考慮淋洗系數(shù)和優(yōu)先流系數(shù)的土壤儲水流通量計算

考慮淋洗系數(shù)和優(yōu)先流系數(shù)的土壤儲水流通量計算

灌溉。特別是由于優(yōu)質淡水資源日趨緊張,在利用微咸水、咸水和污水灌溉的條件下,這些劣質水對土壤,特別是上部主要耕作層水鹽動態(tài)的影響顯得更加重要。為此,本文本著簡單適用宜于推廣的原則,從農(nóng)田實際出發(fā),提出了灌溉水入滲條件下的農(nóng)田土壤水鹽動態(tài)簡化模型。1在灌溉條件下，耕地中的土壤水鹽動態(tài)簡化模型1.1計算模型假設由于蟲洞、根孔和干縮裂縫等大孔隙結構的發(fā)育,田間土壤一般不會發(fā)生均勻滲透,部分入滲水會較迅速地直接從這些較大孔隙中漏走,產(chǎn)生所謂的優(yōu)先流。因此,在建立入滲水流模型時,首先引入優(yōu)先流系數(shù)f1,表示優(yōu)先流所占的比例系數(shù)。對于某一土層,設入滲率為i,則(1-f1)i發(fā)生均勻滲透,f1i為不均勻的大孔隙流即優(yōu)先流。對于f1i部分快速水流,本文忽略其淋鹽作用。有關土壤表面入滲規(guī)律的經(jīng)驗、半經(jīng)驗半理論公式較多也比較成熟,但相應情況下該土層下邊界水分滲漏規(guī)律的同類公式卻很少。因此,對于(1-f1)i均勻入滲滲透水流,我們假設土層下邊界水流通量q與土層儲水量W呈線性關系,即:q(1-f1)i=w-w0wS-w0(1)q(1?f1)i=w?w0wS?w0(1)又dwdt=(1-f1)i-q(2)dwdt=(1?f1)i?q(2)式中,WS—計算土層飽和儲水量,mm;W0—計算土層初始儲水量即灌前一定土層的儲水量,mm;q—土層下邊界水流通量,mm?s-1;i—上邊界入滲率,mm?s-1;t—時間,s;f1—優(yōu)先流系數(shù),無量綱。當W=W0時,q=0;當W=WS時,q=(1-f1)i。公式(1)表示土壤未飽和時地面入滲率i大于土層下部的滲漏率q,隨著土壤含水量W的增加,q增大,當土壤飽和時q=(1-f1)i。為了計算土層下邊界滲漏率q,本文提出了該線性假設。通過室內土柱和田間灌溉試驗驗證,該公式基本符合實際。因為人們并不關心入滲過程中水鹽的變化,主要是關心入滲后的結果。所以,設i為常量,則解上述微分方程,有:q={1-exp[-t(1-f1)iwS-w0]}(1-f1)i(3)w=wS-(wS-w0)?exp{-[t(1-f1)iws-w0]}(4)設灌水量I全部入滲,則w=wS-(wS-w0)?exp[-(1-f1)ΙwS-w0](5)Δw=(wS-w0)[1-exp(-(1-f1)ΙwS-w0)](6)dip=Ι-Δw(7)wS=10?γ?D?θS(8)式中,W—入滲后土壤儲水量,mm;ΔW—入滲后土壤儲水量變化,mm;I—灌水量或降雨量,mm;dip—下邊界滲漏量,mm;D—土層厚度,m;θS—計算土層飽和含水量,占干土重%;γ—土壤容量,T?m-3;其他意義同前。1.2土壤溶液初始鹽量k在入滲水流中,由于其淋洗作用,下邊界滲漏水溶液濃度是灌溉水礦化度和原土壤溶液濃度的組合。為此,引入淋洗系數(shù)f2表示滲漏水溶液濃度中原土壤溶液濃度的貢獻比例。設土層下邊界滲漏量的溶液濃度:CΡ=(1-f2)CΙ+f2Ct(9)Ct=S0W0(10)式中:f2—淋洗系數(shù),無量綱;S0—計算土層初始鹽量,g;CI—灌溉水礦化度,g?L-1;Ct—計算土層土壤溶液濃度,g?L-1。其鹽量變化公式如下:ΔS=(1-f1)ΙCΙ-[(1-f1)Ι-ΔW]?[(1-f2)CΙ+f2Ct](11)S=aS0+bΙCΙ(12)a=1+Δww0f2-Ι(1-f1)w0f2(13)b=f2+Δw(1-f2)Ι(1-f1)(14)Sd=ΙCΙ+S0-S(15)式中:S—入滲后計算土層鹽量,g;ΔW由式(6)計算;Sd—計算土層下邊界漏鹽量,g;其他意義同前。1.3模型因素的物理意義的討論1.3.1tfdf11優(yōu)先流系數(shù)f1表示入滲時優(yōu)先流所占的比例系數(shù),數(shù)值在0～1之間變化,是無因次的比例系數(shù)。由于土壤上層疏松,大孔隙結構發(fā)育,隨著土層深度的加厚,土壤結構趨于均勻。因此,f1一般隨著土層的加厚而減少。公式(6)中:WS=10·D·γ·θS;W0=10·D·γ·θ0;W=10·D·γ·θ可反求得:f1=1+10?γ?(θS-θ0)?DΙLn(1-θ-θ0θS-θ0)(16)令β=-10?γ?(θS-θ0)Ln(1-θ-θ0θS-θ0),則f1=1-βDΙ;1-f1=βDΙ;上式1-f1表示了土層的儲水特性,并隨土層厚度及灌水量而變化。而β值相對穩(wěn)定,可代表土壤儲水特性,β值越大,儲水能力越大。1.3.2土壤溶液濃度ct和鹽鹽水構成ss淋洗系數(shù)受許多因素影響,由于較多的灌溉水將通過較大的孔隙迅速地漏走,來不及溶解更多的鹽分,故具有許多大孔隙的土壤將比無結構土壤的f2值低。由于大孔隙的數(shù)量隨深度而減小,故淺根區(qū)將比深根區(qū)的f2值低。此外,灌水方法也影響淋洗系數(shù),實際上f2表示了淋洗效率。博曼斯和德莫倫提出重壤土f2為0.2,中等壤質土壤為0.4,砂性土可超過0.6。我國現(xiàn)有農(nóng)田土壤水鹽動態(tài)資料一般無實測土壤溶液濃度,僅有土壤全鹽量、潛水位和潛水礦化度資料。而鹽卻正是以土壤溶液形式運動的,而且受土壤含水量、鹽分組成和溶解度等因素的影響。由式(10)所求的土壤溶液濃度并不是真正的土壤溶液濃度。設真正的土壤溶液濃度為CT,則CΤ=ΚS0W0。式中:K為真值與估計值的比例系數(shù)?！逤P=f2Ct+(1-f2)CI;CPT=f2TCT+(1-f2T)CI式中:f2T和CPT分別表示真正的淋洗系數(shù)和計算土層下邊界滲漏水溶液濃度。當CP=CPT時則有下式:f2=ΚCt-CΙCt-CΙf2Τ(17)上式說明,f2值的引入實際上消除了(10)式估計式的誤差。f2不僅是淋洗系數(shù),而且包容了土壤溶液濃度的影響。f2值小于f2T,f2是一綜合系數(shù)。入滲過程中土壤積鹽率可按下式計算λ1=SΙCΙ+S0;λ2=S-S0ΙCΙ;λ3=S-S0S0λ1表示土壤灌后含鹽量是灌溉水來鹽量和土壤原有含鹽量之和的倍數(shù),λ2表示土壤鹽分增量是灌溉水來鹽量的倍數(shù),λ3表示土壤鹽分變化是土壤原始含鹽量的倍數(shù)。λ2能比較正確地反應灌溉造成土壤積鹽和脫鹽的關系。λ2大于1表示除灌溉水來鹽外,還有其他來鹽;λ2=0表示土壤鹽分無變化;λ2小于0表示土壤脫鹽;λ2在0和1之間表示灌溉水來鹽有下移,但土壤仍然積鹽。將λ2式和式(11)聯(lián)立則有λ2=ΔWΙ+f2(1-f1-ΔWΙ)(1-CtCΙ)(18)λ2=Κr+f2(1-f1-Κr)(1-Cr)(19)令Κr=ΔWΙ并稱其為儲水率;令Cr=CtCΙ并稱其為土壤相對濃度,則有f2=λ2-Κr(1-f1-Κr)(1-Cr)(20)2灌溉水礦化度的調控措施ΔS=f2[Ι(1-f1)-ΔW](CΙ-Ct)+ΔWCΙ(21)由(21)式可知,當灌溉水礦化度大于土壤溶液濃度時,淋洗系數(shù)越小積鹽越少,淋洗系數(shù)越大積鹽越多。優(yōu)先流系數(shù)越大積鹽越少,優(yōu)先流系數(shù)越小積鹽越多,灌水量越大積鹽越多,灌水量越小積鹽越少。當灌溉水礦化度小于土壤溶液濃度時,淋洗系數(shù)越大積鹽越少,淋洗系數(shù)越小積鹽越多。優(yōu)先流系數(shù)越大積鹽越多,優(yōu)先流系數(shù)越小積鹽越少,灌水量越大積鹽越少,灌水量越小積鹽越多。當灌溉水礦化度CΙ＜Ct?f2[Ι(1-f1)-ΔW]ΔW+f2[Ι(1-f1)-ΔW]時,土壤脫鹽。淋洗系數(shù)越大脫鹽越多,淋洗系數(shù)越小脫鹽越少。優(yōu)先流系數(shù)越大脫鹽越少,優(yōu)先流系數(shù)越小脫鹽越多,灌水量越大脫鹽越多,灌水量越小脫鹽越少。式(21)的分析表明,灌溉水礦化度大于和小于土壤溶液濃度其調控措施截然相反。當?shù)V化水用于非鹽漬土時,一般CI>Ct,必然造成土壤積鹽,為了控制積鹽,應小定額灌水,減少淋洗系數(shù),增大優(yōu)先流系數(shù);當微咸水或淡水用于鹽漬土時,一般CI<Ct,土壤積鹽不會太大,甚至脫鹽。為了控制積鹽,增大脫鹽,則要加大灌水定額,增大f2,減少f1,也即提高土壤的均勻滲透性,達到洗鹽的目的。由此表明,因土施水是防止灌溉土壤次生鹽漬化的重要控制措施之一。灌溉水量和灌溉水礦化度是入滲過程中,土壤水鹽狀況的主要調控因子。為使土壤不積鹽,灌溉水礦化度應滿足下式:CΙ≤Ctf2[Ι(1-f1)-ΔW]ΔW+f2[Ι(1-f1)-ΔW](22)令α=f2[Ι(1-f1)-ΔW]ΔW+f2[Ι(1-f1)-ΔW](23)令η=α1?000θ0(24)則CI≤ηS0(25)暫稱上式為灌溉水臨界方程,稱η為臨界系數(shù)。S0為土壤含鹽量(g?kg-1),依據(jù)上式可求出不同f1,f2,I時的η值。3應用實例和臨界洗脫系統(tǒng)的介紹3.1灌溉水臨界系數(shù)和土壤含鹽量以山西省永濟灌溉試驗為基礎,根據(jù)田間實際灌溉經(jīng)驗,應用如下基本數(shù)據(jù):θs=29.7(%),θ0=15(%),γ=1.514(T/m),D=50(cm),ws-w0=111.279(mm)根據(jù)式(17)～(20),計算得表1。表1給出了不同優(yōu)先流系數(shù)、不同淋洗系數(shù)和不同灌溉水量情況下的臨界系數(shù)和土壤含鹽量為3g?kg-1時的灌溉水臨界礦化度值,可供灌溉時參考使用。由表可知,灌水量大小、土壤含鹽量是最重要的影響因素。試驗確定不同土壤的優(yōu)先流系數(shù)和淋洗系數(shù)也是非常重要的。3.2土壤水分析評價應用表2資料,代入式25可求得表3,表3表明優(yōu)先流系數(shù)隨土層厚度及灌水量而變化,而β值相對穩(wěn)定,僅受土壤初始含水量和其他基本水分物理性質的影響,β值是否可作為儲水特性指標還有待深入研究。3.3灌溉水礦化度及驗證應用逐次灌溉水礦化度和土壤灌前灌后含鹽量測定數(shù)據(jù),點繪了灌前含鹽量及灌溉水礦化度的散點圖,并繪制灌后含鹽量等值線。將灌前含鹽量與灌后含鹽量相等的等值線交點數(shù)據(jù)整理為表4。將CI與S0回歸分析,得經(jīng)驗性灌溉水礦化度臨界回歸方程0～20cm土層:CI=1.087S0+2.463,R=0.931(26)0～50cm土層:CI=1.176S0+2.074,R=0.954(27)另一方面,當I=60mm,f2=0.913,f1=43.262時,CI=1.3036S0;當S0=3g?kg-1時,CI=3.91g?L-1。實測經(jīng)驗值5.602要比本文模型計算值3.91高。主要是由于天然降雨的淋洗作用所致。3.4臨界淋洗系數(shù)由式(24),當λ2=0時,臨界淋洗系數(shù)f2=-Κr(1-f1-Κr)(1-Cr)(28)當優(yōu)先流系數(shù)為零時,由上式可求得臨界淋洗系數(shù)如表5所列。4灌溉水臨界礦化度方程1.灌溉水攜帶鹽分是土壤發(fā)生次生鹽漬化的一個重要原因。本文針對田間實際,引入優(yōu)先流系數(shù)和淋洗系數(shù),建立灌溉水入滲淋洗模型,淋洗系數(shù)和優(yōu)先流系數(shù)是重要的水鹽動態(tài)模型參數(shù)。2.通過對模型的討論提出灌溉水臨界礦化度方程,認為因土施水是防止灌溉土壤次生鹽漬化的重要控制措施之一,灌溉水量和灌溉水礦化度是入滲過程中,土壤水鹽狀況的主要調控因子。