蒸发条件下夹砂层土壤水盐运移实验研究

论文题目: 蒸发条件下夹砂层土壤水盐运移实验研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 水文学及水资源

作者: 史文娟

导师: 沈冰,汪志荣

关键词: 夹砂层土壤,毛管水分运动特性,蒸发强度,返盐量,盐分分布,离子运动特性,理论计算

文献来源: 西安理工大学

发表年度: 2005

论文摘要: 由于涉及水资源、农业、环境等诸多方面的问题,土壤中水和溶质运移的研究历来为人们所重视。本文针对我国西北地区土壤剖面多呈层状和春季强烈返盐季节土壤多处于裸露状态的特点,以室内土柱模拟实验为主,研究同一潜水位和矿化度(3g/l)条件下不同大气蒸发能力时夹砂层强化盐渍土壤的水盐运动规律及其迁移机制。实验分毛管水上升和水分蒸发两个阶段进行,主要分析了砂土层厚度、层位、质地等因素对水盐运动的影响及作用机制,所得主要结论如下:1. 均质土毛管水上升速度和地下水补给速率均与时间呈非线性幂函数关系,二者之间可近似为线性关系,其斜率表示此期间土壤剖面含水量:变化量。入渗条件下的Green-Ampt模型也可用于模拟地下水埋深较浅时均质土壤毛管水分运动特性。2. 与均质土相比,砂层对毛管水的上升既有促进也有抑制作用。具体情况取决于砂层的层位。在本实验条件下,砂层的层位大于5cm(相对层位为0. 1) 时,砂层会抑制水分运动。经分析认为,砂层层位对水分蒸发由促进到抑制的转折点为砂土和壤土导水率的相对大小发生变化之时。此外,砂层的抑制作用随砂层层位的升高、厚度的增加以及级配的变差而增大。3. 夹砂层土壤毛管水最大上升高度以及各层土壤含水量的分布是否会受到影响主要取决于砂层的质地、层位、厚度及其相互间的关系,同时还与同剖面中其它土壤的质地有关。其它土壤质地一定时,若砂层的有效粒径或不均匀系数满足西安理工大学博士学位论文Dlo之1 4.0632一1462尸三0 .06821261则毛管水的最大上升高度以及各层土壤含水量的分布均会被抑制。 4.对于盐渍土的蒸发来说,由于盐壳形成后对水分蒸发的抑制,不同大气蒸发能力条件下地下水埋深为50cm时,短历时(<15d)的潜水蒸发为稳定蒸发,而长历时(>15d)则为非稳定蒸发。对于盐渍土潜水稳定蒸发强度的计算,阿维里杨诺夫公式不再适用,而清华大学雷志栋公式较好。同时也可估算不同大气蒸发能力条件卜的非稳定蒸发强度,但两种情况下公式中系数刀的下限值均比规定值小,需要做近一步调整。 5.砂层对潜水蒸发强度、土表返盐量以及盐溶液浓度的影响与砂层对毛管水上升速度的影响规律基本相同,当砂层层位大于35cm(相对层位为0.7)时,砂层对水盐的抑制作用可达70一80%。同时盐分在土砂上下界面均有滞留现象,且砂层层位越高或有效粒径越大,其滞留量越大。因而砂层对盐分的抑制率大于对水分的抑制率。这对于盐碱地的改良和作物的生长非常有利。 6.以均质土壤潜水稳定蒸发强度计算模型为基础,建立了适用于不同蒸发能力条件下各层位夹砂层土壤以及同层位不同质地夹砂层十壤稳定蒸发强度计算的雷志栋公式,并提出其非稳定蒸发强度计算的方法及条件。砂层的相对层位和相对有效粒径可分别作为预测不同层位和质地夹砂层稳定蒸发强度的重要参数。 7.不同大气蒸发能力时各层位夹砂层土壤以及不同质地夹砂层土壤土表Zcm和10cm的累积蒸发量与全盐量呈明显的线性关系,但层位人于35cm(相对层位为0.7)的夹砂层土壤应与小于35cm的夹砂层土壤分别进行处理。 8.砂层对不同离子运动的影响不同。对地下水和土壤中均存在的Na+和Cl一而言,其表聚情况最为强烈,同时受砂层的影响也最人,且在蒸发后期砂层对Na+的抑制作用大于cl一。对于仅土壤中存在的50户、ca2+和HcO3一三种离子来说,随水分向上迁移的主要是5042一和ca2+,且砂层层位的变化对ca2+的影响更大一些;而HCO3一则不随水分而运动,即砂层对HC03一无明显影响,但不同处理在接近地卜水位处出现了次生碱化的现象(即HC03一含量明显增大),且随蒸发历时的延长以及大气蒸发能力的增加而加重。外界大气蒸发强度越大,砂层对离子的抑制作用越大。 9.均质土壤剖面Cl一和全盐量之间呈线性关系,而Na+与全盐量则旱_对数函数摘要关系,且离子与全盐量的关系不受大气蒸发能力影响;不同层位夹砂层土壤剖面全盐量和两种离子的关系与均质土相同;不同质地夹砂层土壤剖面全盐量与Cl’呈指数型关系曲线,而与Na+呈直线关系。同一大气蒸发能力条件下离子与全盐量的关系不受砂层层位以及砂层质地的影响。 10.敏感性分析结果表明,忽略参数b将使理论计算的潜水极限蒸发强度比实测值大,且土壤质地越轻,忽略参数b时所计算的潜水极限蒸发强度越大;同一质地时,则参数b的大小对潜水极限蒸发强度的影响与潜水理深有关。对于盐渍土来说,由于盐壳的影响,理论计算的潜水极限蒸发强度均比实测值大。 11.将层状土壤各土层以均质土来看待,并以此为基础来计算层状土壤的稳定蒸发强度,对于层位较低的夹砂层土壤较为适用,但对于层位较高的夹砂层土壤还必须考虑砂层对水分的“阻抗作用”,否则会产生较大的偏差。以上研究结果对于预测层状土壤稳定蒸发强度、防止次生盐碱化,以及灌溉和排水的设计均有重要作用。关键词:夹砂层土壤;毛管水分运动特性;蒸发强度;返盐量;盐分分布:离子运动特性;理论计算。本研究得到国家自然科学基金项目《黄土区土壤溶质迁移机制及祸合模型研究))(59879022)和《西北地区城市雨水利用及其生态环境效应》(40271022)?

论文目录:

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 入渗条件下层状土壤水分和溶质运移研究现状

1．2．1 “垆盖砂”层状土壤水分和溶质运移研究动态

1．2．2 “砂盖沪”层状土壤水分和溶质运移研究动态

1．3 蒸发条件下层状土壤水分和溶质运移研究现状

1．3．1 蒸发条件的模拟和数据采集方法

1．3．2 潜水蒸发的经验公式

1．3．3 层状土壤毛管水的上升规律

1．3．4 夹层土质对土壤水蒸发强度和土体积盐的影响

1．4 层状土壤水盐运移的数值模拟

1．5 存在问题

1．6 本论文研究内容及方法

1．6．1 研究内容

1．6．2 研究方法和技术路线

1．7 本章小结

2 实验研究方法

2．1 实验设计

2．1．1 实验装置

2．1．2 实验方案

2．2 实验测定项目及方法

2．2．1 测定项目

2．2．2 测定方法

2．3 本章小结

3 层状土壤毛管水上升的实验研究

3．1 实验方法

3．2 实验结果

3．2．1 均质土壤的毛管水分运动特性

3．2．2 夹砂层土壤毛管水分运动特性

3．2．3 砂层对毛管水分运动特性影响的机理分析

3．3 本章小结

4 蒸发条件下夹砂层土壤水盐运移规律研究

4．1 实验方法

4．1．1 实验的设计及方法

4．1．2 蒸发开始时间的确定

4．1．3 实验过程中测定的参数及方法

4．2 结果分析

4．2．1 均质土壤的潜水蒸发特性分析

4．2．2 夹砂层土壤潜水蒸发特性分析

4．2．3 不同大气蒸发能力条件下潜水蒸发强度与砂层各因素的定量关系

4．2．4 砂层对土体积盐和土壤剖面盐分分布的影响

4．2．5 土表返盐量与累积蒸发量的关系

4．2．6 夹砂层土壤剖面盐分离子的动态变化特性

4．2．7 各离子含量与土壤总盐量之间的关系

4．3 本章小结

5 夹砂层土壤影响水盐运移特性的理论分析

5．1 潜水蒸发与土壤质地的关系

5．2 潜水蒸发与土壤层次排列的关系

5．3 潜水蒸发与砂层层位和厚度的关系

5．3．1 砂层层位对潜水蒸发影响的理论分析

5．3．2 砂层厚度对潜水蒸发影响的理论分析

5．4 潜水蒸发与砂层质地的关系

5．4．1 潜水蒸发与砂层级配的关系

5．4．2 潜水蒸发与砂层粒径的关系

5．5 潜水蒸发与土壤剖面温度梯度的关系

5．5．1 不同大气蒸发条件下均质土壤剖面的温度变化特征

5．5．2 夹砂层土壤剖面温度的变化特征

5．6 本章小结

6 层状土壤蒸发强度的理论计算方法

6．1 稳定蒸发条件下的水分运动

6．2 均质土壤蒸发强度的理论分析及计算

6．2．1 均质土壤稳定蒸发强度的理论分析

6．2．2 均质土壤稳定蒸发强度和极限蒸发强度的理论计算

6．2．3 均质土壤潜水极限蒸发强度计算模型的参数敏感性分析

6．3 层状土壤蒸发强度的理论分析与计算

6．3．1 层状土壤稳定蒸发的理论分析

6．3．2 层状土壤潜水极限蒸发强度的理论计算

6．4 本章小结

7 结论和讨论

7．1 主要结论

7．2 讨论

致谢

参考文献

附录

发布时间: 2005-05-10

蒸发条件下夹砂层土壤水盐运移实验研究

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