土壤优先流运动的活动流场模型模拟和敏感性分析

在壤土和砂土条件下分别采用碘-淀粉染色示踪方法和亮蓝染色示踪方法各开展了2个染色示踪试验,分别采用活动流场模型和二域模型模拟计算了各试验入渗后染色区内的土壤含水率和溶质浓度分布,通过相对均方根误差分析评价了两个模型模拟预测优先流发展的有效性;此外,通过敏感性分析研究了不同入渗条件（土壤质地、入渗水量和土壤初始含水率）下活动流场模型模拟预测结果（入渗深度）对活动流场模型分形特征参数变化的敏感度。模型检验分析结果显示活动流场模型对土壤水入渗深度、入渗后染色区内土壤含水率和溶质浓度分布的预测精度要明显高于二域模型的模拟预测精度;活动流场模型较好的捕捉到了优先流运动整体的非均匀特征。敏感性分析结果显示,当降雨入渗水量和土壤初始含水率相同时,入渗深度对活动流场模型分形特征参数（γ）的敏感度随着γ的增大而增大;相同活动流场模型分形特征参数（γ）值条件下（即流动非均匀程度相同）,入渗深度对活动流场模型分形特征参数（γ）的敏感度随着入渗水量的增大和土壤初始含水率的升高而减小。     

土壤优先流模型理论与观测技术的研究进展

优先流是土壤中常见的和重要的水流运动和溶质运移形式。由于土壤优先流的形成和影响因素众多、表现形式多样,加之土壤优先流的快速非平衡特征明显以及土壤高度的空间变异性,准确描述和模拟土壤优先流的时空变化特征一直以来都是土壤水文学界的热点问题和难点问题。该文从优先流的定义、表现类型、形成和影响因素、模型理论与观测技术等5个方面综述了土壤优先流的研究进展,指出该领域今后的主要研究方向为建立土壤优先流的统一判别标准、提升优先流模型理论的有效性、发展优先流的专用观测技术设备。文章对深入研究土壤优先流具有参考价值。     

石砾参数对土壤水流和溶质运移影响研究进展

土壤水流和溶质运移一直是土壤学研究的热点,溶质运移理论主要应用于地下水污染、污染物运移、土壤重金属污染研究等方面。溶质主要通过优先流和基质流进行运移,影响溶质运移因素很多,主要包括土壤结构、质地、水力传导率、体积质量、初始含水量、根系、石砾等。石砾作为土壤质地中的一个分级单位,与溶质运移关系较为复杂。本文综合介绍了石砾基本内涵以及石砾对土壤水流和溶质运移影响研究进展;系统阐述了石砾内部参数(石砾覆盖度、含量、粒径、空间异质性等)和外部参数(根石结构、干湿冻融、耕作等),指出目前研究主要量化土壤表面及土壤表层石砾参数对水文效应、土壤侵蚀、入渗以及径流的影响,然而石砾参数对溶质运移影响研究不够系统,石砾参数与溶质运移关系研究尚处于初步阶段,对土壤深层石砾研究缺乏;归纳了石砾参数研究技术手段及模型;探讨了目前石砾参数对土壤水流和溶质运移影响研究存在的问题以及今后研究趋势。     

非均匀流动示踪试验及活动性流场模型的应用

采用显色和离子示踪方法,研究水流运动和溶质迁移非均匀特性,并分析活动性流场模型(ARM)描述水流运动和溶质迁移的有效性。运用碘-淀粉显色方法观测水流非均匀流动模式,用溴、氯和硝酸根三种离子示踪水流的非均匀运动特性。ARM耦合非均匀流动所具有的分形特性,该模型本构关系参数反映活动性流场面积比例和土壤水有效饱和度之间的分形关系。与连续性模型相比,ARM模拟土壤水流和溶质迁移结果与测定值更符合。在水平剖面三种离子浓度均表现出正态或对数正态分布规律,且总体上分布离散程度表现出随深度增加而减小的趋势,ARM有效地描述了非均匀流动下水流运动和溶质迁移所表现出的宏观特性。     

土壤优先流运动的活动流场模型分形特征参数计算

活动流场模型分形特征参数控制着优先流的产生和发展,因此准确获得活动流场模型分形特征参数值对提高模型的模拟预测精度具有重要意义。该研究采用染色示踪方法,将优先流流场从流动背景中显示出来,通过数字图像分析和采样分析获得优先流流场和流场内土壤含水率的分布模式,根据活动流场模型本构方程拟合活动流场模型分形特征参数值;针对3种常见的入渗后染色区内土壤含水率分布模式,分别提供了相应的活动流场模型分形特征参数的计算方法。研究结果显示,1）由于入渗后土壤水重分布的影响,活动流场区域和染色区域在整个入渗深度范围并不完全重合,因此仅可选择活动流场与染色区域相重合深度范围内受土壤初始含水率影响较小的数据来拟合活动流场模型分形特征参数值;2）土壤质地对入渗后染色区内土壤含水率的分布模式有显著影响,细质地土壤中入渗后染色区土壤含水率沿入渗方向逐渐减小,粗质地土壤中入渗后染色区土壤含水率沿入渗方向先增大后减小。     

耦合基质区与裂隙网络的土壤优先流模型及验证

该文旨在通过分析土壤裂隙存在下的土壤优先流运动模式与特点,建立耦合基质区与裂隙网络的土壤优先流模型(crack preferential flow model,CP模型)。用控制体积有限元法求解两区土壤水分运动的基本方程,采用整体法将土壤基质水流运动方程和三维土壤裂隙网络区水流运动方程耦合。模拟与试验结果表明,增加降雨或灌溉强度能促进激活裂隙通道作为优先流通道,有利于优先流形成。CP模型及耦合方法较好地描述出了优先流运动的特点,模拟与实测的土壤饱和度均方根误差为0.016~0.025,决定系数均在0.78以上(P0.05),偏差为0.020~0.026,一致性指标为0.918~0.938。与等效连续体模型(Richards模型)相比较,CP模型模拟裂隙存在情况下土壤水流非均匀性规律更有效。研究丰富了土壤优先流理论,对提高农田水分利用率具有重要的意义。     

运用染色示踪方法研究土壤质地对土壤水非均匀流动特征的影响

为研究土壤质地对土壤水流运动非均匀特征的影响,在砂土、壤土和粉质粘土中采用亮蓝(砂土)和碘离子(壤土和粉质粘土)作为示踪剂分别开展了2个、5个和4个不同入渗条件(土壤初始含水率和入渗水量)的染色示踪试验,通过计算活动流场模型(Active Region Model,ARM)分形特征参数(γ)来定量描述和比较不同入渗条件下土壤水流运动的非均匀特征。研究结果表明,(1)活动流场模型较好的捕捉到了土壤水流运动整体的非均匀信息;(2)当其它入渗条件(土壤初始含水率和入渗水量)相同时,土壤水在细质地土壤中运动的非均匀程度要高于其在粗质地土壤中运动的非均匀程度。     

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。     

撒施肥料一维畦灌地表水流与溶质运移模型构建与验证

模拟撒施肥料下的一维畦灌地表水流与溶质运移过程可为采用先进的畦灌液体施肥方式提供对比依据。该文基于湍流理论垂向流速线性与对数分布规律及不可压缩流体力学连续方程,构造沿畦长及任意垂向断面的非均布流速场和溶质浓度场,建立起撒施肥料下的一维畦灌地表水流与溶质运移模型,并利用典型畦灌施肥试验结果,检验该模型的模拟效果。结果表明,建立的模型不仅具有在撒施肥料状况下较好模拟地表水流运动和溶质浓度时间变化过程的能力,还具备较佳的水量和溶质质量守恒性,从而为评价撒施肥料下的畦灌施肥系统性能及与其它施肥方式下的畦灌施肥系统性能对比,提供了实用的数值模拟工具。     

柑橘地土壤溶质优先运移研究

通过室内原状土柱与重塑土柱对比实验,应用溶质穿透曲线研究柑橘地土壤优先流及溶质优先运移的特征。结果表明:柑橘地原状土柱土壤穿透曲线表现出了上升阶段的拐点现象,是优先流与基质流共同作用的结果。原状土柱土体穿透曲线下降初期较陡,并表现出了较长的拖尾特征,重塑土柱下降趋势相对稳定。存在优先路径的土体出流速率稳定性较差,变异系数较大,其平均出流速率是重塑土柱出流速率的3.5倍。优先流作用使溶质相对浓度到达峰值的时间缩短了37.7%,此时造成的溶质运移量却是平衡基质流所造成的溶质运移量的2.5倍,因此优先流能够导致土壤溶质的快速大量迁移。     

Bromide and herbicide transport under steady-state and transient flow conditions

The dynamics of water flow in soils influences the transport behaviour of solutes. Transport of bromide and herbicides through undisturbed soil columns was investigated under conditions of unsaturated steady-state and transient water flow. Effective transport parameters were obtained from fitting the convection–dispersion equation to curves of concentration against cumulative drainage, and these enabled us to interpret the observed behaviour. Under both steady-state and transient flow bromide and herbicides were transported through similar parts of the pore volume of a homogeneous single grain soil (Bv horizon). However, in aggregated Ah and Ap horizons preferential transport occurred during transient flow but not during steady-state flow. For preferential flow the mean transport volume seemed to depend on the prevailing pore system and the fraction of preferentially flowing water. Solute leaching was more efficient under steady-state than under transient flow for bromide in all soils and for herbicides in the Bv horizon. However, when transient flow caused preferential transport, herbicide loss was greater under transient flow than during steady-state flow. Under preferential flow conditions a three-step herbicide concentration development recurred in successive drainage events. This behaviour was not observed for the non-reactive tracer. It seemed to be caused by sorption. A steady-state model with cumulative drainage as independent variable instead of time can predict the transport of non-reactive and adsorbed solutes in homogeneous soils without features of preferential flow. Otherwise constant effective input parameters cannot be assessed a priori.     

有机肥施用量对残塬沟壑区苹果园土壤优先流特征的影响

为了研究有机肥施用量对残塬沟壑区苹果园土壤优先流特征的影响,以残塬沟壑区苹果园为研究对象,采用室外染色示踪法结合形态学和统计学方法,对永寿县苹果园土壤垂直染色剖面进行定量分析,使用均方差决策法综合各优先流特征指标对0 kg/hm²(CK)、6000 kg/hm²(T1)、9000 kg/hm²(T2)、1 2000 kg/hm²(T3)四种不同有机肥施用量苹果园土壤优先流特征进行研究。结果表明：(1)不同有机肥施用量样地土壤染色面积比随土壤深度的变化状况均与Logistic曲线拟合程度较好,决定系数R²均大于0.986。(2)选用的优先流特征指标中基质流入渗深度、优先流分数、变异系数和分形维数与均方差决策法计算出的优先流发育程度结果一致,优先流发展程度表现为T3>T2>T1>CK。但有平均最大入渗深度、优先流区染色面积比和长度指数在评价优先流程度中结果有些偏差,表现为T3>T2>CK>T1。(3)利用均方差决策法得到的优先流指数由大到小为：T3(0.75)、T2(0.59)、T1(0.27)、CK(0.25)。随着施肥量的增加,优先流程度也随之增加。研究可以为土壤优先流特征综合评价提供参考,并为残塬沟壑区果园制定合理的施肥措施提供依据。     

基于非均匀性和分形维数的黄土优先流特征定量分析

该文以陕西泾阳南塬边坡黄土为例开展示踪剂试验,通过改进的优先流入渗深度和入渗量非均匀性系数,研究黄土优先流的入渗量、入渗深度、含水率、孔隙率、分形等参数的相互关系及其内在规律。结果表明:1)入渗量越大,优先流入渗深度的非均匀性越明显;2)初始含水率越高,优先流发育程度越低,而湿润锋迹线的分形维数越小;3)黄土孔隙率越大,优先流入渗深度的非均匀性越明显,且入渗深度值波动范围也相对较大;4)同一类型的黄土,其试验尺度大小对湿润锋迹线的分形维数没有明显影响;5)在0.5倍黄土优先流最大入渗深度范围内,分形特征值越大,优先流非均匀程度越强,优先流越发育;6)在没有明显优先流渗流通道情况下,90 mm地表灌溉水量,其最大入渗深度不超过120 cm。考虑正常蒸发和没有裂缝的前提下,地表灌溉水并不容易直接导致地下水位上升。由此推断,优先流在地表水向地下水转换过程中发挥着重要作用。同时,优先流对黄土滑坡的影响不容忽视。研究可为深入揭示黄土优先流渗流特征与黄土优先流滑坡的内在联系提供依据。     

土壤溶质运移特性研究进展

可溶性化学物质(土壤溶质)在土壤中的运移和分布已成为近年来研究的热点。本文综述了近年来土壤溶质运移机理、吸附模型、溶质运移数学模型等方面的研究进展。     

黄土丘陵区典型植被群落坡面土壤优先流特征及其影响因素

以黄土丘陵区3种典型植被群落(白羊草、铁杆蒿和杠柳)为研究对象,并以退耕1年的撂荒地作为对照(CK),采用原位染色示踪和实验室分析相结合,对比分析不同植被群落斑块格局下的土壤优先流特征,探究植物根系、土壤理化性质对优先流的影响。结果表明:相较CK,植被恢复提高了优先流发育程度;对于各植被斑块,铁杆蒿植被斑块具有最高的染色面积比(45.62%)、最大染色深度(30.30 cm)、优先流比(39.76%)和长度指数(475.90%),杠柳次之,白羊草最小;而对于同一植被群落,除白羊草群落外,其他群落优先流发育程度表现为植被斑块大于裸地斑块;通过结构方程模型发现,优先流染色面积比主要受到土壤总孔隙度、团聚体稳定性、根系生物量密度和有机质含量的直接影响,解释方差可达70%。因此,植被的自然恢复通过其根系发育影响土壤性质,进而改善土壤优先流发育程度,提高土壤入渗能力。     

高矿化度土壤水分特征曲线及拟合模型适宜性

为分析高矿化度对土壤水分特征曲线的影响,以淡水及矿化度分别为30、100和250g/L的水样对土体进行饱水处理(简称TDS-F、TDS-30、TDS-100和TDS-250处理),测定脱湿过程的土壤水分特征曲线。结果显示,试验吸力变化过程中,各处理比水容量相近,局部存在差异:TDS-100及TDS-250处理土体对水分的吸持能力明显小于TDS-30及TDS-F处理。分析表明:TDS-30处理使土体中等孔隙体积变小、TDS-100处理使土体较小孔隙体积变小、TDS-250处理使土体较大孔隙体积变小,进而影响土壤水分特征曲线形态。利用RETC软件结合统计分析确定,TDS-F、TDS-30、TDS-100及TDS-250处理土壤水分特征曲线的最优拟合模型分别为:vanGenuchten-Mualem、Dual-porosity-Mualem、Lognormaldistribution-Mualem及Dual-porosity-Mualem模型;各处理最优模型的非饱和导水率模式均为Mualem模型;从机理上解释各拟合模型优劣还较为困难。研究结果为干旱区高矿化度土壤水、盐运移计算提供一定参考。     

基于土壤质地数据估算土壤保水性能Van Genuchten参数

The van Genuchten (vG) function is often used to describe the soil water retention curve (SWRC) of unsaturated soils and fractured rock. The objective of this study was to develop a method to determine the vG model parameter m from the fractal dimension. We compared two approaches previously proposed by van Genuchten and Lenhard et al. for estimating m from the pore size distribution index of the Brooks and Corey (BC) model. In both approaches we used a relationship between the pore size distribution index of the BC model and the fractal dimension of the SWRC. A dataset containing 75 samples from the UNSODA unsaturated soil hydraulic database was used to evaluate the two approaches. The statistical parameters showed that the approach by Lenhard et al. provided better estimates of the parameter m. Another dataset containing 72 samples from the literature was used to validate Lenhard’s approach in which the SWRC fractal dimension was estimated from the clay content. The estimated SWRC of the second dataset was compared with those obtained with the Rosetta model using sand, silt, and clay contents. Root mean square error values of the proposed fractal approach and Rosetta were 0.081 and 0.136, respectively, indicating that the proposed fractal approach performed better than the Rosetta model.