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典型地块粉砂壤土水分扩散率测定

更新时间:2009-03-28

0 引 言

土壤水分扩散率D(θ)是研究土壤水盐运移理论最为重要的参数之一,它是非饱和介质中导水速率的重要体现[1-4]D(θ)表征了土壤本身的性质和特征,是应用数学物理方法定量分析研究必不可少的资料,也是进行土壤水分运动数学模拟必不可少的依据。水平土柱法是研究土壤水分扩散率D(θ)的重要方法[5]。Warrick[6]用土壤水分分布数据估计土壤水力函数参数,然后利用水力函数与水分扩散率的关系计算出土壤水分扩散率。魏飒等[7]通过研究不同土层水分扩散率,得出耕作层水分扩散率最大的结论,并且采用经验方程D(θ)=ae拟合效果最佳。刘彩虹等[8]研究表明40~60 cm土层水分扩散速度最快,剩余土层水分扩散速度依次为0~20、20~40、80~100、60~80 cm。石玉洁等[9]讨论了不同质地、不同孔隙度对土壤水分扩散率的影响。古莱姆拜尔等[10]结果表明不同粒径砂壤土的水分扩散率大小依次是:0.5~1.0 mm>1.0~2.0 mm>0.5 mm。吴凤平等[11]结果显示砂石含量越高,湿润锋推移速度越慢并且随着砂石含量的增大水分扩散率值也增大。田丹等[12]研究生物炭含量对粉砂壤土与粉砂土水分扩散率的影响。郑子成等[13]研究表明设施土壤扩散率大于露地土壤是因为黏粒含量较高,水分扩散率越低。为了进一步模拟北疆石河子垦区土壤水盐运移规律,首先确定土壤水分运动参数,如D(θ)等。因此,本文通过试验数据分析揭示不同深度粉砂壤土水分扩散率的变化,从而为更好的模拟区域水盐动态提供可靠地数据。

1 材料与方法

1.1 土壤物理参数

试验于2017年1月在新疆农业大学农业水利工程实验室进行的,试验所用土样采自新疆石河子市121团耕种年限达18年的滴灌棉田土壤。为了分析作物主要根系层范围内土壤水盐运移规律,在滴头下、膜下、膜间取深度分别为0~20,20~40,40~60 cm三个土层土样,并进行3 次重复取样,取样后将各层土样混合均匀并测定其机械组成,结果见表1。由表1中土壤砂粒、粉粒和黏粒试验数据来分析,参照土壤质地三角图[14],最终确定土壤质地为粉砂壤土。

 

表1 试验机械组成与土壤容重

  

取样深度/cm土壤颗粒组成黏粒/%(<0.002mm)粉粒/%(0.002~0.05mm)砂粒/%(0.05~2mm)土壤容重/(g·cm-3)0~20281.416.61.5420~40284.813.21.3440~601.785.113.21.26

1.2 试验原理及试验方法

采用水平土柱进行土壤水分扩散率D(θ)的测定[15],通常情况下一维水分吸渗运动(忽略重力作用)。其方程及定解条件表述为:

 

θ(x,t)=θ0x>0,t=0

θ(x,t)=θsx=0,t>0

(1)

引入Boltzmann变换参数η(θ)则有:

η(θ)=xt-1/2

(2)

应用式(3)可计算D(θ)。为了便于计算,通常采用如下所示的差分形式计算D(θ):

通过引人波尔兹曼变量η(θ)对公式(1)进行变换,转换为常微分方程求解得到D(θ)的计算公式为:

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(3)

式中:θ0为初始土壤含水率,cm3/cm3θs为饱和土壤含水率,cm3/cm3x为水平入渗距离,cm;t为水分扩散的总时间,min;D(θ)为非饱和土壤水分扩散率,cm2/min。

新时期,共产党员的理想信念就是指共产主义理想和中国特色社会主义信念。《中国共产党章程》中指出:“党的最高理想和最终目标是实现共产主义。”[1]212马克思、恩格斯在批判地继承19世纪空想社会主义思想成果的基础上,以辩证唯物主义和历史唯物主义观为思想武器,科学地分析人类社会尤其是资本主义社会发展规律,得出了一种社会理想,这一社会理想就是共产主义。

 

(4)

非饱和土壤水分扩散率采用水平土柱吸渗法,试验装置如图1所示。水平土柱全长约48 cm,由12个有机玻璃制成的圆筒组成,每节长为4 cm、内径为4.6 cm。水室段长10 cm,供水段连接马氏瓶供水,控制水室内液面与试样段土壤样品的高度相同,以消除重力势和压力势对土壤水分扩散的影响,以及保证水头恒定。

采集的土样经过风干、磨碎及过2 mm孔径筛,然后按照田间实测容重将供试土样填装到水平扩展槽试样段内(3个重复),将螺杆旋紧后水平放置;瞬时给进水室充水并使供水装置定位,记录起始时间,同时记下供水箱初始水位;待湿润峰到达土柱末端,此时关闭供水阀并记录试验结束时间,松开坚固螺杆,按节取出土壤用称重法测定土壤含水率,记下试验中水平距离开始扩散到扩散完的累计时间及总入渗水量。

  

图1 土壤水分扩散率实验装置示意图

2 结果与分析

2.1 土壤含水率与Boltzmann参数间关系

[9] 石玉洁,杨新民,史竹叶.黄土高原几种质地土壤的水分扩散率[J].中国科学院西北水土保持研究所集刊(土壤分水与土壤肥力研究专集),1985,(2):29-37.

 

表2 水平入渗距离土壤含水率Boltzmann参数对照表

  

入渗水平距离/cm0~20cm入渗时间5085min土壤含水率/(cm3·cm-3)Boltsmann参数/(cm·min-1/2)20~40cm入渗时间3565min土壤含水率/(cm3·cm-3)Boltsmann参数/(cm·min-1/2)40~60cm入渗时间1475min土壤含水率/(cm3·cm-3)Boltsmann参数/(cm·min-1/2)048121620242832364044480.4010.3920.3920.3910.3900.3820.3670.3530.3490.3270.3000.2450.0350.0140.0700.1260.1820.2380.2940.3510.4070.4630.5190.5750.6310.7370.4560.4510.4470.4450.4420.4400.4380.4290.4230.4020.3640.2950.0460.0170.0840.1510.2180.2850.3520.4190.4860.5530.6200.6870.7540.8210.4460.4430.4420.4410.4380.4310.4290.4110.4070.3870.3740.3390.0730.0260.1300.2340.3380.4430.5470.6510.7550.8590.9631.0681.1721.276

 

表3 Boltzmann参数拟合情况表

  

土壤深度/cm拟合方程相关系数0~2020~4040~60θ=-1.1276η2+0.4665η+0.3617θ=-1.0509η2+0.572η+0.4014θ=-0.3629η2+0.2998η+0.4030.91390.79860.7444

2.2 土壤水分扩散率的测定

不同深度土壤水平扩散率变化情况见表4。由表4可以看出,0~20 cm土层变化范围在0.006~0.371 cm2/min,20~40 cm土层变化范围在0.003~0.255 cm2/min,40~60 cm土层变化范围在0.010~0.727 cm2/min。从整体上看,在含水率相同条件下,土壤水分扩散率分布存在明显变化:0~20 cm与20~40 cm土壤水分扩散率几乎没有差别,但根系层(40~60 cm)土壤水分扩散率变化范围远远大于其他两层(0~20,20~40 cm)。这是由于容重不同所导致的,容重越小,水分含量越高,水分扩散速率越快。从不同深度来看,40~60 cm土壤水分扩散率在土壤含水率增加的情况下,水分扩散率有大幅度的增长。而0~20和20~40 cm土层随着含水率的增加,水分扩散率增长幅度较为稳定,均维持在一个均衡水平。

 

表4 不同深度土壤水分扩散率变化情况

  

0~20cm土壤含水率/(cm3·cm-3)土壤水分扩散率/(cm2·min-1)20~40cm土壤含水率/(cm3·cm-3)土壤水分扩散率/(cm2·min-1)40~60cm土壤含水率/(cm3·cm-3)土壤水分扩散率/(cm2·min-1)0.040.060.080.100.120.140.160.180.200.220.240.260.280.300.320.340.360.380.400.0060.0120.0190.0260.0330.0400.0490.0570.0670.0770.0890.1020.1170.1360.1600.1930.2470.3710.050.060.080.100.120.140.160.180.200.220.240.260.280.300.3200.360.380.400.420.0030.0100.0170.0250.0330.0410.0490.0580.0670.0770.0880.1000.1130.1270.1440.1630.1860.2160.2550.070.080.100.120.140.160.180.200.220.240.260.280.300.320.340.360.380.400.420.0100.0290.0500.0710.0930.1160.1400.1660.1940.2240.2570.2930.3340.3810.4370.5250.5770.727

2.3 土壤水分扩散率随土壤含水率变化曲线拟合分析

通过对实测的土壤水分扩散率数据分析,利用RETC软件提供的Brooks and Corey Mualem(简称BCM)模型与VanGenuchten- Mualem(简称VGM)模型进行拟合,最终确定的土壤水分运动参数见表5。VGM模型与BCM模型的模拟值与实测值对比图如图2和图3所示。

[8] 刘彩虹,张 琳,卞建民.大安灌区盐碱土土壤水分扩散特征研究[J].节水灌溉,2012(10):34-37,40.

 

表5 土壤水分运动参数

  

深度/cm土壤质地θr/(cm3·cm-3)θs/(cm3·cm-3)a/cm-1nKs/(cm·d-1)0~20粉砂壤土0.03960.38630.00861.59380.026575420~40粉砂壤土0.04750.42120.00611.67580.053326440~60粉砂壤土0.04950.44000.00561.66930.0712639

注:θr为土壤残余含水率;θs为土壤饱和含水率;a为土壤进气值的倒数;n为形状系数;Ks为饱和水力传导度。

  

图2 土壤水分扩散率 与含水率 用VGM模型模拟拟合结果

  

图3 土壤水分扩散率 与含水率 用BCM模型模拟拟合结果

[1] 雷志栋,杨诗秀,谢传森.土壤水动力学[M].北京:清华大学出版社,1988.

3 结 语

(1)从整体变化情况来看,随着土壤含水率的减少,Boltzmann参数逐渐增加。40~60 cm土层Boltzmann参数变化浮动最为明显,其余两层变化波动较小。在相同水平入渗距离情况下,各土层入渗时间不同。容重越小,入渗时间越短。其累计入渗时间长短关系为:40~60 cm>20~40 cm>0~20 cm。

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[2] 邵明安,王全九,黄明斌.土壤物理学[M].北京:高等教育出版社,2006.

(3)将室内试验数据分别与VGM和BCM模型进行模拟并分析比较,得出BCM模型模拟结果较为符合实际。

参考文献

由图2和图3来分析,土壤水分扩散率D(θ),BCM模型拟合结果优于VGM模型拟合结果。除了VGM模型40~60 cm土层均方根误差值为0.155较大外,0~20,20~40 cm土层均方根误差均小于0.02。而BCM模型0~20、20~40、40~60 cm土层均方根误差均小于0.02,表明实测值与拟合值非常接近,拟合效果较高,因此BCM模型的拟合结果作为本研究的粉砂壤土土壤水分扩散率 较为合理。

(2)土壤容重对土柱含水率分布有一定影响,容重越大水平土柱的含水率分布就越小。土样剖面在含水率相同时土壤水分扩散率均不相同,其扩散率大小关系为:40~60 cm>0~20cm>20~40 cm。这是由于膜下滴灌棉花土壤盐分主要集中在20~40 cm深度范围内,除了土壤容重、土壤颗粒组成有影响外,土壤盐分对于土壤水分扩散率有抑制作用,因此20~40 cm土壤水分扩散率相对上下层较小,从而也进一步说明长期连作膜下滴灌后棉花耕作层出现土壤盐分累积过程的问题。

[3] Yuyang Shan,Quanjiu Wang.Simulation of salinity distribution in the overlap zone with double-point-source drip irrigation using hydrus-3d[J].Aust JCrop Sci,2012,6(2):238-247.

评价是小学数学教学的重要一环,新课程标准更是强调了要改革传统观念中以考试的形式只评价学生学习结果的弊端,提倡要注重数学学习过程中的合理评价。也只有教学过程中的每一个环节都健康,教学才能有效,学生的数学能力才能发展。那么,如何才能有效地进行评价?笔者觉得应该注意以下两个方面:

[4] WANG Quanjiu, ZHANG Jianghui,FAN jun.An analyticalmethod for relationship between hydraulic diffusivity andsoil sorptivity[J].Pedosphere,2006,16(4):444-450.

[5] 邓友生,何 平,周成林,等.非饱和含盐土壤水扩散系数试验研究[J].冰川冻土,2006(6):818-822.

[6] WARRICK A W.Soil water diffusivity estimates from onedimensional absorption experiments[J].Soil Sci.Soc Am J,1994,58(1):72-77.

[7] 魏 飒,任树梅.承德围场地区土壤水分扩散率的研究[J].中国农村水利水电,2007(1):55-56,61.

3)由于电网企业数据中心是建设在电网办公大楼当中,数据中心中的某些子系统往往与数据中心以外的办公区域共用一些基础设施。典型的如数据中心精密空调的室外冷冻水系统往往是与其他办公用房共用的。

水平入渗距离、土壤含水率、Boltzmann参数对照见表2。由表2分析可知,Boltzmann参数随着土壤含水率的减少而增大。其中40~60 cm土层随着含水率的减少,Boltzmann参数变幅为最明显。各深度土层入渗时间也各不相同,其中40~60 cm深度土层入渗时间最短,仅为1 475 min,0~20 cm土层入渗时间最长,为5 085 min。这是由于土壤容重不同导致的,土壤容重越小,则土壤颗粒间孔隙较大,水分通过能力较强,入渗时间短。根据修正后的数据,计算并拟合土壤含水率与Boltzmann参数曲线,相关分析结果显示二者均符合多项式函数关系,拟合效果较好见表3。

从上述对比中可以看出,信息化进程的高速发展不仅对审计人员获取、分析及应用数据的综合能力提出了较高的要求,而且还针对审计工作模式、数据安全保护和管理决策等方面都面临着变革。

[10] 古莱姆拜尔·艾尔肯,虎胆·吐马尔白,吴永涛.不同粒径沙壤土水分扩散率测定[J].新疆农业大学学报,2015,38(5):426-430.

家访过后的一星期内,笔者仍然与姜晨的家长联系交流。在双方的齐抓共管下,姜晨有了明显的进步,速度快了,作业也及时完成了,还能腾出时间来看课外书。笔者及时给予表扬和鼓励,并让其谈谈其超越了多少时间,心情是怎样的,从他的回答中笔者感受到他已经尝到速度快的甜头了。家长看到孩子的变化非常高兴,也从中尝到了家校联系的甜头,现在都主动联系教师了。

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[11] 吴凤平,王 辉,卢 霞,等.砂石含量及粒径对红壤水分扩散率的影响[J].水土保持学报,2009,23(2):228-231.

[12] 田 丹,屈忠义,勾芒芒,等.生物炭对不同质地土壤水分扩散率的影响及机理分析[J].土壤通报,2013,44(6):1 374-1 378.

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[13] 郑子成,李廷轩,李 卫.设施土壤水分扩散率变化特征[J].排灌机械工程学报,2013,31(1):87-92.

[14] 秦耀东.土壤物理学[M].北京:高等教育出版社,2003.

[15] 杨诗秀,雷志栋.水平土柱入渗法测定土壤导水率[J].水利学报,1991,22(5):1-7.

 
穆丽德尔托伙加,虎胆吐马尔白,李卓然
《节水灌溉》 2018年第04期
《节水灌溉》2018年第04期文献

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