人工回灌下条件下的土壤水分响应特征分析

王成文，李 英，徐兆祥，李洪波

(1.宁夏回族自治区水文环境地质勘察院，宁夏 银川 750011；2.中国地质大学(北京) 水资源与环境学院，北京 100083；3.宁夏回族自治区地质局，宁夏 银川 750021)

0 引 言

近年来，随着国内外越来越多的学者投入到包气带水分的研究，发现包气带对联系地表水与地下水的水力关系有着极其重要的影响，特别是地表水作为地下水的主要补给源时。如Shalev等[1]在美国西部干早区建立包气带渗流试验场，并用非饱和达西定律来概化模拟地表水对地下水补给；汪可欣等[2]进行了大量农田灌溉试验，对旱区的水分运动规律进行了分析，并通过各种试验方法阐明了不同覆盖模式下的土壤水分运移特征和动态分析；韩占涛等[3]于宁夏清水河平原选择典型地区建立了包气带水分运移试验场，对旱田和灌田条件下的包气带水分运移进行了研究；商洁等[4]以野外监测数据为基础，结合数值模拟研究了巴丹吉林沙漠南部腹地包气带的水分运移规律。

目前，越来越多的学者意识到我国西北干旱地区的地下水主要受地表水回灌补给，如田间灌溉、引河回灌、河流、湖泊、湿地等地表水下渗补给地下水，而非降雨入渗补给[5-7]；对于引水灌区而言，特别西北干涸地区，降雨较少，蒸发较大，田间入渗灌溉是地下水补给的主要来源之一，故研究包气带水分入渗过程和入渗特征对整个区域的水循环有着积极的意义。本次研究以银川平原引黄灌区为研究对象，选择典型灌区建立原位回灌区试验场，选取对地下水补给作用和影响较大的水稻为试验田，即选取一块封闭型水稻田(水田)为研究单元，研究该水稻田在人工回灌过程中的土壤水分响应和入渗过程，实时监测土壤的水分变化和地下水水位动态变化，分析在人工回灌条件下包气带土壤水分的动态响应特征。

1 试验方法与过程

1.1 试验土体物理性质

本次原位田间灌溉入渗试验选取典型田块进行面状入渗试验，选用持续灌溉补给的水稻田进行面状灌溉入渗试验研究。在原位试验场地选取的1个有代表性的剖面上进行包气带土壤水基本参数动态变化的数据监测，获取不同剖面空间和时间尺度上土壤含水率、土壤负压(基质势)、土中温度等参数，测定包气带土壤水分特征曲线。

在试验田内进行地层分层取样，在野外初步进行地层岩性的定性描述和分类，并在实验室进行颗分测试后定名。试验田埋深0～120 cm均以粉质黏土为主，在表层埋深20～30 cm有一层粉土，70～80 cm有一层粉砂，见表1的土壤物理特性和图1的颗粒级配曲线。

表1 试验田土的物理特性

图1 试验用土颗粒级配曲线Fig.1 The particle gradation curve of test soil

1.2 试验方案设计

水稻田试验场地面积约(25×25)m2，进行持续补水灌溉，实时记录每次引水的持续时间和引水量，控制试验期间的灌溉总量。同时，对试验田间的地下水观测井进行长期动态水位监测，研究灌溉入渗补给对地下水的影响。在水稻田选取1处有代表性的剖面进行土壤水分、负压、温度的长期性监测工作。在试验田选取具有代表性的剖面，进行开挖，开挖南北长约2 m、东西宽50 cm、深120 cm的横槽，然后在槽侧壁上用长50 cm的土钻向土壁内打深20 cm的水平孔，埋设土壤三参计(土壤三参数测定仪)、土壤负压计等监测仪器，埋设方式为开槽侧壁横向埋设。在垂向剖面上，土壤含水率、基质势监测点位由浅到深设置埋深分别为15、30、50、70、100 cm的五组监测点位，仪器埋置示意见图2。

图2 试验场地监测点埋深分布图Fig.2 Depth distribution map of monitoring points in test site

1.3 试验设备与方法

本次试验主要分为田间试验监测和室内数据整理分析。

田间试验中主要监测设备有Treos12土壤三参仪、WM-1型负压计测定土和地下水Diver监测仪，以及自制的数采设备1套。土壤三参仪主要是测试土壤水分、电导率和温度的变化，土壤负压计是测定土壤负压的变化；CTD-Diver地下水自动监测仪，测定水位、温度和电导率，并存储于仪器内存中，可随时下载到计算机进行处理；数采设备是实时读取、记录和保存测试数据，设置记录间隔时间为10 min/次。

在室内数据分析中，分类整理原始数据，主要运用Origin Pro 2017进行数据分析和制图，运用经典的V-G模型进行土壤水分特征拟合，并结合数理统计SPSS18.0软件进行相关性分析。

2 试验结果分析

2.1 各要素随时间的变化分析

本次田间原位灌溉入渗试验是研究大面积原位持续性、周期性的灌溉入渗试验，选取典型剖面进行包气带水分入渗监测试验，分析监测要素随时间变化的曲线。

结合图3可知，水稻田的土壤含水率(体积含水率)随着灌溉量的增加呈增长的趋势，埋深15 cm 处初始含水率由22.86%增至试验中期的31.12%，到末期随着灌溉结束回落至29.85%，整个变化过程呈“骤增突变—平缓震荡”的变化过程，其他埋深处的土壤含水率也呈类似变化；同时，不同埋深处的土壤水分响应时间差异较大，在灌溉后的8.8 h浅层埋深15 cm处的水分开始增加，而中下层水分变化的响应时间比浅层慢很多，最底层100 cm处在70 h后才有水分响应变化。

同样，土壤负压在第一次灌溉后变化最为显著，变幅最大，而在后面的几次补水入渗中变化不大；在灌溉入渗的同时，随着土壤含水率的增加，土壤负压呈直线式下降，仅在不到一次监测时间(10 min)内土壤负压由-47 kPa降至-10 kPa以下，说明土壤含水率与负压的关系非常密切；在不同埋深处，土壤负压呈一定规律，即土壤负压随剖面埋深的增加而减小，说明土壤负压不仅与含水率有关，而且也与土壤质地和土中气有一定关系。

土壤电导率在整个试验中变幅较大，在第一次灌溉后，土壤电导率随灌溉入渗呈直线式突变上升，甚至比含水率的变化剧烈，在后面的几次灌溉中，电导率呈一定波动，但变幅不大；在试验中发现，土壤剖面深度100 cm处变化较其他埋深都大，变化最剧烈，这与其他因素不同，值得进一步深入研究。

土壤温度主要受气候条件影响，在土中表现为随气温的增加而增加，但有一定的滞后性，总体是随气候升温而逐渐升高。

图3 灌溉入渗试验中各要素随时间的变化Fig.3 Changes of various factors with time in irrigation infiltration test

2.2 灌溉入渗引起的土水变化分析

在整个灌溉入渗中，灌溉入渗分为“初始自然—开始灌溉—灌溉入渗—灌溉完成—自然恢复”五个阶段，分析土壤含水率和负压的变化。结合图4可知，在入渗初始阶段入渗量相对较大，含水率随着时间累积不断增大，变幅减小，土壤负压的绝对值不断减小。在土体表层入渗进行中，灌溉初期土壤初始入渗率高，随后入渗过程逐渐趋于稳定，负压由-48.5 kPa骤降到正压9.6 kPa(绝对值)；在土体剖面30 cm及较深处以下，土壤的含水率和负压变化幅度较小，均呈缓慢增长的趋势，土壤含水率由28.0%增长到36.0%，负压则由-10.8 kPa缓慢降至正压17.4 kPa，说明土壤较深处对灌溉入渗的响应时间较长，更易得到较为平缓的变化过程。另外，在整个试验段中，在浅层“开始灌溉—灌溉入渗”时间段内土壤的含水率和负压是骤变的过程，其他时间段变化幅度较小，说明该段要加密监测才能更精准的反映土水骤变的过程。

图4 土壤水分特征点变化Fig.4 Changes of soil moisture characteristic points

分析灌溉试验开始前和结束后的自然时间段的土水特征，可知在水稻田灌溉入渗前，即在初始时刻不同埋深处的含水率和负压呈一定规律，由浅到深含水率逐渐增大，而负压是随埋深逐渐较小；在灌溉入渗后，土壤含水率依旧是随着埋深的加深而增大，而土壤的负压却表现不明显，负压值相对稳定，不受埋深条件影响。

2.3 水分特征曲线拟合与分析

通过大量的试验研究，人们已提出了许多经验公式来模拟土-水特征曲线，其中比较常用的有Brooks-Corey模型(1964)、V-G模型(1980)、Frdlund模型和Xing(1994)模型等，这些模型中都含有许多待求的参数。在多种经验拟合公式中，V-G公式模型(Van Genuehten)相对适用范围更广，拟合度也最佳，采用V-G公式模型进行曲线拟合计算[8-11]。

Van Genuchten建议将水分特征曲线拟合成式(1)：

(1)

式(1)中：θ为体积含水率(cm3/cm3，%)；a、m、n为拟合参数，a为与进气值有关的参数；n为曲线形状参数；θr和θs分别为饱和含水量和残余含水量，为压力水头。令m=1-1/n，则可推导出非饱和导水率k的表达式如式(2)：

(2)

式(2)中：ks为某水温下试样的渗透系数，cm/s；φ为土水势，φ<0。

在土壤水分特征曲线拟合中，发现土水实测点值无法利用经验公式拟合得出土壤水分特征曲线，实测点见图5所示。当分别研究不同埋深时的土壤水分特征曲线时，发下实测点均为不连续的点，如埋深15 cm、埋深30 cm和埋深50 cm处只有初始和结尾有实测点，在负压-12 kPa到-43 kPa 段是没有含水率实测值的；在埋深70 cm和100 cm处虽然整体有数据变化点，但变化点杂乱，无曲线趋势特征；只有将所有埋深处的点进行统一处理时，见图5(a)，可以看出土壤含水率与负压呈现一定的变化规律，该图可以说明含水率与负压密切相关，且土壤负压随含水率的变化是突变的，即使在监测中采用每10分钟读数采集一次的频率下，监测到的土壤负压由-40 kPa突变到-9 kPa，尤其在土壤浅表层中变化最为明显。

图5 各埋深段土壤水分特征变化点分布Fig.5 Variation points of soil moisture characteristics in each buried depth

本次试验中，发现在灌溉入渗时，随着土壤水分的入渗运移，土壤的负压是呈突变型的减小，而不是呈一定趋势线的变化，这与以往研究的土水特征曲线有所不同，故不能用经验公式进行拟合，只能分别研究在整个试验中土壤含水率的变化和土壤负压的变化。在运用典型模型无法拟合得出土水关系曲线时，只能运用数理统计方法对大量的实测数据进行相关性分析，而SPSS统计软件是专业的数据统计分析软件，其功能十分强大，可以处理大量纷杂的数据，做出数据分析与处理。

借助SPSS(Statistical Product and Service Solutions)统计软件进行土壤水分特征的相关性分析可得，在水分入渗过程中土壤负压随之变化，特别是在浅表层，土壤负压与水分的增加呈较好的相关性，并进行皮尔逊相关性分析，可得大多数监测的土水特征点的在88%以上(见表2)，表明土壤水分与负压有着密切的关联。

表2 土壤含水率与负压的相关性分析

续表

3 结 论

通过研究人工回灌条件下的水分运动特征，分析不同要素在灌溉入渗后随时间变化响应，发现土壤中含水率、负压、土温等要素均具有一定规律性，含水率与负压的关系较为密切，负压变化幅度较大，测试难度也大，总结如下：

(1)分析土壤含水率、负压、电导率等变量随灌溉入渗时间的变化特征和沿剖面埋深的变化规律，发现土壤含水率和负压的变化是瞬时性的；在整个长时间灌溉入渗中发现，土壤水分与负压的响应变化在灌溉入渗试验前期就已基本完成。

(2)在土壤水分特征曲线拟合中，发现常用的V-G模型曲线无法利用经验公式拟合，但相关性较强；而通过SPSS数理统计进行皮尔逊相关性分析，分析结果较好，其相关性在88%以上。

(3)在分析含水率与负压密切相关发现，研究区的土壤负压随含水率的变化是存在突变现象，即使在监测为10 min/次频率中也无法测得变化过程，建议在今后的工作中需进一步加密试验前期的监测频率。