壤入渗速率初始值较高,入渗速率随灌水历时下降迅速;随灌水流量增加,径流量与侵蚀量均明显增加;垄沟越长,径流量与侵蚀量越低,沟长与径流量呈指数关系;初始含水率较低时,虽土壤颗粒易受径流剥蚀,但垄沟末端沉积现象明显,土壤颗粒输移距离较短,径流量与侵蚀量较低;灌水流量为0.5~1.0L/s时,单次灌溉引起的侵蚀量为7.46~391.46t/km2。     

初始含水率对土壤垂直线源入渗特征的影响

为解决现有渗灌系统在深根系植物应用中存在的问题,该文设计了一种垂直线源灌水器,并通过室内土箱试验研究了不同初始含水率条件下砂黄土和塿土的垂直线源入渗特征。结果表明：Philip入渗公式的形式能够较好地描述2种土壤的三维入渗过程;入渗时间一定时,砂黄土和塿土的累积入渗量均与初始含水率之间呈二次函数递减关系;2种土壤入渗的最大径向距离、最大垂向距离、宽深比均与初始含水率之间呈二次函数抛物线关系;2种土壤相比,偏砂性的砂黄土累积入渗量在低初始含水率下较塿土大,但随着初始含水率的增加其减小速度较塿土快,偏黏重的塿土入渗临界初始含水率较砂黄土大,但其入渗范围较砂黄土小。这些结果可为不同土壤条件下的垂直线源灌水技术发展提供参考。     

砾石覆盖厚度对斥水土壤入渗特性的影响及模型优选

基于室内一维垂直入渗土柱试验,研究砾石覆盖厚度(0,3,6,9,12 cm)对斥水土壤积水入渗及水分再分布的影响,并利用不同入渗模型进行拟合。结果表明:砾石覆盖显著增加斥水土壤湿润锋运移距离(p<0.05);同一时段内,各处理累积入渗量皆高于对照组(p<0.05),斥水性红壤累积入渗量与砾石覆盖厚度呈正相关关系;斥水性红壤初渗率与稳渗率随砾石覆盖厚度变化均可用指数函数来描述,决定系数分别为0.91和0.87,砾石覆盖使得斥水性潮土初渗率与稳渗率增大,其中稳渗率与砾石覆盖厚度呈二次函数关系,决定系数为0.78,覆盖6 cm时稳渗率达到最大;砾石覆盖明显提高斥水土壤剖面平均含水率,斥水性红壤和潮土最大分别增长180.8%和57.6%;隔绝蒸发条件下,再分布过程斥水土壤湿润体含水率表现为停渗时刻>再分布1天>再分布3天>再分布7天;Horton模型对砾石覆盖斥水土壤入渗过程的拟合效果最好,是分析和预测砾石覆盖斥水土壤水分入渗特征的适宜模型。     

河套灌区不同掺沙量对重度盐碱土壤水盐运移的影响

采用室内土柱模拟试验,研究不同掺沙量对土壤入渗特征与水盐运移的影响。共设置了CK(不掺沙)、S1(掺沙2%)、S2(掺沙4%)、?、S15(掺沙30%)16个试验处理,测定不同处理试验期间土壤含水率和含盐量的变化。结果表明:1)随着土壤表层掺沙量的增加,土壤的累积入渗量与湿润峰运移速度都呈逐渐增加的趋势;当掺沙比例为18%～24%时,土壤稳定入渗速率在0.065～0.091 mm/min之间;掺沙比例为26%～30%时,土壤稳定入渗速率大于0.1 mm/min,土壤持水能力较低。2)不同处理在7、11、15 d的土壤平均含水率差异显著(P0.05),适当增大掺沙量可以有效促进土壤水分向下运移,掺沙比例过大会降低土壤的持水能力。3)当掺沙比例小于24%时,不同处理7 d的土壤含盐量差异显著(P0.05);S9～S12处理在20 d时30 cm土层的土壤含盐量相比不掺沙的处理降低90%以上,能够同时保证土壤的脱盐能力和持水能力。4)Kostiakov模型能够很好地在本研究中对土壤水分入渗过程进行模拟。该研究结果可为表层土壤掺沙改良河套灌区重度盐碱地提供理论支持。     

涌泉根灌不同浓度肥液入渗特性及土壤湿润体模型研究

为了研究涌泉根灌肥液入渗特性及湿润体水氮运移的变化规律,在陕北米脂山地微灌枣树示范基地原状土上进行了涌泉根灌肥液入渗试验。结果表明:累积入渗量与入渗时间之间符合Kostiakov幂函数关系(R20.9,P0.01);涌泉根灌入渗能力与增渗效果均随肥液浓度增大而增大;水平湿润锋与竖直湿润锋运移距离均随肥液浓度增大而增大,且均与入渗时间呈显著的幂函数关系,水平方向和竖直方向的湿润锋运移距离的拟合值与实测值的相对误差在–3.84%～5.20%以内。肥液浓度的不同对于湿润体大小略有影响。提出了涌泉根灌肥液入渗湿润体内土壤含水率和NH_4~+-N浓度分布的数学模型,即在一定浓度范围内,单位含水率的变化可引起的肥液浓度变化,且模型的计算精度较高(模拟值与实测值相对误差在10%以内),并符合湿润体内土壤含水率和NH_4~+-N分布规律,可对不同位置处土壤含水率及NH_4~+-N含量进行估算。水分分布情况对肥液浓度条件敏感性较低,NH_4~+-N分布情况对肥液浓度条件敏感性较高。研究可为涌泉根灌水肥高效利用提供参考。     

土壤含水率对季节性冻土入渗特性影响的试验研究

基于季节性冻融期不同土壤含水率条件下的冬小麦田单点入渗试验,讨论了土壤含水率对冻融土壤水分入渗能力和入渗率的影响以及不同冻融阶段土壤入渗特性的变化。结果表明季节性冻融期土壤含水率对冻融土壤入渗特性的影响显著。土壤入渗能力随土壤含水率的升高而减小;冻融土壤累积入渗量随土壤含水率的变化符合幂函数规律;高土壤含水率导致的水力传导度减小是冻土入渗能力降低的主要原因。研究结果对于季节性冻土分布区农田冬春灌溉、确定合理灌水技术参数及水资源合理利用提供了参考。     

石油烃污染对土壤持水特征及水分有效性的影响

石油烃污染土壤已经成为我国一个严重的环境问题,污染后的土壤理化性质发生改变,直接影响土壤的持水特性及水分有效性,确定石油烃污染对土壤持水特征和水分有效性的影响及其程度可为揭示石油烃污染对土壤性质的影响提供新的科学认识。通过人工配置柴油和原油不同污染浓度污染的黄绵土,利用离心机法测定土壤水分特征曲线,分析了土壤的持水特征与水分有效性。结果表明:(1)不同浓度柴油与原油污染土壤后,水分特征曲线均位于未污染土壤的下部,其中原油污染的影响更甚。(2)水分特征曲线van Genuchten模型参数θ_s、θ_r随着污染浓度的增加呈现指数衰减,参数α值呈幂函数减小、n值出现随污染浓度对数增加的特点。(3)土壤的饱和含水量、田间持水量以及凋萎含水量均随柴油、原油污染浓度的增加出现下降趋势,表观土壤有效含水量随污染浓度表现出先降后升的U字形的变化模式。无论原油还是柴油污染土壤,均会影响土壤的持水特征和水分有效性,影响的大小与石油烃的类型和浓度密切相关。     

四种入渗模型对斥水土壤入渗规律的适用性

土壤斥水性影响入渗,进而影响作物产量。国外学者进行了一定的研究,但在中国研究的还很少。该文基于实测资料探讨几种常规的入渗模型在斥水土壤中的适用性。采用室内土柱进行积水入渗试验,对比了不同积水高度和斥水度条件下的土壤入渗规律,并采用4种模型分析了土壤入渗率变化特征。结果表明,累积入渗量随入渗历时的变化可用幂函数描述,不斥水土壤累积入渗量明显大于斥水土壤;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、Philip模型、Kostiakov公式和指数公式对入渗率与入渗历时间的关系进行拟合,其中Kostiakov公式更接近于实测值,其他模型拟合效果因斥水程度等因素的不同而异。     

Simultaneous transport of surface salts and water through unsaturated soils during infiltration and redistribution

Abstract

Certain concepts regarding the simultaneous transport of surface ‐salts and water under transient unsaturated flow conditions vere verified for three soils using laboratory soil columns. Treatments included different water application rates (i.e., continuous ponding and controlled rates) and different initial soil water contents. Calcium chloride, spread on the soil surface to simulate a salt‐affected soil or broadcasting of a fertilizer (or other additive), was leached with chloride free water (0.01 N CaSO₄). Salt and water profiles were determined by destructive sampling at 2 cm depth intervals at two stages: (i) immediately following infiltration and (ii) after Batching infiltration plus redistribution time.

Immediately following infiltration as well as after matching infiltration and redistribution time, chloride was leached more efficiently and to relatively deeper depths with slower than with faster rates of water application only in sandy and sandy loam soils. The results, thus, show that slower rates of water application nay not increase leaching efficiency over faster rates in heavy‐textured and sodic soils with very poor permeability. Regardless of water application rate, initial soil water content, redistribution time and soil type, salt front (i.e., salt peak) did not coincide with the water front but lagged behind it by a few to several centimetres. That is to say that salt peak did not occur at a depth above which total soil water storage in the profile equalled cumulative infiltration. The higher the initial soil water content, the deeper and more complete was the displacement of chloride during infiltration for a given quantity of water applied at different rates. This trend was not modified during post‐irrigation period in sandy soil, but it was entirely reversed in sandy loam soil.     

覆膜开孔土壤蒸发的水盐分布特征及运移规律研究

在干旱半干旱的新疆地区,覆膜灌溉面积在逐年增加。但由于田间地膜覆盖率无法达到100%,同时出苗孔和灌水孔的存在使得研究覆膜灌后地表覆膜开孔率不同时蒸发的水盐运动很有必要。为获得覆膜开孔蒸发的土壤水盐分布特征,采用垂直一维入渗蒸发双层有机玻璃土柱实验系统进行蒸发试验。以概化的覆膜开孔率为上边界条件,针对初始水盐均匀和入渗结束后的蒸发两种处理,研究了覆膜开孔率影响下,蒸发土壤含盐量剖面和盐分浓度剖面的分布特征。结果表明,对水盐均匀处理,剖面盐分浓度可采用含水率及开孔率的函数关系表达;而对入渗蒸发处理,剖面盐分浓度随覆膜开孔率的范围不同可采用不同的指数形式表达。表土10cm返盐量随覆膜开孔率的增大而逐渐增加。单位膜孔面积的返盐量随覆膜开孔率的增加而减小,呈幂函数关系。此外,相同开孔率条件下,单位膜孔面积上蒸发量(ER)与土表10cm返盐量(Wsm,10)之间呈良好的线性关系。