干縮開(kāi)裂黃褐土非飽和水平吸滲特征研究

張展羽 范世敏 王 策 劉 陽(yáng) 齊 偉

(1．河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098; 2．河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京210098)

干縮開(kāi)裂黃褐土非飽和水平吸滲特征研究

張展羽1，2范世敏1，2王 策1，2劉 陽(yáng)1，2齊 偉1，2

(1．河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098; 2．河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京210098)

通過(guò)室內(nèi)水平吸滲試驗(yàn)，結(jié)合Matlab數(shù)字圖像處理與形態(tài)學(xué)算法，在黃褐土土壤中添加秸稈模擬不同生長(zhǎng)期作物根系密度，對(duì)干縮開(kāi)裂黃褐土中的非飽和水平吸滲及濕潤(rùn)鋒推移特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明:不同秸稈密度處理裂縫穩(wěn)定形態(tài)面積密度和裂縫平均寬度差異顯著(p＜0.05)，當(dāng)秸稈密度由0 cm/cm3增加到1.5 cm/cm3時(shí)裂縫面積密度和裂縫平均寬度分別減小為1.73%、0.071 cm，隨著秸稈密度增大土壤穩(wěn)定形態(tài)裂縫面積密度與裂縫平均寬度顯著減小。秸稈添加間接影響入滲過(guò)程歷時(shí)，但土壤最終累積入滲量無(wú)顯著差異。裂縫的存在導(dǎo)致入滲率發(fā)生波動(dòng)現(xiàn)象，且在入滲前中期尤為明顯;未開(kāi)裂土和開(kāi)裂土累積入滲量隨時(shí)間的變化關(guān)系均符合Kostiakov經(jīng)驗(yàn)入滲模型，其經(jīng)驗(yàn)參數(shù)與秸稈密度有關(guān)，擬合方程達(dá)到顯著水平。引入濕潤(rùn)鋒均勻系數(shù)對(duì)水平吸滲不均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)，土壤裂縫面積密度及裂縫平均寬度越大入滲初期的水分不均勻性特征越明顯，均勻系數(shù)隨著時(shí)間推移逐漸減小;根據(jù)濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率隨時(shí)間的變化特征，開(kāi)裂黃褐土土壤的水平吸滲過(guò)程可以分為3個(gè)階段，即初始裂隙流階段、穩(wěn)滲基質(zhì)流階段和吸滲末期階段。

干縮裂縫;秸稈添加;水平吸滲;入滲率;濕潤(rùn)鋒

引言

非飽和帶土壤作為一種復(fù)雜的多孔介質(zhì)，是水鹽運(yùn)移、污染物遷移必經(jīng)途徑以及土壤水分交換的重要樞紐。自然條件下，土壤干燥失水會(huì)導(dǎo)致干燥鋒下降，基質(zhì)吸力上升，微觀(guān)顆粒組成結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，顆粒間的吸應(yīng)力增加并超過(guò)其間的膠結(jié)力，土體由于干縮而產(chǎn)生裂縫，裂縫開(kāi)裂于土壤弱勢(shì)區(qū)。裂縫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增加了土壤水鹽運(yùn)移的空間變異性，使得水流不再遵循傳統(tǒng)的達(dá)西定律，而是繞過(guò)土壤基質(zhì)，通過(guò)優(yōu)先通道［1－2］直接進(jìn)入土壤深層或地下水中。這些灌溉水或降水未能與土壤基質(zhì)充分混合或被作物充分吸收而損失。研究表明，植物根系能夠?qū)ν馏w起到錨固和加筋作用［3］，土壤中添加秸稈還會(huì)對(duì)水分特征產(chǎn)生影響［4］。因此，基于秸稈影響下的裂縫網(wǎng)絡(luò)水分非飽和入滲運(yùn)移規(guī)律的探究，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。

土壤開(kāi)裂導(dǎo)致的空間變異性影響非飽和入滲，是農(nóng)業(yè)工程、水文學(xué)、土壤學(xué)等學(xué)科的交叉課題。STIRK［5］認(rèn)為土壤的入滲能力與土壤含水率相關(guān)，含水率較高時(shí)裂縫發(fā)育不充分，裂縫幾乎不影響土壤入滲性能，而當(dāng)含水率小于凋萎系數(shù)時(shí)，裂縫能顯著提升入滲率。KRISNANTO等［6］根據(jù)水量平衡原理對(duì)開(kāi)裂土壤橫向流進(jìn)行模型建立與驗(yàn)證，建立的模型能夠較好地預(yù)測(cè)通過(guò)水平裂縫網(wǎng)絡(luò)的側(cè)向流量。MOUSAVI等［7］基于4種不同質(zhì)地土壤研究了秸稈添加對(duì)土壤性質(zhì)的影響，結(jié)果表明添加秸稈可增加土壤含水率，降低土壤容重，并能夠延緩?fù)寥懒芽p的形成。TABUCHI［8］研究表明不同強(qiáng)度降雨條件下土壤裂縫能顯著增大入滲量，并且提供優(yōu)先通道。LIU等［9］研究了多變量對(duì)開(kāi)裂水稻土入滲速率的影響，表明入滲速率隨著裂縫吸水閉合而減小，甚至低于原狀土。文獻(xiàn)［10］研究表明，稻稈還田能夠有效地減小稻田土壤裂縫的數(shù)量、寬度以及深度，從而間接阻斷稻田水分流失通道，提高農(nóng)田水分有效利用系數(shù)，達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。MILLER等［11］和NUR等［12］認(rèn)為干濕循環(huán)能顯著增大裂縫的強(qiáng)度因子，且裂縫的位置不會(huì)隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行而改變。楊和平等［13］表明干濕循環(huán)僅影響部分土壤裂縫的幾何參數(shù)，第一次循環(huán)能顯著增大裂縫寬度、深度及裂縫率。蔡光華等［14］發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)能提高土壤開(kāi)裂程度，增加裂縫數(shù)量。BLAKE等［15］采用水流標(biāo)記法研究了土壤干縮裂縫的水分補(bǔ)償效應(yīng)。ZHANG等［16］分析了不同條件下水稻土裂縫干濕循環(huán)能夠增大水流入滲率，但僅限于犁底層之上。HUANG［17］應(yīng)用數(shù)學(xué)方程分析的方法表明多孔介質(zhì)隔層將產(chǎn)生不穩(wěn)定濕潤(rùn)鋒。FAVRE等［18］研究了水稻土在不同給水條件下的膨脹規(guī)律，發(fā)現(xiàn)裂縫優(yōu)先流在土壤吸水中并不是一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的物理過(guò)程。張展羽等［19－20］結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)探究了不同玉米根系含量和鹽分梯度對(duì)土壤裂縫發(fā)育的影響以及多級(jí)干濕循環(huán)對(duì)農(nóng)田土壤干縮裂縫演變特征的影響，明晰了干濕循環(huán)下農(nóng)田土壤裂縫網(wǎng)絡(luò)開(kāi)閉規(guī)律。綜上所述，目前對(duì)于土壤裂縫的發(fā)育規(guī)律以及垂直方向的優(yōu)先流已經(jīng)有較為系統(tǒng)的研究，但是對(duì)土壤裂縫非飽和水平吸滲特征還未進(jìn)行深入的定量化研究。

本文結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，通過(guò)對(duì)黃褐土土壤試樣添加不同密度秸稈進(jìn)行裂縫培養(yǎng)和水平自由吸滲試驗(yàn)，基于測(cè)定的不同入滲參數(shù)定量分析均質(zhì)薄層土與裂縫網(wǎng)絡(luò)存在時(shí)的入滲差異性，明晰裂縫吸水閉合動(dòng)態(tài)過(guò)程濕潤(rùn)鋒的推移傳輸機(jī)理，揭示裂縫網(wǎng)絡(luò)下復(fù)雜的非飽和入滲特征，以期為揭示變固相骨架下的非飽和水分運(yùn)移規(guī)律，指導(dǎo)農(nóng)田精量灌溉，提高農(nóng)田灌溉效率提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土樣取自河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)田(31.86°N、118.60°E，海拔高度8 m)的旱地土壤表層(0～20 cm)，該地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候，以丘陵地貌為主。供試土壤田間持水率為 31.5%，凋萎系數(shù)15.0%，依據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分類(lèi)方法進(jìn)行土壤分類(lèi)，土壤理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤物理特性Tab．1 Physical properties of tested soil

為了達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期效果，去除土壤中植物殘留的根系及石塊等雜物，將試驗(yàn)用土先過(guò)8 mm金屬網(wǎng)篩后置于通風(fēng)處自然風(fēng)干，再將風(fēng)干土過(guò)3 mm金屬網(wǎng)篩進(jìn)行二次篩選得到均質(zhì)土樣以備待用。本文中的秸稈為水稻稈，稻稈取自河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)田，去除稻稈干葉，用卷尺測(cè)量稻稈長(zhǎng)度并記錄，用剪刀將稻稈進(jìn)行剪切，每段長(zhǎng)為3 cm待用。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中稻稈密度取0、0.5、1.0、1.5 cm/cm3，分別用以模擬無(wú)作物、拔節(jié)期、灌漿期及成熟期土壤中作物根系密度［21］，記為CK、A、B、C，每組試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)稱(chēng)取待試土樣6 400 g并按試驗(yàn)設(shè)計(jì)取稻稈密度添加至土樣中，攪拌均勻，按原容重回填至有機(jī)玻璃裝置中央?yún)^(qū)域邊長(zhǎng)為40 cm的正方形位置，回填厚度為32mm，每鋪10mm用橡膠錘均勻夯實(shí)，并且在回填下一層時(shí)將其下層土樣表面進(jìn)行打毛處理，以避免上下土層之間出現(xiàn)結(jié)構(gòu)和水動(dòng)力學(xué)特性突變等不必要的內(nèi)邊界［22］，減小對(duì)裂縫發(fā)育及入滲過(guò)程的影響。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig．1 Schematic diagrams of experimental setup

試驗(yàn)裝置由馬氏瓶、供水室、儲(chǔ)土室、數(shù)碼相機(jī)組成(圖1)。水平吸滲試驗(yàn)左端設(shè)定為第一類(lèi)邊界條件(無(wú)壓飽和邊界)，右端為自由出流邊界。試驗(yàn)中采用馬氏瓶提供固定水頭將水流輸送至供水室，水頭水位控制與土壤試樣高度平齊，供水強(qiáng)度取決于試驗(yàn)土樣的入滲性能。整個(gè)入滲過(guò)程采用數(shù)碼相機(jī)定時(shí)拍照記錄水分運(yùn)移過(guò)程以及表面裂縫遇水閉合過(guò)程并且記錄相機(jī)拍照時(shí)刻馬氏瓶相應(yīng)讀數(shù)，當(dāng)所有土樣浸水濕潤(rùn)裝置右端出流時(shí)，入滲過(guò)程結(jié)束。當(dāng)入滲結(jié)束時(shí)，采用保鮮膜覆蓋儲(chǔ)土室，使土樣充分吸水飽和，24 h后揭開(kāi)保鮮膜，用電子秤監(jiān)測(cè)各處理土樣的含水率。此時(shí)干燥試驗(yàn)開(kāi)始，控制實(shí)驗(yàn)室溫度為(25±2)℃，相對(duì)濕度為50% ±10%，當(dāng)土樣表面出現(xiàn)穩(wěn)定裂縫，每隔8 h進(jìn)行含水率測(cè)定，連續(xù)3次監(jiān)測(cè)土樣質(zhì)量相對(duì)變化在±0.3%時(shí)，認(rèn)為土樣干燥完成，裂縫發(fā)育已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。試驗(yàn)過(guò)程可近似看作水平二維平面入滲，忽略重力對(duì)本試驗(yàn)的影響。

試驗(yàn)所用電子秤型號(hào)為香海XH-8301，量程60 kg，精度為1.0 g;所用相機(jī)為Canon EOS 60D，分辨率5 184像素×3 456像素。為確保所得圖像拍攝距離、位置以及環(huán)境等外部因素的一致性，將相機(jī)調(diào)整為AV模式，用相機(jī)三腳架在固定位置安裝固定相機(jī)，同時(shí)將相機(jī)閃光燈關(guān)閉且遮蔽實(shí)驗(yàn)室外界光源，僅使用日光燈進(jìn)行均勻照射。

1.3 數(shù)字圖像處理及數(shù)據(jù)提取

1.3.1 裂縫圖片處理

為了消除試驗(yàn)裝置邊緣對(duì)土壤裂縫的影響，采用Photoshop CC2014軟件的動(dòng)作路徑功能進(jìn)行裂縫圖像裁剪的批量高效預(yù)處理，以裝置中央?yún)^(qū)域中心為裁剪參照點(diǎn)，得到儲(chǔ)土室中央?yún)^(qū)域38 cm×38 cm作為研究區(qū)域，所對(duì)應(yīng)的圖像分辨率設(shè)置為254像素/in。結(jié)合Matlab 2014a圖像處理及形態(tài)學(xué)算法模塊，采用張展羽等［19］提出的裂縫數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行裂縫幾何參數(shù)的批量提取。處理基本方法為圖像預(yù)處理、灰度化、二值化、去除雜點(diǎn)、骨架提取、裂縫分割以及數(shù)據(jù)輸出等。

1.3.2 濕潤(rùn)鋒圖片處理

將得到的水平入滲過(guò)程圖像導(dǎo)入 Photoshop CC2014進(jìn)行上述批量預(yù)處理步驟，在數(shù)字圖像中，因吸水濕潤(rùn)區(qū)域相較于干燥區(qū)域顏色更為灰暗，其反映在灰度圖像上為濕潤(rùn)區(qū)域灰度更接近于零，因此可以利用灰度來(lái)自動(dòng)化識(shí)別濕潤(rùn)區(qū)域與干燥區(qū)域。預(yù)處理所得圖片為RGB圖像，將其轉(zhuǎn)換為灰度圖像，為了進(jìn)一步增強(qiáng)濕潤(rùn)區(qū)與干燥區(qū)的邊界，適當(dāng)調(diào)整圖像對(duì)比度，采用自適應(yīng)閾值分割的方法進(jìn)行圖像二值化處理，初步得到水平入滲過(guò)程圖像。

1.3.3 裂縫及入滲參數(shù)提取

通過(guò)對(duì)上述處理所得二值圖像進(jìn)行Matlab編程計(jì)算，得到土壤裂縫穩(wěn)定形態(tài)幾何參數(shù)及入滲過(guò)程相關(guān)參數(shù)如下:

裂縫面積密度

式中 Rc——裂縫面積密度，%

Ai——單裂縫i的面積，cm2

A0——研究區(qū)域面積，cm2

n——研究區(qū)域裂縫總條數(shù)

裂縫長(zhǎng)度密度

式中 Lc——裂縫長(zhǎng)度密度，cm/cm2

Li——單裂縫i的骨架長(zhǎng)度，cm

裂縫連通度K為裂縫交叉點(diǎn)數(shù)與裂縫節(jié)點(diǎn)數(shù)之比，計(jì)算公式為

式中 Nbp、Nep——裂縫交叉點(diǎn)數(shù)與端點(diǎn)數(shù)

裂縫平均寬度定義為研究區(qū)域土壤裂縫面積與裂縫長(zhǎng)度之比，計(jì)算公式為

水平最大入滲距離(cm)計(jì)算式為

式中 bi——濕潤(rùn)峰二值圖像矩陣順?biāo)鞣较騿瘟性刂停幊逃?jì)算

水平最小入滲距離(cm)計(jì)算式為

水平入滲濕潤(rùn)面積(cm2)計(jì)算式為

式中 bw——濕潤(rùn)峰二值圖像矩陣所有元素之和，編程計(jì)算

2 結(jié)果與分析

2.1 裂縫穩(wěn)定形態(tài)

4種不同秸稈密度影響下穩(wěn)定形態(tài)裂縫網(wǎng)絡(luò)分布如圖2所示。由圖2可以看出，不同秸稈密度處理的土壤裂縫面積密度、裂縫平均寬度等均有較大的差異。

圖2 不同秸稈密度下穩(wěn)定形態(tài)裂縫分布圖Fig．2 Stable crack morphology graphs with different rice straw densities

對(duì)面積密度、長(zhǎng)度密度、連通度、裂縫平均寬度以及穩(wěn)定含水率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各參數(shù)均取3個(gè)重復(fù)的平均值，并對(duì)結(jié)果采用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行顯著性分析(表2)。結(jié)果表明，不同秸稈密度處理裂縫穩(wěn)定形態(tài)面積密度和裂縫平均寬度差異顯著(p＜0.05)，CK處理的裂縫面積密度平均值約為C處理的5倍，說(shuō)明隨著秸稈密度的增加，其錨固作用現(xiàn)象明顯，開(kāi)裂薄弱區(qū)的開(kāi)裂程度由于該秸稈-土壤顆粒之間應(yīng)力的束縛而明顯減弱，致使整個(gè)裂縫網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)支離破碎的形態(tài)，秸稈密度越大裂縫穩(wěn)定形態(tài)平均寬度和裂縫面積密度越小，添加秸稈能明顯降低裂縫的開(kāi)裂程度。

表2 裂縫穩(wěn)定形態(tài)幾何參數(shù)及含水率統(tǒng)計(jì)Tab．2 Statistics of geometry param eters and moisture content w ith stable crack morphology

2.2 土壤水分非飽和入滲特性

2.2.1 累積入滲量

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，未開(kāi)裂土和開(kāi)裂土實(shí)測(cè)累積入滲量隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖3所示。當(dāng)試驗(yàn)區(qū)土壤試樣完全浸潤(rùn)時(shí)，一個(gè)入滲過(guò)程結(jié)束。由圖3可知，同一處理開(kāi)裂土的入滲過(guò)程較未開(kāi)裂土延長(zhǎng)，對(duì)于不同處理的開(kāi)裂土，秸稈密度越小入滲過(guò)程歷時(shí)越長(zhǎng)。而對(duì)于不同處理的未開(kāi)裂土，CK處理的入滲歷時(shí)較其他3個(gè)處理明顯縮短，處理A與處理B入滲歷時(shí)相似，處理C次之。通過(guò)對(duì)比圖3最終累積入滲量可知，各處理最終累積入滲量無(wú)明顯差別(均為2 500mL左右)。由于土壤秸稈密度相對(duì)于土壤體積較小，因此對(duì)土壤入滲過(guò)程未產(chǎn)生過(guò)大的影響，而秸稈作用主要體現(xiàn)在對(duì)裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)、裂縫寬度、面積和連通性的影響，其通過(guò)改變裂縫的特征間接影響了開(kāi)裂土入滲規(guī)律。

圖3 累積入滲量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig．3 Changing trends of cumulative infiltration volume with experiment time

分析圖3趨勢(shì)表明，未開(kāi)裂土和開(kāi)裂土實(shí)測(cè)累積入滲量隨時(shí)間的變化均呈良好的函數(shù)關(guān)系，本研究采用Kostiakov經(jīng)驗(yàn)入滲模型分別對(duì)其進(jìn)行擬合

式中 I——累積入滲量，mL

t——入滲時(shí)間，s

α、β——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取決于土壤及入滲初始條件

m、n、k、s——回歸系數(shù)，與添加秸稈密度有關(guān)

d——土壤中添加的秸稈密度，cm/cm3

根據(jù)試驗(yàn)資料采用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)擬合，結(jié)果如表3所示。擬合方程決定系數(shù)均達(dá)顯著水平。

表3 回歸系數(shù)擬合統(tǒng)計(jì)Tab．3 Statistics of coefficient regression fitting

由上述結(jié)果可知，未開(kāi)裂土和開(kāi)裂土累積入滲量與不同秸稈密度存在較好的函數(shù)擬合關(guān)系，土壤添加秸稈條件下Kostiakov經(jīng)驗(yàn)入滲修正模型為

該模型揭示了添加不同秸稈密度土壤累積入滲量隨時(shí)間的變化規(guī)律，表明秸稈與土壤入滲間的密切關(guān)系，土壤累積入滲量變化受秸稈密度的影響。

2.2.2 入滲率隨時(shí)間的變化

根據(jù)不同秸稈密度未開(kāi)裂土和開(kāi)裂土入滲率與時(shí)間的關(guān)系，得到如圖4所示的入滲率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。為了研究土壤吸滲過(guò)程入滲率變化規(guī)律，將各處理未開(kāi)裂土入滲率隨時(shí)間的變化進(jìn)行趨勢(shì)線(xiàn)擬合以便對(duì)比觀(guān)察開(kāi)裂土入滲規(guī)律，對(duì)于各處理開(kāi)裂土壤，入滲率隨時(shí)間變化較為復(fù)雜，入滲初期入滲率大于未開(kāi)裂土，水分傳輸以?xún)?yōu)先流的形式進(jìn)行，入滲中期入滲率在未開(kāi)裂土入滲率趨勢(shì)線(xiàn)上下波動(dòng)，表明此時(shí)裂縫閉合入滲過(guò)程優(yōu)先流與基質(zhì)流并存相互影響，最后入滲率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。形成波動(dòng)的主要原因是由于垂直于入滲方向的縱向裂縫阻斷了水分在土壤中的連續(xù)傳導(dǎo)。入滲初期由于干燥土壤基質(zhì)吸力較大，水分入滲速率較快，因此縱向裂縫阻隔了水分傳遞，入滲出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)現(xiàn)象;而入滲中后期，由于入滲路徑變長(zhǎng)而水力梯度變小，土壤水分入滲速率變小，塊區(qū)膨脹速率優(yōu)先于入滲速率，裂縫在水分傳導(dǎo)到達(dá)之前充分閉合，水分傳導(dǎo)可看作連續(xù)的基質(zhì)流，入滲率波動(dòng)現(xiàn)象消失。觀(guān)察圖4可知，隨著土壤中秸稈密度的增加，水平吸滲入滲率數(shù)據(jù)點(diǎn)離散程度逐漸減小，開(kāi)裂土的入滲率隨時(shí)間變化越來(lái)越接近未開(kāi)裂土入滲率變化趨勢(shì)，這是由于秸稈密度增大導(dǎo)致土壤開(kāi)裂程度減小。

2.3 濕潤(rùn)鋒變異特征評(píng)價(jià)

2.3.1 濕潤(rùn)鋒不均勻性

為了定量評(píng)價(jià)并比較水分在開(kāi)裂土壤中入滲的不均勻性，4組開(kāi)裂土壤水平吸滲過(guò)程中濕潤(rùn)鋒的最大入滲距離Zmax和最小入滲距離Zmin隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示，并且引入濕潤(rùn)鋒均勻系數(shù)，定義為

由圖5可以看出，水平入滲初期4組土壤的最大入滲距離均極速增大，均勻系數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖6所示，初始均勻系數(shù)由大到小表現(xiàn)為:CK、A、B、C，表明土壤的裂縫面積密度及平均寬度越大，入滲初期的水分運(yùn)移不均勻性特征越明顯，此時(shí)水流模式呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)先流現(xiàn)象。初始時(shí)刻土壤均處于干燥開(kāi)裂狀態(tài)，裂縫寬度越大，水分在裂隙中運(yùn)移速率越快，水分以?xún)?yōu)先流的形式在土壤中快速傳輸。隨著入滲的進(jìn)行，土壤開(kāi)始閉合，最大和最小入滲距離的變化曲線(xiàn)最終閉合，二者形成閉合圈的不規(guī)則程度能定性反映吸滲過(guò)程的不均勻性。觀(guān)察均勻系數(shù)曲線(xiàn)可知，裂縫面積密度越大，吸滲過(guò)程的濕潤(rùn)鋒不均勻性特征越明顯，均勻系數(shù)隨著時(shí)間推移逐漸減小，裂縫發(fā)育程度越高，入滲中期均勻系數(shù)越大。

圖4 入滲率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig．4 Changing trends of infiltration rate with experiment time

圖5 入滲距離隨時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig．5 Changing trends of infiltration distance with experiment time

圖6 均勻系數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig．6 Changing trends of uniformity coefficientwith experiment time

2.3.2 濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率

將不同時(shí)段內(nèi)濕潤(rùn)鋒平均入滲距離與時(shí)間的比值作為該時(shí)段的濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率，得到如圖7所示的濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)。由于土體開(kāi)裂后被分割為多個(gè)獨(dú)立的塊區(qū)，在濕潤(rùn)鋒水平推進(jìn)過(guò)程中，開(kāi)裂土體中單塊區(qū)吸水膨脹，當(dāng)濕潤(rùn)鋒到達(dá)該塊區(qū)邊界時(shí)，水分傳導(dǎo)介質(zhì)被裂縫阻斷，直到周?chē)鷫K區(qū)吸水膨脹與下個(gè)塊區(qū)完全接觸時(shí)，水分傳導(dǎo)才能繼續(xù)進(jìn)行。根據(jù)濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率隨時(shí)間的變化特征結(jié)合吸滲過(guò)程的視覺(jué)描述，定性地將土壤吸滲過(guò)程分為3個(gè)階段(不同階段典型流動(dòng)模式如圖8所示):

階段Ⅰ:初始裂隙流階段。該階段濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率上下波動(dòng)劇烈變化，進(jìn)水口為飽和邊界，水流通過(guò)裂縫迅速向前推進(jìn)形成指流(圖8a)，濕潤(rùn)鋒推進(jìn)不均勻程度極大，裂縫塊區(qū)內(nèi)部為局部基質(zhì)流，入滲率主要由裂隙決定，在裂隙流推進(jìn)的過(guò)程中，裂縫逐漸閉合導(dǎo)致推進(jìn)速率放緩，當(dāng)裂隙流到達(dá)該塊區(qū)邊界時(shí)，水流傳輸通道被裂縫阻斷，暫時(shí)停滯，在垂直于水流方向同一裂縫斷面的各塊區(qū)均吸水膨脹裂縫閉合后，水流才能繼續(xù)向前推進(jìn)。該階段稱(chēng)為初始裂隙流階段，持續(xù)時(shí)間較短，約占整個(gè)吸滲過(guò)程的1/5。

階段Ⅱ:穩(wěn)滲基質(zhì)流階段。該階段同一水平各塊區(qū)吸水膨脹，濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率大致相同，整體水流以基質(zhì)流形式向前推進(jìn)(圖8b)，濕潤(rùn)鋒不均性減小，此時(shí)土壤裂隙閉合，濕潤(rùn)峰推進(jìn)速率放緩。該階段持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，約占整個(gè)吸滲過(guò)程的3/5。

階段Ⅲ:吸滲末期階段。該階段整塊開(kāi)裂土壤幾乎吸水閉合，濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率較階段II開(kāi)始逐漸減小，濕潤(rùn)鋒在同一剖面上基本形成類(lèi)似未開(kāi)裂土的水平推進(jìn)(圖8c)。該階段持續(xù)時(shí)間約占整個(gè)吸滲過(guò)程的1/5。

圖7 濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig．7 Changing trends of average wetting front advance rate with experiment time

圖8 水平吸滲典型流動(dòng)模式圖Fig．8 Typical flow patterns of horizontal water flow

3 結(jié)論

(1)添加秸稈影響土壤裂縫穩(wěn)定形態(tài)裂縫發(fā)育程度。當(dāng)秸稈密度由0 cm/cm3增加到1.5 cm/cm3時(shí)，土壤裂縫面積密度和裂縫平均寬度分別減小為1.73%、0.071 cm，且二者組內(nèi)差異均達(dá)到顯著水平，表明添加秸稈能明顯降低裂縫的開(kāi)裂程度。

(2)土壤裂縫面積密度與裂縫平均寬度越大，其水平吸滲過(guò)程歷時(shí)越長(zhǎng)，對(duì)開(kāi)裂土最終累積入滲量無(wú)明顯影響;秸稈密度越大，土壤開(kāi)裂程度越小，開(kāi)裂土入滲過(guò)程優(yōu)先流現(xiàn)象削弱，開(kāi)裂土壤入滲率隨時(shí)間的變化產(chǎn)生波動(dòng)現(xiàn)象，且越來(lái)越小最終趨向于穩(wěn)定;未開(kāi)裂土和開(kāi)裂土累積入滲量隨時(shí)間的變化關(guān)系符合Kostiakov經(jīng)驗(yàn)入滲模型，擬合方程決定系數(shù)達(dá)到顯著水平。

(3)引入濕潤(rùn)鋒均勻系數(shù)對(duì)水平吸滲不均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)，土壤裂縫的面積密度及裂縫平均寬度越大，入滲初期的水分不均勻性特征越明顯，均勻系數(shù)隨著時(shí)間推移逐漸減小;根據(jù)濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率隨時(shí)間的變化特征，可以將水平吸滲過(guò)程分為3個(gè)階段:初始裂隙流階段、穩(wěn)滲基質(zhì)流階段和吸滲末期階段。

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Characteristics of Unsaturated Horizontal Infiltration in Desiccation Cracks Yellow Cinnamon Soil

ZHANG Zhanyu1，2FAN Shimin1，2WANG Ce1，2LIU Yang1，2QIWei1，2
(1．Key Laboratory of Efficient Irrigation-Drainage and Agricultural Soil-Water Environment in Southern China，Ministry of Education，Hohai University，Nanjing 210098，China 2．College ofWater Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China)

An indoor experiment was conducted to investigate the characteristics of the unsaturated horizontal infiltration and wetting front advance in cracked yellow cinnamon soil，by incorporating different densities of straws to simulate the different growth stages of crop root，combined with digital image processing and Matlabmorphology algorithm．The results showed that the stable forms of soil crack were significantly different in treatments of different straw incorporations(p＜0.05)．A downward trend in crack area ratio and crack width(respectively decreased to 1.73%and 0.071 cm)was observed with the increasing straw incorporation from 0 cm/cm3to 1.5 cm/cm3．Fracture area density and the average crack width of soil stable formswere significantly decreased with straw density increased．The discharge time of horizontal infiltration was affected by the degree of soil cracking．Cumulative infiltration into uncracked soil and cracking soil changed with time was in line with the empirical model proposed by Kostiakov，the parameters ofwhich were closely related to straw densities．The changes of fitting equation reached significant level．The uniformity coefficient of the wetting front was introduced to evaluate the non-uniformity of the horizontal absorption．The initial non-uniformity wasmore obviouswith the increase of soil crack area density and average crack width．The uniformity coefficient was decreased with time．The greater the crack area and the average crack width of soilwere，themore obvious the characteristics of non-uniformity in initial stage of infiltration became．According to the changing characteristics of thewetting front forward speed changed with time，the horizontal infiltration process in cracked soils can be divided into three stages:the initial stage of crack flow，the stage of steadymatrix flow and the late stage of horizontal infiltration．

soil cracks;straw incorporation;horizontal infiltration;infiltration rate;wetting front

S152.7

A

1000-1298(2017)07-0214-08

2017-04-16

2017-05-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51579069、51179050)、高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃(111計(jì)劃)項(xiàng)目(B12032)、江西省水利科技項(xiàng)目(KT201507)和江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(YS11001)

張展羽(1957—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事灌溉排水理論及技術(shù)研究，E-mail:zhanyu@hhu．edu．cn

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．027