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4種土壤入滲測(cè)定方法的比較

2022-12-07 16:38:47 點(diǎn)將科技 546

摘要:入滲是土壤的基本物理性狀,與降雨產(chǎn)流、侵蝕、非點(diǎn)源污染等過(guò)程密切相關(guān),快速、準(zhǔn)確測(cè)定土壤入滲速率具有重要的意義。以黃土高原溝壑區(qū)安塞水土保持綜合試驗(yàn)站大豆地的黃土為測(cè)試土壤,利用雙環(huán)、單環(huán)、圓盤(pán)入滲儀、Hood入滲儀4種方法測(cè)定了土壤入滲性能,并以雙環(huán)法測(cè)定的穩(wěn)滲速率、Hood儀測(cè)定的飽和導(dǎo)水率、單環(huán)/雙環(huán)和圓盤(pán)測(cè)定的累積入滲量為基礎(chǔ),比較分析了4種方法各自的優(yōu)劣。結(jié)果表明,單環(huán)、圓盤(pán)、Hood測(cè)定的穩(wěn)滲速率分別為雙環(huán)的116%,111%和225%,雙環(huán)、單環(huán)、圓盤(pán)測(cè)定的飽和導(dǎo)水率分別為Hood的65.8%,75.1%和105%,雙環(huán)、單環(huán)、圓盤(pán)達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)間分別為100,80和30min。說(shuō)明圓盤(pán)測(cè)得的穩(wěn)滲速率、飽和導(dǎo)水率接近標(biāo)準(zhǔn)值,而且省時(shí)省力省水,更適合于野外實(shí)驗(yàn)。

        朱顯漠先生曾在黃土高原國(guó)土整治“28字方略”中提到“全部降水就地入滲攔蓄”,而土壤滲透性影響“入滲攔蓄”過(guò)程。因此認(rèn)識(shí)黃土高原的土壤入滲特征對(duì)于洪水預(yù)報(bào)和土壤侵蝕預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),以及對(duì)制定水土保持措施,均有十分重要的意義。

        目前測(cè)定土壤入滲速率的方法主要有注水法(如雙環(huán)法)、水文法和人工降雨法,測(cè)定飽和導(dǎo)水率方法則很多,如定水頭滲透儀法、變水頭滲透儀法、盤(pán)式入滲儀法等。眾多方法中,雙環(huán)法被認(rèn)為準(zhǔn)確的方法,實(shí)際應(yīng)用多。

       國(guó)內(nèi)外許多研究均涉及了土壤入滲測(cè)定方法的比較,雖然雙環(huán)法是田間測(cè)定土壤滲透性能常用、經(jīng)典的方法,也是判斷其他方法測(cè)定結(jié)果的基礎(chǔ),但雙環(huán)法一般只是測(cè)定土壤表層入滲能力,而且耗水量大、耗時(shí)間長(zhǎng),為了保持雙環(huán)內(nèi)水頭深度一致,當(dāng)利用雙環(huán)法測(cè)定坡地土壤入滲時(shí),需要平整地表,這種擾動(dòng)可能對(duì)測(cè)定結(jié)果影響很大,而土壤入滲速率主要取決于土壤表層的性狀,雙環(huán)安裝時(shí)的地表擾動(dòng)自然會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響,且這種影響隨著坡度的增大而增大。因此需要選擇一種相對(duì)既省時(shí)省力又準(zhǔn)確方便的方法來(lái)替代雙環(huán)法進(jìn)行坡面土壤入滲過(guò)程的測(cè)定。

1研究區(qū)概況與實(shí)驗(yàn)方法

1.1研究區(qū)概況

    中國(guó)科學(xué)院安塞水土保持綜合試驗(yàn)站地處黃土高原腹地(109°19’23”E,36°51’30”N),屬中溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫8.8°C,年均降水量549mm,降水多以短歷時(shí)暴雨為主,降雨在年內(nèi)分布集中6-9月的降水量占到全年降水量的70%以上。實(shí)驗(yàn)在試驗(yàn)站平坦川地的大豆地內(nèi)的無(wú)雨天連續(xù)進(jìn)行,土壤為黃綿土,屬于典型的粉壤土,砂粒含量為26.33%,粉粒含量為67.02%,黏粒含量為5.51%,土壤容重為1081kg/m3,有機(jī)質(zhì)含量為0.9%。

   1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 單環(huán)和雙環(huán)法測(cè)定方法雙環(huán)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)徑35cm,外徑50cm,高度均為18.5cm。在實(shí)驗(yàn)區(qū)選較為平坦的樣地,去除地表作物,將圓環(huán)用橡膠錘緩慢均勻地打入土中12.5cm,盡量保持土壤結(jié)構(gòu)不受破壞。利用直徑為25cm的馬氏瓶為圓環(huán)供水,當(dāng)內(nèi)環(huán)和外環(huán)中的水層厚度達(dá)到3cm時(shí),開(kāi)始用秒表記時(shí),并分別在0.0,0.5,1,2,3,5,7,10,15,20,25和30min及之后每10min讀取供水桶標(biāo)尺刻度值,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持內(nèi)外環(huán)水面高度為3cm,讀數(shù)時(shí)一并讀取水溫。單環(huán)實(shí)驗(yàn)用雙環(huán)的內(nèi)環(huán)來(lái)完成,實(shí)驗(yàn)過(guò)程與雙環(huán)法相同。

1.2.2 圓盤(pán)入滲儀測(cè)定方法圓盤(pán)入滲儀為澳大利亞生產(chǎn)的CSIRO圓盤(pán)入滲儀(已停產(chǎn))(discpermeameter),(SW080B張力土壤入滲儀可作為替代品,產(chǎn)品詳情鏈接:http://dianjiangtech.cn/product/109-cn.html),由儲(chǔ)水管、調(diào)壓管和入滲盤(pán)組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇平整樣地,去除地表作物,同時(shí)在樣地周圍用環(huán)刀取樣,測(cè)定土壤初始含水量及容重。將半徑10cm、高3mm的鋼環(huán)安置在測(cè)定點(diǎn),環(huán)內(nèi)鋪滿過(guò)0.25mm篩子的細(xì)沙,用鋼尺刮平,并將鋼環(huán)移走;用注射器調(diào)整恒壓管中水位高度為20mm,將圓盤(pán)入滲儀放入水桶中,用抽氣筒給儲(chǔ)水管充滿水后關(guān)閉閥門(mén);取出入滲儀,輕拍入滲盤(pán)使其中的氣泡溢出,擦干圓盤(pán)上的水;將圓盤(pán)放置于吸水物上,確保儲(chǔ)水管沒(méi)有氣泡產(chǎn)生,記錄儲(chǔ)水管水位初始高度,將儀器小心放在測(cè)定點(diǎn),使其與沙面緊密接觸;當(dāng)儲(chǔ)水管中產(chǎn)生氣泡時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),前10次讀數(shù)時(shí)間間隔為0.5min,隨后5次讀數(shù)間隔為2min,8次讀數(shù)間隔為5min,最后讀數(shù)間隔為10min,直至達(dá)到穩(wěn)定入滲,讀數(shù)時(shí)一并讀取水溫。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,移開(kāi)入滲儀,立刻鏟去部分沙層,取表層2~3mm土壤約30g,測(cè)定土壤含水量。

1.2.3 Hood入滲儀測(cè)定方法Hood入滲儀為德國(guó)UGT公司生產(chǎn)的Hood IL-2700型入滲儀,由Hood水罩(直徑17.6cm或24.8cm)、U形管壓力計(jì)、導(dǎo)水管路、儲(chǔ)水管等組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量選擇平整樣地,去除地表作物,安置鋼圈并部分壓入土壤,將水罩放置在鋼圈內(nèi),并在水罩和鋼圈之間用過(guò)0.5mm篩子的飽和濕沙密封;給U形管注水,使液面平于0刻度線處;連接管路,關(guān)閉所有閥門(mén),然后給內(nèi)、外管注水,外管水面低于內(nèi)管;配合閥門(mén)和調(diào)壓管調(diào)節(jié)水罩中間水柱高度與U形管液面差,此二者之差即為水罩中施加于土壤表層的壓力值,本實(shí)驗(yàn)調(diào)出0和4cm兩個(gè)壓差。開(kāi)始計(jì)時(shí),液面每下降5mm記錄1次時(shí)間,直至觀測(cè)值達(dá)到穩(wěn)定,讀數(shù)時(shí)一并讀取水溫。以上實(shí)驗(yàn)各進(jìn)行3次,將3次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均,進(jìn)行土壤穩(wěn)滲速率、土壤飽和導(dǎo)水率的計(jì)算。

1.3數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理、制圖分別采用Excel,SPSS和Origin等軟件進(jìn)行。其中,為了檢驗(yàn)雙環(huán)、單環(huán)、圓盤(pán)累積入滲量在變化趨勢(shì)和數(shù)值方面的差異性,利用SPSS17.0軟件,選取雙環(huán)、單環(huán)、圓盤(pán)在10,15,20,30,40,50,60,70和80min時(shí)累積入滲量(mm)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析和獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)。

2 土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率、飽和導(dǎo)水率的計(jì)算

2.1土壤初滲速率

由于初始觀測(cè)階段讀數(shù)誤差和系統(tǒng)誤差無(wú)法估測(cè),所以初始入滲速率f_0(mm/min),計(jì)算公式為:

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式中:q0———入滲開(kāi)始3min的實(shí)測(cè)累積入滲量(mm);t0———3min。

2.2 土壤穩(wěn)滲速率

單環(huán)和雙環(huán)法計(jì)算公式為:

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式中:fs———10℃標(biāo)準(zhǔn)水溫時(shí)土壤入滲速率(mm/min);Δh———某一時(shí)段Δt供水桶讀數(shù)差值(mm);Δt———時(shí)段(min);T———某時(shí)段的平均水溫(℃)。

圓盤(pán)入滲儀計(jì)算公式為:

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式中:D1———入滲盤(pán)的有效直徑(cm);D2———儲(chǔ)水管直徑(cm)。

Hood入滲儀計(jì)算公式為:

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式中:f———橫切面面積指數(shù),即儲(chǔ)水管截面積與入滲面積之比,小Hood罩為0.313,大Hood罩為0.156。

2.3 土壤飽和導(dǎo)水率

土壤導(dǎo)水率Ks與壓力h間的關(guān)系可以用GarD-ner指數(shù)函數(shù)描述:

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式中:K(h)———給定壓力下的導(dǎo)水率(mm/min);Ks———飽和導(dǎo)水率(mm/min);a———為與土壤結(jié)構(gòu)和毛管吸力有關(guān)的因子;h———壓力值(cm)。

WooDing研究發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)入滲量(Q,cm3/min)與圓形入滲面(半徑為r,cm)的關(guān)系為:

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式中:Q——可由累積入滲水量(cm3)與累積時(shí)間(min)做回歸曲線求得,曲線線性部分的斜率即為穩(wěn)態(tài)入滲水量(cm3/min)。將(5)式代入(6)式得:


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公式(7)為圓盤(pán)入滲儀飽和導(dǎo)水率計(jì)算公式。而對(duì)于單環(huán)/雙環(huán)法其飽和導(dǎo)水率由公式(8)計(jì)算:

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式中:H———水頭高度(cm);L———內(nèi)環(huán)入土深度(cm);D1———內(nèi)徑(cm);C1,C2———無(wú)量綱經(jīng)驗(yàn)常量,其值分別為0.316π和0.184π。Parlang發(fā)現(xiàn)公式(5)中的a滿足a=a(h),PhiliP研究指出在多數(shù)情況下令a為常數(shù),仍能有效地表達(dá)K(h),因此對(duì)于單環(huán)/雙環(huán)法,令a=0.2cm-1,即可利用公式(8)進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)公式(7)兩邊取對(duì)數(shù):

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公式(9)為Hood入滲儀飽和導(dǎo)水率的計(jì)算公式,式中l(wèi)nQ與h呈線性關(guān)系,其中a用公式(10)計(jì)算:

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3 結(jié)果與討論

3.1入滲性能比較分析

對(duì)4種不同方法測(cè)定土壤入滲量進(jìn)行計(jì)算分析,得到入滲性能比較(表1),同時(shí)根據(jù)過(guò)程點(diǎn)數(shù)據(jù)利用Origin軟件繪制入滲過(guò)程圖(圖1)。

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       由表1可以看出,不同方法測(cè)定的初滲速率、穩(wěn)滲速率、飽和導(dǎo)水率和達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間,均存在顯著差異。

      就初滲速率而言,雙環(huán)、單環(huán)、圓盤(pán)存在較大差異,可能是由于圓盤(pán)接觸面積小且與土表間有干沙層、單環(huán)/雙環(huán)環(huán)壁與土體之間縫隙等導(dǎo)致的。

      穩(wěn)滲速率是反映土壤滲透性能的主要指標(biāo),也是判斷不同土壤、不同土地利用條件下土壤入滲性能差異的基礎(chǔ),對(duì)其準(zhǔn)確測(cè)量具有重要的意義。從表1可知,與雙環(huán)法測(cè)定結(jié)果相比,單環(huán)由于存在明顯的側(cè)滲現(xiàn)象,穩(wěn)滲速率偏大,為雙環(huán)測(cè)定結(jié)果的116%,這與Wu等的研究結(jié)果一致;與單環(huán)法類似,圓盤(pán)入滲儀也存在一定側(cè)滲,穩(wěn)滲速率也較雙環(huán)法為大,平均穩(wěn)滲速率為雙環(huán)的111%,這與許明祥等人的研究結(jié)果相反,造成這種差異的原因可能在于土壤性質(zhì)的時(shí)空變異及計(jì)算公式的不同;用Hood儀法測(cè)定土壤入滲時(shí)存在很大的側(cè)滲現(xiàn)象,從而導(dǎo)致Hood入滲儀測(cè)定的穩(wěn)滲速率為雙環(huán)的225%。


      飽和導(dǎo)水率是土壤滲透性能的另一種量化表述,在土壤物理學(xué)、坡面水文過(guò)程及侵蝕過(guò)程模擬中應(yīng)用非常為廣泛。由表1可知,由于單環(huán)/雙環(huán)、圓盤(pán)法均使用了經(jīng) 驗(yàn)參數(shù)參與計(jì)算,而Hood儀法均使用實(shí)測(cè)值,所以以Hood儀值為標(biāo)準(zhǔn),雙環(huán)測(cè)值為Hood的65.8%,這與BoDhinayaKe的研究結(jié)果一致;單環(huán)測(cè)值為Hood的75.1%;圓盤(pán)測(cè)值為Hood的105%。

     實(shí)驗(yàn)耗時(shí)是野外實(shí)驗(yàn)需要考慮的比較重要的因素,由表1可知達(dá)到穩(wěn)定入滲的時(shí)間上雙環(huán)約為100min,單環(huán)約為80min,圓盤(pán)約為30min,而Hood儀考慮調(diào)壓過(guò)程總時(shí)間約為30min。綜合來(lái)看,圓盤(pán)入滲儀法在穩(wěn)滲速率和飽和導(dǎo)水率上均靠近標(biāo)準(zhǔn)值,而且用時(shí)短。

      由圖1可以看出,入滲初期雙環(huán)的入滲速率大于單環(huán)的入滲速率,但在25min前后開(kāi)始小于單環(huán),并持續(xù)到穩(wěn)滲階段,直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)初期(20min)土壤入滲速率較大且讀數(shù)間隔短,供水桶水面波動(dòng)增大了水位觀測(cè)的隨機(jī)誤差,因此單環(huán)和雙環(huán)的測(cè)定結(jié)果存在較大波動(dòng),且雙環(huán)法波動(dòng)性更大。與單環(huán)和雙環(huán)入滲儀相比,圓盤(pán)入滲儀用水量很小,實(shí)驗(yàn)時(shí)間短,供水管水位變化相對(duì)比較穩(wěn)定,測(cè)定結(jié)果一直比較穩(wěn)定,但由于50min左右換盤(pán)的影響,導(dǎo)致入滲曲線略有上升趨勢(shì)。

3.2累積入滲量對(duì)比分析

不同方法測(cè)定的累積入滲量均隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)而增加(圖2),但受入滲達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間(表1)的影響,不同方法間土壤累積入滲量與時(shí)間的關(guān)系曲線存在明顯差異。前20min單環(huán)/雙環(huán)增長(zhǎng)速度較快,且雙環(huán)大于單環(huán),之后趨于平穩(wěn)增長(zhǎng)。在80min前后單環(huán)累積入滲量開(kāi)始大于雙環(huán),且穩(wěn)定后的單環(huán)增長(zhǎng)率大于雙環(huán)。由于圓盤(pán)入滲儀達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間短,累積入滲量只在前5min內(nèi)迅速的增加,而后基本保持平穩(wěn)增長(zhǎng)。表2給出了不同方法入滲過(guò)程特征點(diǎn)的累積入滲量,從表中可以看出隨著時(shí)間的延長(zhǎng),單環(huán)與雙環(huán)、圓盤(pán)與雙環(huán)、圓盤(pán)與單環(huán)的比值逐漸增大,并有繼續(xù)增大的趨勢(shì)。

以不同方法入滲過(guò)程特征點(diǎn)累積入滲量(表2)為基礎(chǔ),進(jìn)行相關(guān)性和差異性分析,發(fā)現(xiàn)雙環(huán)、單環(huán)和圓盤(pán)的兩兩組合均具有很強(qiáng)的相關(guān)性。

對(duì)于T檢驗(yàn),“雙環(huán)—單環(huán)”組合P值大于0.05,說(shuō)明單環(huán)/雙環(huán)差異性不顯著,而“雙環(huán)—圓盤(pán)”和“單環(huán)—圓盤(pán)”量種組合P值均小于0.05,則說(shuō)明其中二者差異顯著。

由此說(shuō)明,3種方法測(cè)定的累積入滲量在趨勢(shì)上具有很強(qiáng)相關(guān)性,而數(shù)值方面圓盤(pán)和單環(huán)、雙環(huán)之間差異性顯著,同時(shí)也從側(cè)面說(shuō)明了圓盤(pán)入滲儀適合在黃土丘陵區(qū)進(jìn)行土壤入滲測(cè)定。

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3.3 其他相關(guān)方面的比較分析

除了量化比較外,結(jié)合前人的相關(guān)研究成果和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),列舉了4種方法在用水量、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)、對(duì)地表的擾動(dòng)程度、實(shí)驗(yàn)誤差、實(shí)驗(yàn)原理、入滲面積及有無(wú)側(cè)滲等諸多方面的定性比較(表3)。從表3可以看出,圓盤(pán)入滲儀在上述諸多方面,都具有一定的優(yōu)勢(shì),從而表明圓盤(pán)入滲儀在黃土高原土壤入滲測(cè)定中具有很強(qiáng)的優(yōu)越性。

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4 結(jié)論

利用實(shí)測(cè)土壤入滲數(shù)據(jù),比較了雙環(huán)法、單環(huán)法、圓盤(pán)法和Hood入滲儀測(cè)定的穩(wěn)滲速率、累積入滲量的差異,結(jié)果發(fā)現(xiàn)圓盤(pán)法測(cè)定的穩(wěn)滲速率為雙環(huán)的111%,飽和導(dǎo)水率為Hood的105%,均接近標(biāo)準(zhǔn)值;單環(huán)/雙環(huán)、圓盤(pán)3種方法測(cè)定的累積入滲量趨勢(shì)上在99%置信區(qū)間內(nèi)顯著相關(guān),單環(huán)和雙環(huán)數(shù)據(jù)上差異不顯著,而單環(huán)、雙環(huán)與圓盤(pán)差異顯著;圓盤(pán)法實(shí)驗(yàn)耗時(shí)平均約為30min,約為雙環(huán)和單環(huán)法實(shí)驗(yàn)耗時(shí)的1/3,單位面積上實(shí)驗(yàn)用水僅為雙環(huán)法的1/2左右;圓盤(pán)法不擾動(dòng)表土,讀數(shù)相對(duì)準(zhǔn)確。綜合比較4種測(cè)定方法,圓盤(pán)法具有省時(shí)、省力、省水、準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì),可以替代雙環(huán)法進(jìn)行坡面土壤滲透性的測(cè)定。


來(lái)源:朱良君,張光輝,任宗萍 4種土壤入滲測(cè)定方法的比較【水土保持通報(bào) 第32卷第6期 】