董榮澤，于明英，邱照寧，肖 娟

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024；2.沙幫科技有限公司，北京100080 )

0 引 言

土壤鹽漬化的重要機(jī)制是由于地下水中可溶鹽在蒸發(fā)作用下不斷向表土聚集,次生鹽漬土的形成則是由于人為抬高地下水位,土壤毛管水重新分配土中鹽分所致[1]。土壤中存在許多毛細(xì)管，地下水受到毛管力的作用會(huì)沿毛細(xì)管向上運(yùn)動(dòng)。若地下水埋深較淺，土壤中的鹽分溶于水后隨著上升毛管水運(yùn)移到土壤表層，水分蒸發(fā)后溶解于其中的鹽分便留在了土壤表層造成土壤鹽漬化。不合理的耕作灌溉會(huì)人為抬高地下水位，造成土壤次生鹽漬化。要解決這一問題必須研究土壤水鹽運(yùn)移特性，同時(shí)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)灌溉制度及降低地下水位也有著非常重要的意義。肖娟等研究了負(fù)水頭條件下灌溉水水質(zhì)(鈉吸附比SAR和鹽分濃度C)對(duì)濕潤體運(yùn)移和水鹽分布的影響，發(fā)現(xiàn)較大的灌溉水鹽分濃度和較小的鈉吸附比對(duì)濕潤體運(yùn)移有利[2]；武敏等發(fā)現(xiàn)土壤水的鈉吸附比SAR和電導(dǎo)率EC對(duì)滲透系數(shù)影響顯著,土壤水入滲速率隨著鈉吸附比SAR增加和電導(dǎo)率EC的減小而減小[3]；尹娟等通過室內(nèi)土柱實(shí)驗(yàn)研究了均質(zhì)土上升毛管水的運(yùn)移特性[4]；王偉等研究了不同水質(zhì)(不同鈉吸附比SAR和電導(dǎo)率EC)對(duì)土壤中水分?jǐn)U散率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著電導(dǎo)率EC的增大鈉吸附比SAR對(duì)土壤水分?jǐn)U散率的影響不斷減小，隨著鈉吸附比SAR的增大電導(dǎo)率EC對(duì)土壤水分?jǐn)U散率的影響不斷減小[5]。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤水鹽運(yùn)移特性研究重點(diǎn)關(guān)注灌溉水對(duì)土壤水鹽運(yùn)移分布的影響，關(guān)于地下水對(duì)土壤的補(bǔ)給以及水分運(yùn)移特性的研究較少，對(duì)沙土的研究也并不多見。我國有大片面積的沙土地，且近幾年來出現(xiàn)了以沙子作為基質(zhì)的新興種植模式，因此有必要進(jìn)一步研究地下水對(duì)沙土中的水分補(bǔ)給以及水鹽分布和運(yùn)動(dòng)特性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用沙土取自北京市昌平區(qū)的日光溫室大棚，該大棚基地主要從事與沙培有關(guān)的作物種植，地理位置為N40°12′12.52″， E116°03′10.71″。試驗(yàn)前對(duì)沙土進(jìn)行風(fēng)干處理，測得其含水率為0.61%。用規(guī)格為8目、12目、24目和70目的標(biāo)準(zhǔn)篩將風(fēng)干后的沙土篩分為4組不同粒徑的沙土(為方便表述以下用標(biāo)準(zhǔn)篩目數(shù)來表示不同粒徑的沙土，如經(jīng)70目標(biāo)準(zhǔn)篩篩出的沙土粒徑表示為d=70)，各組沙土粒徑見表1。

表1 沙土粒徑Tab.1 Grain size of sand

1.2 試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)裝置由沙柱和地下水位平衡系統(tǒng)組成，采用長1.2 m，內(nèi)徑為3.2 cm的有機(jī)玻璃管裝填沙柱，試驗(yàn)布置見圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置布置圖Fig.1 Layout of experiment

槽盆A中水位為模擬地下水位，槽盆B底部用PVC管道連接一個(gè)浮子式水位控制器來給槽盆A供水，以確保地下水位恒定不變。試驗(yàn)采用長1.2 m，內(nèi)徑為3.2 cm的有機(jī)玻璃管裝填沙土，有機(jī)玻璃管底部用120目濾網(wǎng)封口。試驗(yàn)用地下水為配制的鹽水，根據(jù)鈉吸附比(溶液中的Na+的濃度與Ca2+、Mg2+濃度和的平方根的比值，以下簡稱SAR)和鹽分濃度(以下簡稱C)兩個(gè)指標(biāo)來配制[6]。取SAR=2、20、30和C=10、40、80 mEq/L，共9種不同處理的水質(zhì)。本次試驗(yàn)配制鹽水所用藥品為NaCl和CaCl2。水質(zhì)配比計(jì)算結(jié)果及相應(yīng)的處理情況見表2。同一種水質(zhì)處理時(shí)，4種粒徑土壤同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 水質(zhì)配比計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of water quality proportioning

試驗(yàn)時(shí)先固定4根沙柱，調(diào)整水位控制器的高度，確保各沙柱底部均沒入水中0.5 cm左右。然后將配制好的鹽水加入到槽盆B中，鹽水流經(jīng)水位控制器注入槽盆A。當(dāng)槽盆A中的液面穩(wěn)定后開始計(jì)時(shí)，試驗(yàn)開始。觀測毛管水上升高度時(shí)以槽盆A中的液面為參照面，記錄各觀測時(shí)間點(diǎn)的毛管水上升高度，每組試驗(yàn)觀測72 h。毛管水上升高度觀測結(jié)束后取下各有機(jī)玻璃管并在外管壁用記號(hào)筆標(biāo)記出模擬地下水位的位置記為0點(diǎn)，以 0點(diǎn)為起點(diǎn)沿毛管水上升方向每隔10 cm取沙土，測定所取沙土的含水率θ及電導(dǎo)率，測量電導(dǎo)率所用儀器為雷磁DDB-303A便攜式電導(dǎo)率儀。

2 結(jié)果與分析

沙土之中存在著各種大小不同的孔隙，比較細(xì)小的孔隙可以當(dāng)做毛細(xì)管，也叫毛管。在毛管中的水分其與大氣的接觸面為一個(gè)彎月面，水分受到表面張力的作用沿毛管向上運(yùn)動(dòng)并被吸持在毛管中，這部分水被稱為毛管水。水分這種向上運(yùn)動(dòng)的過程就是毛管水上升運(yùn)動(dòng)[7]。本文主要對(duì)毛管水上升過程中上升高度及速率隨時(shí)間的變化、含水率的分布情況、不同水質(zhì)條件下不同粒徑沙土地下水補(bǔ)給總量及沙土中鹽分分布情況進(jìn)行了分析。

2.1 不同水質(zhì)條件下沙土毛管水上升高度及速率隨時(shí)間的變化規(guī)律

不同水質(zhì)條件下各粒徑沙土毛管水上升高度隨時(shí)間的變化過程見圖2。從圖中可以看出隨著時(shí)間t的延長毛管水上升高度z不斷增長，但是增長的幅度隨著時(shí)間t的延長逐漸減小，毛管水上升高度z的增長速率不斷減小，最后趨于停止。

產(chǎn)生這種變化的原因可從沙土土水勢(shì)著手分析。本次試驗(yàn)為室內(nèi)試驗(yàn)，室內(nèi)溫度變化不大，而且通常認(rèn)為溫度變化對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)變化的影響是很小的，故不考慮溫度勢(shì)的影響。而溶質(zhì)勢(shì)對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響也不顯著，可以忽略其影響。本次試驗(yàn)中毛管水為非飽和土壤水，考慮到沙土通氣孔隙的連通性，沙土各處水分承受的壓力均為大氣壓，不存在壓力差，因此壓力勢(shì)Ψp=0,故只考慮重力勢(shì)Ψg和基質(zhì)勢(shì)Ψm的影響[7]。試驗(yàn)開始時(shí)沙土的初始含水率很小，沙土的基質(zhì)勢(shì)很小，土壤水吸力很大，因此在試驗(yàn)開始時(shí)毛管水上升高度z的增長速率很快。隨著時(shí)間t的延長沙土含水率不斷變大，基質(zhì)勢(shì)增加，土壤水吸力減小，且隨著含水率的增加，毛管水所受的重力也越來越大，因此z的增長速率不斷變小。

沙土毛管水的上升過程與入滲過程相似，只是與入滲過程方向相反，因此沙土毛管水的上升過程應(yīng)符合一定的非線性函數(shù)關(guān)系[8]。通過對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，采用對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)不同水質(zhì)條件下毛管水上升高度z和時(shí)間t的關(guān)系進(jìn)行擬合，即z=alnt+b，擬合參數(shù)見表3。

圖2 毛管水上升高度隨時(shí)間的變化Fig.2 Variation of rising height of capillary water with time

粒徑/目SAR=2C=10C=40C=80SAR=20C=10C=40C=80SAR=30C=10C=40C=80a9．469．618．438．508．409．047．909．088．4070b31．1230．5732．2329．9330．1330．5430．4730．9630．51R20．9860．9870．9890．9910．9920．9920．9930．9930．992a7．728．486．186．876．145．956．456．395．9624b29．6328．3230．8529．3227．5328．7128．2229．2527．50R20．9920．9860．9790．9940．9950．9890．9950．9890．994a6．758．286．416．296．676．596．846．555．7812b28．2928．5928．9127．9728．5829．9329．4929．1227．21R20．9830．9850．9970．9890．9950．9920．9950．9970．993a6．807．656．645．676．596．795．086．385．528b28．1529．4428．2027．4027．7329．1827．6629．4928．52R20．9940．9940．9870．9770．9920．9920．9660．9950．977

由表3中數(shù)據(jù)可以看出用對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)沙土毛管水上升高度和時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合其相關(guān)性很高，系數(shù)a，b均大于0，則此對(duì)數(shù)函數(shù)為增函數(shù)，說明毛管水上升高度z隨著時(shí)間t的增大而增大。

將毛管水上升高度z對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)即可得出毛管水上升速率的關(guān)系式即v=dz/dt=at-1。由關(guān)系式可以看出毛管水上升速率v與時(shí)間t成反比，隨著時(shí)間t的延長毛管水上升速率v不斷減小，當(dāng)t趨于無窮大時(shí)v趨于0，即當(dāng)時(shí)間足夠長時(shí)毛管水上升速率趨于停止， 這與前面從圖2得出的結(jié)論一致。

2.2 沙土含水率的分布情況分析

不同水質(zhì)條件下各粒徑沙土含水率θ分布情況見圖3，h為取土點(diǎn)至模擬地下水位的距離。

圖3 沙土含水率分布情況Fig.3 Distribution of moisture content in sand

從圖3可以看出沙土含水率θ隨h(取土點(diǎn)至模擬地下水位的距離)的增大而減小。這是由于以下兩方面因素所致：①由于沙土孔隙的連通性靠上的毛管水會(huì)蒸發(fā)到空氣中，因而h越大含水率越?。虎陔S著土壤含水率的增加，土壤水吸力不斷減小，且h越大毛管水受到自身重力的影響就越大，毛管水受到向上的合力越來越小，故h越大含水率越小。

當(dāng)h相同時(shí)，粒徑d=70目的沙土的含水率要大于其他粒徑的沙土，這是因?yàn)榧?xì)粒徑沙土其毛細(xì)管結(jié)構(gòu)較多，因而可以更好得吸水和持水。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)含水率θ和取土點(diǎn)至模擬地下水位的距離h進(jìn)行相關(guān)性分析，用線性函數(shù)進(jìn)行擬合，即θ=ah+b。擬合參數(shù)見表4。

參數(shù)a即為函數(shù)的斜率，從表4可以看出所有的a均小于0，所以該線性函數(shù)是一個(gè)減函數(shù)，即隨著取土點(diǎn)與模擬地下水位距離h的增大含水率θ越來越小。參數(shù)b為線性函數(shù)與縱坐標(biāo)軸的交點(diǎn)，參數(shù)b的代數(shù)值近似等于水面接觸點(diǎn)處所取土樣的含水率。

2.3 不同水質(zhì)條件下各粒徑沙土地下水補(bǔ)給總量

試驗(yàn)過程中各處理不同粒徑沙土地下水補(bǔ)給總量見圖4。從圖中可以看出總體上粒徑越粗沙土吸水量越少，粒徑越細(xì)沙土吸水量越多。這是因?yàn)槊芩仙\(yùn)動(dòng)發(fā)生在沙土顆粒間的毛管孔隙中，細(xì)粒徑的沙土其顆粒間毛管孔隙較粗粒徑的沙土要多，因此相同時(shí)間內(nèi)粗粒徑沙土比細(xì)粒徑沙土吸水量少。從圖中還可以看出鹽分濃度較小(C=10，40 mEq/L)的處理其吸水量要大于鹽分濃度較大(C=80 mEq/L)的處理。

圖4 各組沙土吸水量情況Fig.4 Water absorption of sand in each group

2.4 沙土中的鹽分分布

各水質(zhì)條件下不同粒徑沙土的電導(dǎo)率EC與取土點(diǎn)至模擬地下水位距離h的關(guān)系見圖5；地下水鹽分濃度(C)與沙土粒徑d一定時(shí)，采用不同地下水鈉吸附比(SAR)沙土的電導(dǎo)率EC與h的關(guān)系見圖6；地下水鈉吸附比(SAR)與沙土粒徑d一定的條件下，采用不同鹽分濃度(C)沙土EC值與h的關(guān)系見圖7。 從圖5及圖6可以看出在水質(zhì)的鹽分濃度C較小(C=10，40 mEq/L)的條件下，當(dāng)取土點(diǎn)至模擬地下水位距離h<40 cm時(shí)每根沙柱各取土點(diǎn)的電導(dǎo)率EC值呈略微下降趨勢(shì)，曲線的變化幅度較??；當(dāng)h超過40 cm之后隨著h的不斷增大各取土點(diǎn)電導(dǎo)率EC值也不斷增大，曲線呈明顯上升趨勢(shì)。當(dāng)水質(zhì)的鹽分濃度C較大(C=80 mEq/L)時(shí)沙柱的電導(dǎo)率EC值隨h的增大而減小。出現(xiàn)以上趨勢(shì)是由于以下幾個(gè)因素綜合影響的結(jié)果：① 毛管水向上運(yùn)動(dòng)時(shí)沙土的基質(zhì)勢(shì)不斷增大，土壤水吸力不斷減小，故隨著h的不斷增大單位質(zhì)量沙土中所含溶質(zhì)質(zhì)量不斷減小；②毛管水運(yùn)移的最上端會(huì)水分會(huì)蒸發(fā)散失到沙土孔隙和大氣中，導(dǎo)致鹽分不斷累積在上層沙土中；③溶質(zhì)的存在會(huì)降低土壤水的勢(shì)能，從圖4可以看出鹽分濃度C=80 mEq/L的處理其地下水補(bǔ)給總量要小于鹽分濃度C=10,40 mEq/L的處理，故在鹽分濃度C=80 m Eq/L時(shí)溶質(zhì)對(duì)土水勢(shì)的降低更為明顯，所以在上層水分蒸發(fā)后并不能及時(shí)補(bǔ)充，因此鹽分濃度C=80 mEq/L時(shí)沙土電導(dǎo)率EC值隨h的增大而減小。而鹽分濃度C=10,40 mEq/L的處理，h<40 cm時(shí)毛管水不會(huì)受到水分蒸發(fā)的影響，只受土壤水吸力的影響，沙土電導(dǎo)率EC值隨h的增大而減??；當(dāng)h>40 cm時(shí)蒸發(fā)作用對(duì)水分運(yùn)移的影響占主導(dǎo)作用，導(dǎo)致上層沙土鹽分累積，所以沙土電導(dǎo)率EC隨h的增大而增大。

圖5 粒徑對(duì)電導(dǎo)率的影響Fig.5 Effect of grain size on conductivity

圖6 SAR對(duì)電導(dǎo)率的影響Fig.6 Effect of SAR on conductivity

圖7 C對(duì)電導(dǎo)率的影響Fig.7 Effect of C on conductivity

3 結(jié) 論

(1)在地下水位恒定的條件下，沙土毛管水上升高度與時(shí)間呈明顯的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，毛管水上升高度隨時(shí)間的延長不斷增加，但增加幅度逐漸減小，上升速率逐漸減小，毛管水上升速率在試驗(yàn)進(jìn)行72 h后基本趨于0。

(2)沙柱含水率隨著取土點(diǎn)與參照面距離的增大逐漸減小，二者呈明顯的線性關(guān)系。4種粒徑的沙子中距參照面相同高度，粒徑最小的沙柱其含水率總是大于其余3種粒徑的沙子的含水率。

(3)各組實(shí)驗(yàn)中4種粒徑沙子的地下水補(bǔ)給總量隨著粒徑的增大逐漸減小。

(4)在地下水鹽分濃度C=10，40 mEq/L的條件下，當(dāng)取土點(diǎn)與模擬地下水位的距離h<40 cm時(shí)，沙土各部分鹽分濃度相差不大，當(dāng)h>40 cm時(shí)沙土的鹽分濃度隨h的增大而增大。當(dāng)?shù)叵滤}分濃度C=80 mEq/L時(shí)，沙土的鹽分濃度隨h的增大而減小。

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