土壤入渗过程中空气压力变化规律的研究李援农，吕宏兴，林性粹（西北农业大学水利与建筑工程学 院，陕西杨陵７１２１００）摘要用测压入渗仪对重粉质粘土进行了模型试验，同时根据试验结果 ，分析研究了垂直—维均匀土壤内气阻压力的变化规律。关键词水平畦灌，重粉质粘土，垂直—维 土壤入渗，土壤气阻压力中图分类号Ｓ２７５．３水平畦灌是一种新的地面灌水方法，灌水时需采 用较大的入畦单宽流量，以使水流从畦口到畦尾的推进在较短的时间内完成。由于水流快速推进过 程中土壤空隙内的大量空气来不及排出而受到压缩，受压缩的空气将对水向土中入渗过程产生阻滞 作用。因此，在研究水平畦灌法的水流推进及水向土中入渗的运动规律时，必须考虑土壤空气阻力 的影响。对于一般地面灌水方法水流推进慢，空气阻压力可以忽略￣［１］。１试验材料和试验装 置１．１试验材料试验用土取自西北农业大学灌溉站农田，其颗粒组成：粒径＜０．０５０ｍｍ的 土占土粒重９６％；粒径为０．０５０～０．００５ｍｍ的土粒占总土粒重７６％；粒径＜０．０ ０５ｍｍ的土粒占土粒总量的２０％（比重计法）；土壤干容重为２．７１５ｇ／ｃｍ＿３（比重 瓶法），属重粉质粘土￣［２．３］１．２试验装置试验测压入渗仪装置由供水器、实验土柱和测 压管排３部分组成，如图１所示。它具有能准确测定入渗过程中土壤内空气压力大小，而又不会引 起土壤容重、空气压力等的变化，并可同时测定其入渗速度和入渗峰面位置等特点。２试验处理设 计２．１试验因素及水平为研究均质裸土表面一定水层下，垂直一维入渗中的土壤空气压力的变化 规律，本研究选择了干容重、初始土壤含水率（简称含水率）、土面上水层深度和灌水量４因素， 其因素水平如表１所示。国家自然科学基金资助项目３．２试验处理设计为了研究垂直一维土壤入 渗过程中空气阻力的形成、持续及消散规律，以及土壤空气压力在土壤内各深度处的分布情况，上 述４因素采用二次旋转回归正交组合方法设计。３试验结果及其分析３．１恒定水头情况３．１． １土壤干容重不同时空气压力变化规律试验土壤干容重选用表２的水平。以土壤含水率１２％，土 面水层深度９ｃｍ，干容重不同的试验结果（图２）为例分析如下：干容重为１．３０ｇ／ｃｍ￣ ３时，在最初３ｍｉｎ内，土壤空气压力（以下简称压力）增长很快；当压力达到１３９２．５４ Ｐａ，土壤释放空气，从而促使压力降低到１２７４．８６Ｐａ；之后压力逐渐升高，又达到１３ ７２．９３Ｐａ，再次放气；入渗时间约２０ｍｉｎ以后，压力在１１７６．８０Ｐａ附近上下波 动，并间断释放空气，入渗过程中压力一直保持连续变化规律。干容重为１．４０ｇ／ｃｍ￣３时 ，在入渗２２ｍｉｎ内，压力一直升高，达２１９６．６９Ｐａ时开始释放空气，压力降低到１９ ３１．９１Ｐａ，又逐渐升高。入渗时间在２８ｍｉｎ时，压力达最大值２２１６；３０Ｐａ，释 放的空气经土壤表面逸出，当压力降低到１４７１．００Ｐａ时又开始升高。入渗时间大约在４０ ｍｉｎ之后，压力在１７６５．２０Ｐａ上下微小波动（作者把这一压力称稳定空气压）。从图２ 看出，土壤干容重越大，空气压力最大值越大，所用时间也越长，并且同入渗历时的压力也大。这 是因为，土壤干容重较大时，土壤相对较密度，土壤内空气的运动受到入渗水阻力作用的同时，也 受到较多土壤颗粒的阻力作用，使土壤内空气移动和释放空气更困难，因而排气压力和土壤内空气 压力增大。３．１．２土壤初始含水率不同时空气压力变化规律通过试验，获得了含水率４％、８ ％、１２％、１６％和２０％５个水平的试验结果。其中含水率８％和１６％的试验结果见表２； 由表２看出，土壤含水率较小时入渗过程中空气压力较大，排气压力和最大空气压力也较大，这是 因为土壤含水率越小，土壤基质势越小，毛管力越大，入渗越快￣［４］。３．２不同上面水层深 度空气压力变化规律以土面水层深度３ｃｍ和９ｃｍ为例（图３）分析如下：土面水层越深，土壤 内的空气压力、排气压力和最大空气压力越大。由图３看出，土面上水层深度越大，入渗过程中土 壤最大空气压力、最大排气压力及近似稳定的空气压力均较大。这是因为，土面水层深度相对较大 时，土壤释放空气时除了要冲破入渗水和土壤颗粒的阻力外，还冲破较厚的水层，因此土壤的排气 压力较大，最大空气压力和近似稳定时压力也较大。３．３水层消退时的土壤空气压力变化规律当 灌水定额不能保证供水器充分供水，入渗是土面上水层消退情况下的入渗，水层消退时的土壤空气 压力变化测试的两种情况是：①当供水器的供水量与建立土面水层用水量之和为灌水定额时，供水 器停止供水，入渗完全是土面水层消退情况下的入渗，观测入渗过程中土壤空气压力及变化；②灌 水定额等于土面水层深度建立时所用水量，入渗完全是土面水层消退情况下的入渗，观测入渗过程 中土壤空气压力及变化。结果见图４。第一种消退情况（图４），水层消退时空气压力并不是呈降 低趋势，压力大小与原上面水层深度有关，消退过程中土壤释放空气，压力降低，之后又缓慢升高 ，直到下周期放气开始；当土面水层消退完时，土壤空气压力很快消失。第二种消退情况（图４） ，土面水层消退过程中压力变化规律同第一种情况。３．４入渗过程中土壤空气压力分布规律试验 时作者用３个测压管分别观测了土壤内１０ｃｍ、２０ｃｍ和３０ｃｍ三个深度的空气压力，结果 如图５所示。土壤不同深度处的空气压力值基本相等，并具有同时升高和降低的特点，呈现出同一 规律变化。这是因为，在封闭的土壤内，土面上水层把大气与存在于土壤内的空气分隔开，土壤内 空气呈一整体，相互连通，在入渗水压缩土壤内空气时，３个位置处的压力同时升高，当土壤经整 体表面释放空气，压力同时降低。，因此３个位置处的空气压力呈现出同一变化规律。但是当土壤 内某一深度处有一致密层时，致密层使土壤分成“均匀十致密十均匀”，致密层下的土壤空气压力 在入渗过程中有时会很大，试验中测得的最大空气压力达２．３５×１０￣４ｐａ水柱高。这一现 象出现时，土壤入渗基本停止。造成这种现象的主要原因是当水入渗到致密层时，水与致密阻层断 下层土壤向上排气，土壤内的连通性被破坏，入渗时致密层以下的土壤空气压力不断升高。４结论 １）入渗过程中土壤空气压力与很多因素有关，如果某一因素使土壤排气困难，则入渗过程中土壤 空气压力就较大；２）入渗过程中均质土壤内各点的空气压力基本相等，并呈同一变化规律；３） 上面水层消退过程中土壤空气压力变化规律与恒定上面水层深度时入渗变化规律接近，当上面水层 消退完时，土壤内空气压力很快消失。参考文献｜｜１Ａ．Ｈ布达戈夫斯基著；徐在庸译．水向土 中入渗．北京：水利出版社，１９５７２武汉水利电力学院主编．土力学及岩石力学．北京：水利 出版社，１９８２３土工试验规程，ＳＤ１２８－８４．北京：水利电力出版社，１９８７４雷志 栋等编．土壤水动力学．北京：清华大学出版社，１９８７ＲｅｇｕｌａｒｉｅｓｏｆＡｉｒＰｒ ｅｓｓｕｒｅＣｈａｎｇｅｓｉｎＳｏｉｌＩｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎＬｉｎＹｕａｎｎｏｎｇＬ ｕＨｏｎｇｘｉｎＬｉｎＸｉｎｃｕｉ（Ｔ０ｈｅＣｏｌｌｅｇｅｏｆＨｙｄｒａｕｌｉｃａｎｄ ＡｒｃｈｉｔｅｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＡｇｒｉｃｕｌ ｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ７１２１００）＝Ａｂｓ ｔｒａｃｔＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｎｔｈｅｈｅａｖｙｌｕｖｉｃｃｌａｙｗａｓｃｏｎ ｄｕｃｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｆｉｌ－ｔｒａｍｅｔｅｒ，ｗｉｔｈｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏ ｆｗｈｉｃｈ，ｔｈｅｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓｏｆｔｈｅａｉｒｐｒｅｓｓｕｒｅｃｈａｎｇ ｅｉｎｖｅｒｔｉｃａｌｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｓｏｉｌｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｋｅｙｗ ｏｒｄｓｔｈｅｌｅｖｅｌｂａｓｉｎｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ，ｔｈｅｈｅａｖｙｌｕｖｉｃｃｌ ａｙ，ｖｅｒｔｉａｌｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｓｏｉｌｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｏ ｉｌａｉｒｐｒｅｓｓｕｒｅ土壤入渗过程中空气压力变化规律的研究@李援农，吕宏兴，林性粹 $西北农业大学水利与建筑工程学院水平畦灌，重粉质粘土，垂直—维土壤入渗，土壤气阻压力用 测压入渗仪对重粉质粘土进行了模型试验，同时根据试验结果，分析研究了垂直—维均匀土壤内气 阻压力的变化规律。１Ａ．Ｈ布达戈夫斯基著；徐在庸译．水向土中入渗．北京：水利出版社，１ ９５７２武汉水利电力学院主编．土力学及岩石力学．北京：水利出版社，１９８２３土工试验规 程，ＳＤ１２８－８４．北京：水利电力出版社，１９８７４雷志栋等编．土壤水动力学．北京： 清华大学出版社，１９８７国家自然科学基金过程中土壤释放空气，压力降低，之后又缓慢升高， 直到下周期放气开始；当土面水层消退完时，土壤空气压力很快消失。第二种消退情况（图４）， 土面水层消退过程中压力变化规律同第一种情况。３．４入渗过程中土壤空气压力分布规律试验时 作者用３个测压管分别观测了土壤内１０ｃｍ、２０ｃｍ和３０ｃｍ三个深度的空气压力，结果如 图５所示。土壤不同深度处的空气压力值基本相等，并具有同时升高和降低的特点，呈现出同一规 律变化。这是因为，在封闭的土壤内，土面上水层把大气与存在于土壤内的空气分隔开，土壤内空 气呈一整体，相互连通，在入渗水压缩土壤内空气时，３个位置处的压力同时升高，当土壤经整体 表面释放空气，压力同时降低。，因此３个位置处的空气压力呈现出同一变化规律。但是当土壤内 某一深度处有一致密层时，致密层使土壤分成“均匀十致密十均匀”，致密层下的土壤空气压力在入渗过程中有时会很大，试验中测得的最大空气压力达２．３５×１０￣４ｐａ水柱高。这一现象出现时，土壤入渗基本停止。造成这种现象的主要原因是当水入渗到致密层时，水与致密阻层断下层土壤向上排气，土壤内的连通性被破坏，入渗时致密层以下的土壤空气压力不断升高。４结论１
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