暗管排水条件下土壤水盐运移特征试验研究.pdf
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1、第 4 2卷 第 2 2期 2 0 1 1年 1 1月 人 民 长 江 Ya ng t z e Ri ve r Vo 1 42 NO 22 No v, 2 01 1 文章编号 : 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 1 ) 2 2 0 0 7 0 0 3 暗管排水条件下土壤水盐运移特征试验研究 张 亚 年 , 李 静2 ( 1 水利部长 江勘 测技 术研 究所 , 湖北 武汉 4 3 0 0 1 1 ; 2 中国地质 大学 环境学 院, 湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 ) 摘要 : 合理 有效地 治理 开发 盐碱地 对农业 生产及 生态建设具 有重要 的 实际意义。利用 江苏滨
2、海 滩涂 盐碱 土 壤 , 采用暗管排 水的方法 , 进行 了室内渗流槽试验 , 物 理模 拟土壤排 盐过程 。研 究发 现受暗管排 水影响 , 土壤 盐分极 易排 出, 可有效地 降低 土壤 盐度 ; 表层土壤盐分运 移主要受 降雨量影响 , 盐分下降速 率最快 ; 深层土壤 受上部土壤 盐分 的累积和 降雨共 同影响 , 盐分下降速率存 在滞后 性。数学模 型 H y d r u s 模拟 与物理 实验结果 相似 , 并预 测 了试验后 3个月的土壤 盐分。 关键词 : 渗流槽 ;暗管 ;土壤 盐分;水 盐运移 ; 模 型试验 中图法分类号 : S 1 5 文献标志码 : A 土壤 盐 碱
3、化 和次生 盐碱 化 问题 在 世界 范围 内广泛 存在 ,特别 是干旱 、 半干旱地 区,问题更 为严重 。 中国盐碱地面积大、 分布广且类型多种多样 , 采用合理 的盐碱地改 良技术是促进农业可持续发展的重要途径 之 一 。 暗管改 碱技术 是 国际 上盐 碱 地 改 造 的 领先 技 术 , 其核心思路是通过埋设地下暗管 , 排 除土壤 中过多的 水分 , 降低地下水位 , 并通过灌溉等淋洗手段去除土壤 中过多 的盐 分 , 达 到 土壤改 良的 目的 J 。 本文通过室 内三维渗流槽物理模拟和 H y d r u s 数 值模拟 , 探讨 了在暗管排水条件下土壤水盐 的运移规 律, 为
4、实际盐碱地改造提供了理论依据 。 1 渗流槽 设计与测试 1 1 渗流槽设计 渗 流 槽 模 型 为 立 方 形 , 尺 寸 大 小 为 4 5 0 e m x 5 0 c m X 1 2 5 c m。试验用盐渍土壤采 于江苏南通滨海 区 的滩涂 , 填土采用还原法装样 , 根据野外土层的厚度和 宽度 , 厚样装填。暗管距离底部 2 0 c m, 沿长度方 向放 置。暗管一头封 闭, 一 头用水 阀排水。暗管 内径 1 2 c m, 管壁周围布满直径 0 3 e m的小孔。 渗流槽顶部 的降雨 系统为 4根 均匀分布 的 P V C 管降雨器。为了保证降雨更加均匀 , 降雨装置的两头 均设置有
5、排气装置 , 进水 口设置在 降雨装置 的中间。 降雨强度为 0 0 7 0 8 c m m i n 。 根据野外土层剖面 、 土壤渗透性 和土壤水力参数 等将渗流槽土体 、 土壤盐分监测探头总体分为 4层, 如 图 1所示 。土壤盐分监测时间持续 3 0 d , 每隔 2 h测 试 1次 。 廷 径 图 1 三 维 渗 流槽 垂 向 剖 面 示 意 ( 单位 : c m) 1 2 水样采集与测试 土壤可溶盐分的背景值 , 采用浸提法测试。土壤 烘干碾碎 , 按 1 : 5的 比例 的水浸泡, 震荡、 离心、 过滤 、 收集上清液冷藏保存 。土壤淋滤液在暗管出水 口处收 集 , 约平均 2 d
6、收集 1次。试验时间为 3 0 d 。 收稿 日期 : 2 0 1 1 0 9一l 6 作者简介 : 张亚年 , 男, 助理工程师 , 硕士 , 主要从 事地质勘 测技 术研 究工作 。Em a i l : y a n i a n z h a n g 1 6 3 e o m 第 2 2期 张亚年 , 等 : 暗管排水条件 下土壤水 盐运 移特 征试验研 究 7 1 水样测试指标包括 : p H值 、 电导率 、 七大阴阳离子 ( C I 一 , s o : 一 , H C 0 3- , K , N a , c a , M g ) 。离子测试 精度 为 0 0 1 m mo L L 。 2 H
7、y d r u s 三维模拟数值模型 2 1 数学模 型 ( 1 )土壤水分运移数学方程 。利用 R i c h a r d s三维 数学方程 , 假定渗流槽装置 的土壤是非均质各 向同性 的 , 其 中坐标轴 、 z方向为主渗透方 向, 不考虑非饱 和水的滞后作用 , 则饱和一非饱和土水分运移方程为 0 0 : K ( ) + K( ) + 一s a t 。 a x 。 a x a z 。 a z 。 a z ( 1 ) 式中, 0为土壤体积含水 量 , ; h为土壤负压值 , m; 为垂 向坐标 , m, 零点取在试验槽底, 地面以上为正 , 地 面以下为负 ; t 为时间, S ; K
8、( )为对应含水量的土壤渗 透系数 , m s ; S为作物根系吸水项 , s , 实际过程中忽 略 。 ( 2 )土壤盐分运移数学方程。本次研究 中不考虑 盐分 的吸附解 析等转化 过程。根据 F i c k定律 和质量 守恒原理建立非均质各向同性土壤二维饱和 一非饱和 溶质运移数学模型 , 这里 只考虑溶质运移。数学方程 如 下 : a O c : a ( O D 塞 ) + 以o_ ( O D ; 塞 ) + O _ ( O D a c ) + z ( O D o c ) 一 ( ) 一 ( c g 2 ) 一 S ( 2) 式中, c 为土壤中盐分 含量 , k g m ; D D 、
9、 D 、 D 分 别为各个方 向上的水 动力 弥散度分量 , m s ; q 、 q : 为 沿 和 方向上水流的单宽流量 , I n s ; C 为汇项盐分 含量 , k g m 。 2 2 模 型概 化 时空条件采用时间离散和空间离散化处理。模拟 时间长度为室内试验时间和预测后 3个月两种。渗流 槽单元剖分为三角形网格 剖分 , 单元格 大小为 5 c m, 共分为 2 0个单元层。 边界条件为 : 渗流槽上边界采用大气通量, 包括降 水量 、 灌 溉量 , 下 边界 和渗 流 槽 周 围 4壁 为 隔水 边 界 , 暗管概化为 自由排水边界 。 初始条件为土壤天然含水量, 土样的含盐 量
10、为浸 提法实测的土壤可溶盐含量。 初始的土壤水分参数为野外双环试验( )和室内 土壤水分特征 曲线试验的得到实测值 ( Q , , Q , a , n , 等) 。 土壤盐分的参数 、 弥散度 和弥散系数取文献 5 6 所得的经验值。 3 结果分析与讨论 3 1 渗流槽水盐运移特点 3 1 1 土壤 盐分 变化规律 土壤水电导率是土壤盐分含量的函数 , 两者呈正 相关关系 , 本文所探讨的土壤盐分含量变化均 由电导 率表征。在为期 3 0 d的渗滤试验 中, 土壤 电导率剖面 的变化过程如图 2所示。 图 2 三维渗流槽土壤剖面电导率变化曲线 从图 2中可以看出, 表层土 ( B 4 , B
11、9 ) 的盐分含量 降低最快 , 开始的电导率为 2 0 ms c m, 接近第 4 d时降 到 1 1 7 0 m s c m, 之后保持稳定。平面上 B 4与 B 9相 比, B 9电导率下降 的速率 更快, 仅半 日就开始 陡降。 这主要是 因为表层土受降雨影响最大, 土中的可溶盐 分很快溶于水 中, 随着水流向下迁移 , 土壤 中的盐分逐 渐降低 , 在浅层土壤水盐达到平衡状态时, 则会保持相 对稳定 , 变化较小 ; 平面上 , 由于 B 9位置接近排水 口, 水动力条件较强 , 水分 运动较快, 因此洗盐效果更 明 显 。 深层土壤 ( L 4 , L 9 ) 盐分变化趋势受上部盐
12、分运移 及降雨量共同作用影响。在试验前期 ( 1 4 d之内) , 土 壤盐分随降雨量呈高低起伏变化, 深度越大, 盐分累积 越多, 洗盐滞后作用越明显。如图 2所示 , B、 L垂 向深 度剖面盐分高值逐渐出现, 说 明了盐分逐 渐向下迁移 过程 。在 1 5 d之后 , 土壤盐分呈稳定下降阶段, 说明 水土作用 已逐渐趋 于平衡状态。由于试验周期较短 , 在 3 0 d左右, 土壤 电导率仍保持 在 1 7 m s c m 的状 态 , 后期试验仍在继续观测。 3 1 2 土壤渗 滤液水化 学特征 土壤盐分的变化和水分的运动密切相关。在监测 土壤盐分变化的同时, 测定 了土壤渗滤液的化学组
13、成 , 结果如图 3所示。渗滤液盐分 的总量 T D S , 呈现先下 降后升高的趋势 , 这是 因为试 验开始 时, 土壤盐分较 高 , 其原因是野外采取的土壤在天然条件下含水率较 高 , 装土过程中, 有土壤孔隙水渗出, 盐渍土壤孔 隙水 一 一 口 I 山 _ 山 u 一 嘎崆啦 7 2 人 民 长 江 化学成分浓度较大 , 在降雨之后 , 土壤孔隙水 由于稀释 作用 , 矿化 度逐渐 减 小 。在 原 始 的土壤 孔 隙水 稀 释及 渗流完成之后 , 随着降雨的发生 , 土壤可溶盐继而开始 溶解 , 土壤渗滤液的浓度开始增加 , 在后期 , 土壤盐分 一 直增加 , 说明大量的土壤盐分
14、在往下迁移 , 洗盐作用 一 直持 续 。 8 0 6 0 4 0 2 O - 一 , _+ 一 =。 。 : 一 0 5 l 0 1 5 2 0 2 5 时间 d 图 3 土 壤 渗 滤 液 T DS及 各 离 子 变 化 趋 势 从渗滤液主要离子的变化趋势来看 , 土壤渗滤液 以 N a C l , K C 1 为主。c l 一 , N a , K 与 T D S变化趋势相 同, S O , C a “ , Mg “含量低且保持稳定 。说明在 3 0 d 的淋洗时间内, 土壤易溶盐分大量被洗出, 以硫酸盐为 主 的微溶 盐分 基本 没 有淋 洗 出来 , 在 试 验 初期 矿 物 溶 解
15、的组分 较少 。 3 2 土壤水盐变化过程 的数值模拟 3 2 1 土壤含水量与 降雨的关系 如图4所示 , 9次降雨中, 由浅到深不 同深度 的土 壤含水量对 9次降雨都有响应 , 但随着深度增加 , 土壤 含水量变化存在滞后性 , 如 1 0 0 e m深度的探头所测含 水量有明显的滞后现象。这从侧面印证了土壤水流模 型 的可靠 性 。 图 4降 雨量 和 模 拟 含 水 量 关 系 3 2 2 土壤 盐分模 拟分析 由模拟 的输 出结 果 可 以看 出 ( 图 5 ( a ) ) , 表 层 2 0 e m处土壤盐分下降速率最快 , 其次是 4 0 e m处土壤盐 分下降速率 。越接近深
16、层 , 如 6 0 , 8 0 e m和 1 0 0 c m土 壤盐分变化趋势越小 , 或有上升的现象 , 主要是 由于短 期内土壤盐分淋洗的效果不明显 , 且存在土壤盐分在 运移过程中的累积现象。 图5 ( b ) 为试 验后 3个 月的土壤盐分变化过程 。 浅层土壤盐分下 降得更为明显, 6 0 e m处土壤盐分经 过短暂的上升后 , 也开始下降 , 而 8 0 , 1 0 0 e m处盐分仍 比较 稳定 , 原 因是 由于模 拟时 间较短 。 岛 时间 m i n ( a ) 模拟试验时间内 时间 m i n ( b )模拟试验后3 个 月 图 5 不同深度土壤盐分变化 曲线 4 结 论
17、 应用暗管排水技术改 良盐碱地是促进农业发展的 重要举措。本文通过室 内渗流槽物理模拟和数值模拟 发现 , 在暗管排水条件下 , 土壤的渗透性在一定程度上 增大了, 水流排出较快, 水位下降 , 土壤可溶盐分极 易 排出。这证明了暗管排水技术在盐碱地改造 的可行性 和高效性。其次 , 浅层土壤可溶盐分 的运移受降雨量 影响较大 , 深层土壤盐分运移受上层盐分 的累积和降 雨共同影响, 排盐较滞后。试验结果 为暗管埋设的位 置和空间分布提供了理论基础。 参考 文献 : 1 李彬 , 王 志眷 , 孙 志高 , 等中国盐碱 地 资源 与可持 续 利用研 究 J 干旱地rg农 业研究 , 2 0 0
18、 5 , 2 3 ( 2 ): 1 5 41 5 8 2 周和平 , 张立新, 禹锋 , 等 我 国盐碱 地改 良技 术综述及展 望 J 现代农业科技 , 2 0 0 7, ( 1 1 ) : 1 5 91 6 4 3 江 苏省社科联 江苏沿海滩涂开发研究综合报告 R 南京 : 江苏 社会科学院 , 1 9 8 6 4 C h r i s t e n E, S k e h a n D D e s i g n a n d ma n a g e me n t o f s u b s u r f a c e h o r i z o n t a l d r a i n a g e t o r e d
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