水分入渗对土壤内部综合压力影响的试验研究

水分入渗对土壤内部综合压力影响的试验研究
宋自影;王飞
【摘要】利用自制土壤内部压力测量装置对水分入渗过程中土壤内部的综合压力
进行了测量,分析了水分入渗过程中不同土层的土壤内部压力的变化特征以及不同
容重土壤的内部压力的变化特征.结果表明:同一容重下不同土层的土壤,在灌水初期0～20min左右,水分入渗对土壤内部扰动的综合压力随着土层深度的加深而减小；在360 ～ 420min内综合压力值随土层深度的加深而增大.不同容重下同一土层的土壤,水分入渗对土壤内部扰动的综合压力在表层土0～ 15cm土层,压力值随着容
重的增大而增大；15～30cm和30～45cm土层在测定时间0～90min内,容重越大压力值越小,90min后压力值随着容重的增加呈递增的趋势.试验结果同时表明同一时段内,容重越大,压力值的变化幅度越小即压力差越小.
【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2012(034)007
【总页数】5页(P191-195)
【关键词】水分入渗;综合压力;容重
【作者】宋自影;王飞
【作者单位】西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大
学资源环境学院,陕西杨凌712100;中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨凌712100
【正文语种】中文
【中图分类】S152.7+2;S152.9
0 引言
土壤水是一种重要的水资源，是地表水、地下水、大气水、土壤水转化的纽带，在水资源的形成、转化与消耗过程中，它是不可缺少的成分[1]。

土壤水分入渗是降
水或灌溉水全部或部分通过地表进入土壤，在土壤中运动和存储，进而转化成土壤水的过程，是土壤水分研究的重要内容，决定降水或灌溉水进入土壤的数量，支配土壤水分动态，影响到植物水分的收支以及深层贮水[2]。

自20世纪初以来，土壤水分入渗的研究工作，逐渐从定性描述走向定量化的研究，先后提出了许多经验、半经验或具有明确物理意义的入渗方程，用以描述一定条件下的土壤入渗过程[3-7]。

有关土壤水分入渗已有大量研究[8]，然而水分入渗时土壤内部综合压力变化的研究不多见。

土壤由固、液、气三相组成，水分在土壤中运动必然与土壤三相发生相互扰动[9-11]，使土壤的物理性质如土壤容重、孔隙度等发生变化进而使土壤内部压力发生变化，这个压力即水分入渗时土壤内部综合压力，本文旨在利用自制土壤内部压力测量装置测量水分入渗过程中土壤内部综合压力的变化特征。

1 材料方法
1.1 试验材料
1.1.1 试验装置
本试验利用自制的试验装置进行测量[12]，该装置已经用来进行根系对土壤机械压力影响的模拟试验以及根系生长期内对土壤内部扰动的综合作用力的测定[13]。

该装置对于测量土壤内部压力变化具有较好的精度和适用度。

装置由试验装土管(如
图1所示)和压力测量系统两部分组成，试验装置连接后如图2所示。

其中，形变
探测装置中所用介质为纯水。

图1 试验装置示意图(装土管部分)Fig.1 Experimentation equipment(the soil pipe)
图2 压力测量系统装置图
Fig.2 Pressure measure device
该试验装置的工作原理为：水分入渗过程中与土壤的固液气三相发生相互扰动，由于水分在土壤中的运移，使土壤的三相组成发生改变，进而使土壤的内部产生扰动而发生形变从而挤压气囊；气囊内测压介质受挤压后，在压力测量系统中可以反映出土壤中探测气囊所在土层受到的压力大小变化。

1.1.2 试验土壤及水分
试验土壤为采自西北农林科技大学灌溉站农地的塿土，土壤经自然风干再破碎，过孔径为2mm的筛以备用，土壤质地为重壤土；试验入渗水分及测压系统测量介质均为纯水。

1.2 试验设计
试验在中国科学院水利部水土保持研究所土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室模拟干旱大厅内进行。

设计试验装土容重为1.25，1.30，1.35g/cm3，测定水分入渗
灌水量定为2 000mL，测定指标为水分入渗过程不同容重装填土不同土层土壤的
内部压力变化特征；测定土层按3层进行测量：0～15cm，15～30cm，30～
45cm，每次试验针对不同容重进行3个重复。

1.3 试验方法
本试验利用自制的压力测量装置通过水分入渗测定水分入渗过程中土壤内部的压力变化，试验按照预先设计的容重1.25，1.30，1.35g/cm3计算出每层装土的质量，并以每层装土高度为2cm均匀地装入装土管内，在装填过程中分别在0～15，15～30，30～45cm土层安装测量装置，安装好测量系统后，分别打开图2中所
示的阀门K3，K4，K2，K1。

装土前装土管底部填放滤纸，以防止土壤颗粒流失，
同时为防止表层土壤受到强烈冲击，土样表层也填放滤纸。

本试验水分入渗方法为采用马氏瓶将2 000mL的纯水经土壤表层一次性灌入土柱中并使之稳定入渗，入渗过程中分别记录水分入渗过程中不同时间段的测压管内液面的高度，根据测压管内液面的高度转算出土壤内部的压力；试验入渗时间为420min，根据入渗速率记录不同时间点在0～15，15～30，30～45cm土层的测压管内液面的高度变化。

2 结果与分析
2.1 不同土层的土壤内部压力的变化特征
水分入渗是水分由表层进入土壤，在土壤中运动和存储的一个过程。

在水分的入渗过程中，由于入渗速率的影响，水分进入每一层的时间不同；同时，水分在土壤中各层的运移导致其对土壤的内部不同土层的压力亦会有所差异。

因此，笔者测量了水分入渗过程土壤不同层的压力变化，图3是容重为1.25g/cm3时水分入渗过程中不同土层的土壤内部压力分布图。

图3 水分入渗过程同一容重不同土层的土壤内部压力变化图(容重为
1.25g/cm3)Fig.3 Soil internal pressure of different layers in water infiltration process(soil bulk density:1.25g/cm3)
从图3中可以看出表层土0～15cm土层的压力波动比较大。

表层土的扰动不仅受水分入渗的影响，也受水分本身的压力影响，在0～15min随着入渗时间的增加压力随之增大，12min后压力值明显下降，并在30min压力值下降到最小，而后随着测定时间的延长，0～15cm土层的压力缓慢上升，最后趋于稳定；15～
30cm土层的压力变化在0～15min上升相对比较缓慢，15min后上升幅度有所增加，60min时该层的综合压力值达到最大，之后的1h内出现一个下降的趋势，120min后压力缓慢上升，趋于稳定；底层土30～45cm土层在0～5min内水分入渗对其内部扰动很小，压力值趋于0，随着入渗时间的延长，该土层的综合压力
值平缓上升。

由于不同容重的土壤其不同土层的三相组成有所差异，为了充分考虑到容重对土壤不同土层的影响，测定了当容重为1.30，1.35g/cm3时土壤3层的压力变化情况。

图4和图5为容重1.30，1.35g/cm3时压力分布图。

通过进一步分析图4和图5的分布特征，结合图3，可以看出在整个测定时间内，3种容重下不同土层内的压力变化趋势基本一致，在水分入渗的初期0～20min左右，表层土0～15cm土层内压力变化明显，上升幅度比较大，中间土层15～30cm土层的压力相对小于
0～15cm土层的压力，而底层土30～45cm土层的压力趋于0，随着入渗时间的延长，压力小幅度的增加；由于3个处理土柱的土壤容重不同，压力分布曲线的
趋势拐点所处的时间点也有所不同，但大致趋势相同，在30～360min表层土
0～15cm土层的压力开始时有所下降，随着时间的变化，压力值重新缓慢上升，15～30cm土层也有小幅度的下降趋势，而后继续缓慢上升，而30～45cm土层
的综合压力值一直呈上升趋势，这段时间内15～30cm土层内的综合压力值最大，0～15cm土层的综合压力值最小；在360～420min内每一层的压力值都缓慢上
升趋于稳定，由图4和图5可以看出0～15cm土层的综合压力值最小，而30～45cm土层的综合压力值最大。

图4 水分入渗过程同一容重不同土层的土壤内部压力变化图(容重为
1.30g/cm3)Fig.4 Soil internal pressure of different layers in water infiltration process(soil bulk density: 1.30g/cm3)
图5 水分入渗过程同一容重不同土层的土壤内部压力变化图(容重为
1.35g/cm3)Fig.5 Soil internal pressure of different layers in water infiltration process(soil bulk density: 1.35g/cm3)
2.2 不同容重土壤内部压力的变化特征
土壤容重是土壤的一个基本物理性质，对土壤透气性、入渗性能、持水能力、溶质
迁移以及土壤抗侵蚀能力均有较大的影响[14]。

时新玲[15]、张振华等[10]试验得
出土壤容重变化明显影响土壤中水分入渗过程，图6～图8分别是0～15cm土层、15～30cm土层、30～45cm土层在不同容重下的压力分布图。

由图6～图8可知同一土层由于容重的不同，进而影响水分入渗过程，导致压力大小有所不同，但同一土层内的综合压力趋势变化大致相同。

图6中表层土0～15cm在水分入渗过程中土壤受到扰动后压力波动比较大，在水分入渗的整个阶段，容重为1.35g/cm3的土壤土层内的综合压力值最大，容重为1.30g/cm3的压力值次之，容重为1.25g/cm3时的压力值最小。

图7中15～30cm可以明显看出0～30min内容重为1.25g/cm3时的压力值最大，30～90min内3个容重下的压力值大致相同，90min后容重为1.35g/cm3
的土壤土层内的综合压力值最大，容重为1.25g/cm3时的压力值最小。

土壤水分入渗的本质是水分在土体里流动而不断深入的过程，由于水分向下流动到30～45cm土层需要一定的时间，所以初始时间该层水分入渗对土壤扰动的综合
压力趋于0。

从图8中可看出，虽然容重不同但0～30min内其综合压力值比较
接近，30～120min内容重为1.25g/cm3时的综合压力值最大，120min之后压
力变化趋势发生变化，容重为1.35g/cm3 的土壤土层内的综合压力值最大，容重为1.25g/cm3时的综合压力值最小。

图6 水分入渗过程同一土层不同容重的土壤内部压力变化图(0～15cm土层)Fig.6 Soil internal pressure of different bulk density in water infiltration
process(the soil layer 0-15cm)
图7 水分入渗过程同一土层不同容重的土壤内部压力变化图(15～30cm土
层)Fig.7 Soil internal pressure of different bulk density in water infiltration process(the soil layer 15-30cm)
图8 水分入渗过程同一土层不同容重的土壤内部压力变化图(30～45cm土
层)Fig.8 Soil internal pressure of different bulk density in water infiltration process(the soil layer 30-45cm)
土壤孔隙是土壤水分运动的空间，孔隙度的大小直接影响着土壤的导水特性。

土壤的孔隙度是土壤容重的函数，因此土壤容重就成为影响土壤导水特性的重要因素[11]，土壤容重越大，水分入渗的速度越慢，进而导致土壤内部的压力值变化也比较慢。

由图6～图8可以看出同一时段内，容重越大，压力值的变化幅度越小即压力差越小。

3 结论
1)同一容重下不同土层的土壤，在灌水初期0～20min左右，水分入渗对土壤内部扰动的综合压力随着土层深度的加深而减小；在30～360min时间段内15～
30cm土层内的综合压力值最大，0～15cm土层的综合压力值最小；在360～420min内综合压力值随土层深度的加深而增大。

2)不同容重下同一土层的土壤，同一土层的内部压力趋势变化相同，水分入渗对土壤内部扰动的综合压力在表层土0～15cm土层，压力值随着容重的增大而增大，15～30cm和30～45cm土层在测定时间0～90min内，容重越大压力值越小，90min后压力值随着容重的增加呈递增的趋势。

3)同一时段内，容重越大，压力值的变化幅度越小即压力差越小。

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