新疆农业科学2001,53(2：21-103
Xinjiany Ag/cultkrai Sciexcas
del：14.9448/j.距/.1445-4334.9265.05.018
北疆典型土壤纵向弥散系数试验
虎胆•吐马尔白05，穆丽德尔•托伙加2，朱珠2
(0南京科学研＜7水*水资源工程(点实验*，南京219026
；
2新疆农业大学与土木工程学7,?鲁木齐830052
)
摘要：【目的】研究不同土壤质地对土壤纵向弥散系数和弥散度的影响。【方法】根据土壤物理学及水动力弥散理论，以新疆北疆较为常见的典型砂壤土、粉壤土、壤土为例,NVI为示踪剂，采用室内一维土柱垂直入渗试验测定纵向弥散系数。【结果】不同土壤质地，渗流速度越小弥散系数越小，渗流流速越
大，达到土壤溶质浓度峰值的时间越短，且峰值浓度越大。砂壤土渗流速为4.020cm/mf，纵向弥散度为658cm；粉壤土渗流速度为4525cm/mf，纵向弥散度为3.85cm；壤土渗流速度为4.415cm/mf最小，纵向弥散度为0.04 cm。【结论】尔散系数和弥散度取决于土壤质地类型与渗流流速。
关键词：耳型土壤；盐分运移；纵向弥散系数
中图分类号：S67文献标识码:A文章编号：1445-4334(2401)45-4155-08
4引言
【研究意义】弥散系数的确定一般通过室内土柱入渗以及田间弥踪或者采用水环境长期测量的行反推而获取。土壤水盐运移参述土壤中水分、盐分运移规律的基础，也是水盐运移模型的3_5］o土壤溶质运地下水环境污染的加重起着的，
渍土地的形成有着密切的⑷。【前人研究进展］Lapidks和Amundson,Nielsen3"4］和Bigger3］根立了易混合置换理论，认为溶质的通量是由、扩散和弥散的共用引起的；测定土壤溶质运移参数的含：穿透曲线法、公式法、水平土柱吸渗法、瞬时剖面法和反函数法等3「5］。研究遍探究水动力弥散现象Bevz5I960,1961-34］,Pfankuch(1966-35］。Geoffrey Tuyloz(I960) 32运用毛管束模型，对纵向弥散系数测定方法进行了探究。LinoU,Seilvz,Moser(1980)［5］运用沙柱模型通过一系列一维水动力弥，
依据测定成果研究了纵向弥DL、运滞、孔隙平均流速、6的性参数，并获的理论成果。在21世初，程金茹等32］水平土柱法测定弥；数，由水解获取研究各土的弥。翟等［5］在2007年采用
水弥推水弥，建成了粉砂土水弥与速的表达式。张银妹等34］：土，在实验室运用一维弥，随着水力坡降的增大弥散也增大的趋势。张明泉等34］以Nil为溶，采用渗4水弥散试验，研究获取砂卵石的纵向与横向弥。赵雪琼等35］采用二维弥测定，并利用直线图解法解土的纵与横弥。【研究切入点】由于不同地域存在差异性，诸多研究成果为不同地域水盐运移研究提供参数。新疆北
收稿日期(Rweh径)：2727-03-15
基金项目：药京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室“干旱绿洲连作滴灌棉田根系层盐分类累积效应与控盐模式研究”202倍mb2j；塔里木河流域管理局课题“新疆阿克苏河流域平原灌区核桃及红枣需水量研究”(TGJAKSJJG-2719KYXM0001)
作者简介：宅胆•吐马尔白(1700-5男，新疆博乐人，教授，博士，博士生导师，研究方向为土壤水盐运移及高效节水灌溉,E-mV-
2419439411@qq0hom
15553卷
疆较为常见的典型砂壤土、粉壤土、壤土的纵向弥研究鲜见报道。针疆地滴灌棉布的3种典型土壤质地进行运移参数的。【拟解决的问题】通过室内土柱垂直入渗法，研究盐分在不同质地条件下随时间的迁移规律及特点2纵向弥和弥为研究新疆北疆地区土壤水盐运移规律、模拟水提供可靠依据。
1材料与方法
1.1材料
试验于2213年5月在新疆农业大学农业水土工程实验室进行。土样采自新疆生产建设兵团石51团滴灌棉田土壤与石节水灌溉试验站土壤，试验土壤为砂壤土、粉壤土、壤土。所采集土实验室碾压、磨碎、纟过筛后分层装土，按照各土壤容重装入土柱，采用L413322型号颗析仪对土壤进行颗析。研究区土壤类别由农业部制定的土壤质地三角图划分土壤质地，即按砂粒(2〜4.45mm)6粉粒(4.45〜4.040mm)、粘粒(<4.040mm)3种粒别占据的百分含量定。表1
表1试验土壤机械组成与土壤容重
Table1Soil composiOon and soil bulk densay
研究地区ReseaaU Area 土壤质地
Soil
Testure
土壤颗粒组成Soil paPicie composihoo率
Electrical
coxnyctivitp
(uS/cm)
土壤
Soil Buld
De/sitp
:cm6、砂
(2.45-2物
SanUI%)
粉
m)(2.022〜2.25mm)
SW(%)
粘粒
(<2.022mm)
CUy(%)
51团
Regiwe/tai Farm121
石溉站
(棉、
壤土45.846.47.8169  1.882
Shihezi Universitp
Gig本写Test Statiox
(Cottox UelS Test Area)
石溉试验站
(蒸渗仪)
粉壤土35.755.98.21891  1.489
Gig本写Test Statiox of
Shihezi Universitp
(Evapotmnspimtiox meter)
砂壤土57.333.8  3.73293597
1.2方法
弥渗透和分子扩散相互的结果J2-0。水弥含量在土体中空间运移变化的，它速与有关的张量J-20]0纵向弥采用室内土柱垂直入渗法。根量守理，一维水弥散方程的定解问题可表示为：
翌“理-止
(1)
初始条件：5仏0)=50(兀<+00
C(X,t}=C00</<+OO
边界条件：5
其中，表示土壤溶液浓度(moUL),D l表示纵向弥(cm2//miu),n表示土壤有效: ,Cw溶质初始(moUL),p注入溶液的溶质浓度(moUL)：兀表示坐标(向下为正、，V代表平均孔隙流速(cm/h)。
当D l、V为常数时，利用Laplace变换求解(5模型的解析为：
(5)
如X足够大时，满足V x/D>5时，则(2)式简化为2
其中0°为标准正态分布函数，对应的正态分布函数001(")为
：
5期虎胆・吐马尔白等：北疆典型土壤纵向弥散系数试验23
00.1兀一〃
=00.1(-1)=1・60•
用土壤盐分和电导率的关系，获取土壤盐分和时
间的变化参数。图5
00.1
兀一〃=001(1)=0.84•
对于某一时刻P，若定义相对浓度由c-f=016外的点为％.16O,C-5=084外的c0~c w c0-c w
盐分传感器盐分溶液
X
盐分溶液
出水口
图5纵向弥散试验装置
Fig.5Equinment fcr longitodinal
dispepion experiment
点为兀0.840，据"莎)求出弥散系数D l:
纵向弥散系数◎为:(4)
2结果与分析(5)
对弥散路径中的某一点X处，若定义f160和f340分别表示该点溶质相对浓度达到4.16和4.2的时间,4乞的基本公式：
z、2
D l二兀_旳0.160兀—〃0..840
(0)
当兀相对很小时,f102和f340可近似的表示为f59，可得出：
(7)2.13种典型土壤纵向弥散系数
研究表明，砂壤土、粉壤土、壤土渗流土柱初始电导率分别为34903244、4334孔/cm，室温25兀。在弥测定，记录测定各观测处的 。根据不同时刻观测点
绘制3种土壤布。图2〜7
0.8
20
距离X(cm)
1320min
1920min
4740min
zhuzhu
依据c-兀与C-F关系曲线上查出％2.16、62.84或f02、P2.340，即可求解纵向弥散系数D l。
土柱直径为05cm，长64cm，用透明玻璃制成。供水为直径05cm的马，带刻可定水龙头下自动供给溶液。供给溶质溶液浓度为4.0moPL的NaCI溶液。步骤土式与前述一样414、24、34cm处。为防止土壤流失，在有机玻璃管底部5张有机玻璃管直的滤纸。完成后，以淋洗土壤中可溶性为目的，利用马氏供给淡水，以相的
时测定观测处的率，当观测处的率与淋洗水的电导率相一致时，结束淡水淋洗。土柱水层即的时刻开始供溶液并记录时间。测定土壤盐分随时间的变化，利
图0砂壤土盐分浓度沿程分布曲线
Fig.0Salt cancentrption distrinution
curve(l ssiidy loam
图3砂壤土观测处盐分浓度随时间变化曲线Fig.8Variation l salt concenOpOon
with time d sandy
loam
15455卷
图9粉壤土盐分浓度沿程分布曲线Fig.0Sait cencentration distriOution
curve of silts loam 图7壤土观测处盐分浓度随时间的变化曲线Fig.5Variation of sait cencentration with
igmeoeeoam
c
o
g
图5粉壤土观测处盐分浓度随时间的变化曲线Fig.5Variation of sau cencentration
with time of silty loam
图9壤土盐分浓度沿程分布曲线
Fig.0Sat cencentration distriOution
tueeeoeeoam
研究表明，到1370min时，距供液5cm处的土壤 80%以上,20cm处达到65%,37cm处达到37%左右。在4749物n时14 cm处浓度达到了98%以上,20cm处达到95%以上,37cm处高于72%01720min前后时5cm 处土壤剖面盐分浓度均达到了9C%06720min 前后时5cm处土壤剖面盐分浓度在85%的上下,37cm处土壤盐分浓度在5%左右。7560 min时6个观测孔处盐分浓度均达到了01%0R 壤土整个土壤先接近供液浓度，其次是粉壤土、壤土。随着溶液入渗时间延长，整个土壤的处均。土壤离供液，土壤，距离越远土壤。为土壤部参与累积，一部随溶液运
，随着入渗时间延长土壤处和状，供液运移速率放缓。
砂壤土中的弥散是一个渐变过程，整个观测处的含量，最初是缓慢上升，而后急剧增高，再后新缓慢地增加2段时间后达定含量014c m处现时间比20cm与法cm处早。盐分浓度峰值大小依次为14cm>20cm>37cm，是由于14cm处离供液较近，供液注入后先迁移至5cm处，然后到达
的观测处。壤土比粉壤土与砂壤土盐分浓度随时间弯，盐分溶液在壤土中不易扩散，达到供液所需的时间长。土壤
度峰值大小依次为10cm高于20cm高于30cm 处。土壤离供液距离远,0
由
1期虎胆•吐马尔白等：北疆典型土壤纵向弥散系数试验105
于盐分溶液在土壤中运移时，盐分溶液的扩散作用，导致土壤，并在土壤形成4随迁离的延长而不断降低。土壤的时间和峰值浓度的大小主要取决于渗流流速的大小，渗流流速土壤的时间越短，且峰值
之土壤的时间越长，峰值浓度越低。图4~7
2.23种典型土壤纵向弥散系数的确定
根据弥散基本理论，观测处盐分浓度与时间的变化曲线的特征，可选择通过2274、222］或U762、f542、6个分位点，并基本上具有以25或P.5点的曲线，利用公式(5)或公式(7)韋纵向弥D与弥V。表0
表03种土壤纵向弥散系数
Table2caUuUOon esuUs oi Ungnhdinal dnuePion coeqldenO oi thee soils
土壤质地Soil Texture
测处距离
Observation
Distance
供液与
渗流速度
Liquid Supply
Coxcextratiox and
Seepage Velocity
p16
(mng)
p52
(mng)
p5
(mng)
弥散系数
DispersCu
Coefficient
D l(cm7/min)
弥散度
Degree of
dispe散防
l(cm)
砂壤土Sandy Loam I(19cm)
0.2mol/L
0.021cnimin
38014808300.05212088
粉壤土Silty Loam I(19cm)
0.2mol/L
0.027cm/min
444172710550.0772  3.85
壤土Lonm I(19cm)
0.2mol/L
0.011cm/min
1400302527800.02092044
3讨论
已有研究表明，水弥散系数是综合反映溶质和土壤特性的参数，其密切联
和溶质的性质以及受水流速度和含水率的影响［］。开展水弥研究，对于研究盐碱地水盐运测、地下水资源保护以及化肥、农药及属在农田的运移规律，是一个不可或的参数35"2］。
采用室内土柱垂直入渗法确定纵向弥散系数。Nil因成本低、纟测、不易吸随水运动性良好和性定的特点。用NaCI作为示踪定注入严格控制的风干土土柱，根据溶土壤中运移时，通过某截面的相对浓度(C-C w j/jC。-C”)与时间和距离的关系曲，反映溶非饱和土壤中运。研究认为由于尺度效应和土壤质地等，土壤中溶质运移的弥随溶质运移的距离和渗流速
变化。这与Hu径n K畐yn Genuchtex M T盐1996)及张银妹等(2014)研究结果一致［2,05］。不同质地土壤在土层深度19cm范围中，相度处定状态,7cm深度以下相降低，这是由于土壤用下，越来越密实，延缓溶液在土壤中的穿透，造成相随着土壤深度增加而减小，随着时间变化先急剧增加再趋定的现象。而砂壤土砂砾含量较多，粘含量较少，土壤不易形成团聚体，分子扩散增强，溶液在土壤中的穿透快，导致相变化趋壤土和粉壤土缓相定的时间短。
采用室内土柱垂直入渗法求解纵向弥散系数，根量守恒原理，研究水弥程的定解问题。，试验操单4筍便，数据可靠且有所，对北疆8种典型土壤求解水弥的效果。室内
为提供4土壤的不均质的且具有水和溶质迁移的［2］，还
展测定野外田间的纵向弥研究。
4结论
4.1土柱垂直入渗法测定一维纵向弥散系数试验数据较分散，对土柱的和的测定高。利用弥散基本理论，在室内进行纵向弥可行的，所得弥与前人研究结果接近，其可信的，可作为预测地下水污染和土壤溶运的参。