CN107957390A - 一种模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法 - Google Patents

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    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials

Abstract

本发明公开了一种模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法，包括：采用取样管对农田土壤进行原状土取样，并在管壁与管内土柱之间缝隙注入溶解石蜡；在每个土柱表面铺设一层80目钢丝网并铺上碎石层；对每个土柱进行灌溉，使土柱表面形成裂缝；采用溶解石蜡对一个土柱的表面裂缝进行密封；分别向两个土柱注入水，并用电子天枰动态监测每个土柱的出流体积，分别记录累积出流体积和累积出流时间；计算出土壤表面裂缝产生的优先流入渗量、占总入渗量的百分比以及两个土柱的平均出流速率：本发明不仅能够很好地实现室内模拟农田土壤表面裂缝，并对这些裂缝产生的优先流入渗情况进行定量的测量分析，而且操作简单，成本低廉。

Description

一种模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法
技术领域
本发明涉及水土保持中的农田水文观测技术领域，尤其涉及一种模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法。
背景技术
土壤在干旱失水条件下会收缩产生土壤裂缝，从而会导致土壤结构发生变化。土壤裂缝的大小规模及弯曲度很大程度上决定了水分及其溶质的输送速率。土壤裂缝能够提供优先流通道，增加入渗，从而不仅能有效提高大雨期间土壤持水能力，而且能够有效抑制地表径流的形成，但同时上层土壤中水分及其溶质也能通过土壤裂缝快速越过不饱和区域导入到地下水中，这会造成地下水质的恶化，因此十分有必要对土壤裂缝影响优先流入渗的情况进行测量分析。灌溉后的农田土壤表面通常会出现明显的土壤裂缝，但在现有技术中还没有对农田土壤表面裂缝影响优先流入渗情况进行测量分析的方法。
发明内容
针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法，不仅能够很好地实现室内模拟农田土壤表面裂缝，并对这些裂缝产生的优先流入渗情况进行定量的测量分析，而且操作简单，成本低廉。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法，包括以下步骤：
步骤A、采用取样管对农田土壤进行原状土取样，并在所述取样管的管壁与管内土柱之间的缝隙中注入溶解石蜡，静置直至石蜡凝固，从而得到两个原状土柱；
步骤B、在每个原状土柱的上表面铺设一层80目钢丝网，然后在所述钢丝网上铺设一层由粒度0.5～1.0cm的碎石组成的厚度为1cm的碎石层，从而得到两个铺有钢丝网和碎石层的原状土柱；
步骤C、采用恒水泵以相同的强度分别对所述两个铺有钢丝网和碎石层的原状土柱的上表面灌溉相同时间，待灌溉结束后对灌溉后原状土柱进行放置，直至灌溉后原状土柱的上表面形成土壤裂缝，从而得到两个表面有裂缝的原状土柱；
步骤D、采用溶解石蜡对一个表面有裂缝的原状土柱进行土壤表面裂缝的密封，并将石蜡表面抹平，静置直至石蜡凝固，从而得到一个裂缝密封土柱；而另一个表面有裂缝的原状土柱作为参照非密封土柱；
步骤E、采用恒水泵以相同的强度分别向所述裂缝密封土柱和所述参照非密封土柱的上表面注入相同体积的水，并采用电子天枰分别动态监测每个土柱的出流体积，同时分别记录每个土柱的累积出流体积和累积出流时间；
步骤F、计算出土壤表面裂缝产生的优先流入渗量、土壤表面裂缝产生的优先流入渗量占总入渗量的百分比、以及两个土柱的平均出流速率：
土壤表面裂缝产生的优先流入渗量为|V2-V1|；
土壤表面裂缝产生的优先流入渗量占总入渗量的百分比为|V2-V1|/V总；
裂缝密封土柱的平均出流速率为V1/t1；
参照非密封土柱的平均出流速率为V2/t2；
上述计算式中，V1表示裂缝密封土柱的累积出流体积，V2表示参照非密封土柱的累积出流体积，V总表示步骤E中向一个土柱注入水的体积，t1表示裂缝密封土柱的累积出流时间，t2表示参照非密封土柱的累积出流时间。
优选地，在步骤A中，所述原状土柱的直径为20～40cm，高度为60～80cm。
优选地，所述采用取样管对农田土壤进行原状土取样包括：将取样管竖直放置于一块平坦农田土壤的表面，并采用刮土刀沿所述取样管的外壁削出一个直径与所述取样管内径相符合的土柱，然后将所述取样管按压进入土体中，并且边按压边用刮土刀沿所述取样管的外壁削土，直至所述取样管内的土柱高度与所述取样管的内部高度一致。
优选地，在步骤A和步骤D中，静置12小时后石蜡凝固。
优选地，在步骤C中，将灌溉后原状土柱放置5天，其上表面形成土壤裂缝。
优选地，还包括：在待测地区内选择一定数量一定面积的样地，并在不进行灌溉的情况下直接按照所述步骤A、步骤B、步骤C、步骤D、步骤E和步骤F对所述样地进行处理，从而定量计算出每个样地中土壤表面裂缝产生的优先流入渗量、土壤表面裂缝产生的优先流入渗量占总入渗量的百分比、以及两个土柱的平均出流速率；再根据所有样地总面积占该待测地区总面积的比例，从而得到该待测地区土壤表面裂缝对优先流入渗的影响情况。
优选地，所述的待测地区为黄土高原地区、华北平原农耕区或东北黑土地区。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法先对两个一样的原状土柱进行灌溉，使土柱的表面形成土壤裂缝，然后采用溶解石蜡对其中一个原状土柱的土壤裂缝进行密封，再分别对裂缝密封后的土柱和未进行裂缝密封的土柱进行灌溉，并用电子天枰动态监测每个土柱的出流体积，从而通过记录每个土柱的累积出流体积、累积出流时间，就可以计算出土壤表面裂缝产生的优先流入渗量、占总入渗量的百分比以及两个土柱的平均出流速率。可见，本发明不仅能够很好地实现室内模拟农田土壤表面裂缝，并对这些裂缝产生的优先流入渗情况进行定量的测量分析，而且操作简单，成本低廉。
具体实施方式
下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面对本发明所提供的模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
一种模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法，包括如下步骤：
步骤A、采用取样管对农田土壤进行原状土取样，并在所述取样管的管壁与管内土柱之间的缝隙中注入溶解石蜡，静置直至石蜡凝固(例如：静置12小时石蜡凝固)，从而得到两个的直径为20～40cm，高度为60～80cm的原状土柱。在所述取样管的管壁与管内土柱之间的缝隙中注入溶解石蜡可以有效防止测量过程中形成边壁流。
步骤B、在每个原状土柱的上表面铺设一层80目钢丝网，然后在所述钢丝网上铺设一层由粒度0.5～1.0cm的碎石组成的厚度为1cm的碎石层，从而得到两个铺有钢丝网和碎石层的原状土柱。在原状土柱上表面铺设钢丝网和碎石层可以有效防止灌溉水破坏土壤表面结构。
步骤C、采用恒水泵以相同的强度分别对所述两个铺有钢丝网和碎石层的原状土柱的上表面灌溉相同时间，待灌溉结束后对灌溉后原状土柱进行放置，直至灌溉后原状土柱的上表面形成土壤裂缝(例如：灌溉后原状土柱放置5天后其上表面形成土壤裂缝)，从而得到两个表面有裂缝的原状土柱。该步骤C即为对土柱进行灌溉预处理。
步骤D、采用溶解石蜡对一个表面有裂缝的原状土柱进行土壤表面裂缝的密封，并将石蜡表面抹平(例如：可以采用大头针滚动石蜡表面，直到其表面无明显石蜡膜突起)，静置直至石蜡凝固(例如：静置12小时石蜡凝固)，从而得到一个裂缝密封土柱；而另一个表面有裂缝的原状土柱作为参照非密封土柱。
步骤E、采用恒水泵以相同的强度分别向所述裂缝密封土柱和所述参照非密封土柱的上表面注入相同体积的水，并采用电子天枰分别动态监测每个土柱的出流体积，同时分别记录每个土柱的累积出流体积和累积出流时间。
步骤F、计算出土壤表面裂缝产生的优先流入渗量、土壤表面裂缝产生的优先流入渗量占总入渗量的百分比、以及两个土柱的平均出流速率：
土壤表面裂缝产生的优先流入渗量为|V2-V1|；
土壤表面裂缝产生的优先流入渗量占总入渗量的百分比为|V2-V1|/V总；
裂缝密封土柱的平均出流速率为V1/t1；
参照非密封土柱的平均出流速率为V2/t2；
上述计算式中，V1表示裂缝密封土柱的累积出流体积，V2表示参照非密封土柱的累积出流体积，V总表示步骤E中向一个土柱注入水的体积，t1表示裂缝密封土柱的累积出流时间，t2表示参照非密封土柱的累积出流时间。
具体地，所述的采用取样管对农田土壤进行原状土取样可以包括：将取样管竖直放置于一块平坦农田土壤的表面，并采用刮土刀沿所述取样管的外壁削出一个直径与所述取样管内径相符合的土柱，然后将所述取样管按压进入土体中，并且边按压边用刮土刀沿所述取样管的外壁削土，直至所述取样管内的土柱高度与所述取样管的内部高度一致。在实际应用中，所述的取样管可以采用圆柱状有机玻璃管。
进一步地，当应用本发明所提供的方法定量分析某一地区的农田土壤表面裂缝对优先流入渗的影响情况时，可以在待测地区内选择一定数量一定面积的样地，并在不进行灌溉的情况下直接按照本发明中所述步骤A、步骤B、步骤C、步骤D、步骤E和步骤F对每块样地进行处理，从而计算出每个样地中土壤表面裂缝产生的优先流入渗量、土壤表面裂缝产生的优先流入渗量占总入渗量的百分比、以及两个土柱的平均出流速率；再根据所有样地总面积占该待测地区总面积的比例，就可以得到该待测地区农田土壤表面裂缝对优先流入渗的影响情况。在实际应用中，所述的待测地区可以为黄土高原地区、华北平原农耕区或东北黑土地区。
综上可见，本发明实施例不仅能够很好地实现室内模拟农田土壤表面裂缝，并对这些裂缝产生的优先流入渗情况进行定量的测量分析，而且操作简单，成本低廉。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明中的模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法进行详细描述。
实施例1
采用本发明所提供的一种模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法对山西吉县野外国家定位观测站的蔡家川小流域的玉米地进行农田土壤表面裂缝对优先流入渗影响情况的定量分析，具体可包括以下步骤：
步骤a1、在玉米地区域内选择三块相邻的平坦样地，将三个内径40cm、高80cm的圆柱状有机玻璃取样管分别竖直放置与一块不同的样地上，并采用刮土刀沿所述取样管的外壁缓慢削出一个直径与所述取样管内径相符合的土柱，然后将所述取样管缓慢按压进入土体中，并且边按压边用刮土刀沿所述取样管的外壁削土，直至所述取样管内的土柱高度与所述取样管的内部高度一致。
步骤b1、将三个所述取样管连同其内土柱一起小心运回实验室，分别在每个取样管的管壁与管内土柱之间的缝隙中注入溶解石蜡，静置12小时后石蜡凝固，从而得到三个个原状土柱，分别记作土柱1，土柱2和土柱3。土柱1与土柱2作为实验组，而土柱2与土柱3作为对照组。
步骤c1、在每个原状土柱的上表面铺设一层80目钢丝网，然后在所述钢丝网上铺设一层由粒度0.5～1.0cm的碎石组成的厚度为1cm的碎石层，从而得到三个铺有钢丝网和碎石层的原状土柱，即铺有钢丝网和碎石层的土柱1、铺有钢丝网和碎石层的土柱2以及铺有钢丝网和碎石层的土柱3。
步骤d1、采用恒水泵以150ml/min的强度分别对铺有钢丝网和碎石层的土柱1以及铺有钢丝网和碎石层的土柱2灌溉30min，待灌溉结束后将灌溉后土柱放置5天，土柱的上表面形成土壤裂缝，从而得到两个表面有裂缝的原状土柱，即表面有裂缝的土柱1和表面有裂缝的土柱2。铺有钢丝网和碎石层的土柱3未进行灌溉，没有土壤裂缝形成。
步骤e1、采用溶解石蜡对表面有裂缝的土柱1进行土壤表面裂缝的密封，并采用大头针滚动石蜡表面，直到其表面无明显石蜡膜突起，静置12小时后石蜡凝固，从而使表面有裂缝的土柱1成为裂缝密封土柱；而表面有裂缝的土柱2作为参照非密封土柱。
步骤f1、采用恒水泵以200ml/min的速率分别向所述裂缝密封土柱(即土柱1)、所述参照非密封土柱(即土柱2)以及所述铺有钢丝网和碎石层的土柱3注入12L蒸馏水，并采用电子天枰分别动态监测每个土柱的出流体积，从而可以得出土柱1的累积出流体积V11为3105.24ml，土柱2的累积出流体积V12为4543.64ml，土柱3的累积出流体积V13为1834.25ml，土柱1的初始出流时间t初11为44min，土柱2的初始出流时间t初12为28min，土柱3的初始出流时间t初13为57min，土柱1的累积出流时间t总11为191.09min，土柱2的累积出流时间t总12为119.98min，土柱3的累积出流时间t总13为352.06min，因此实验组中土壤表面裂缝产生的优先流入渗量为|V12-V11|＝1438.4ml，实验组中土壤表面裂缝产生的优先流入渗量占总入渗量的百分比为|V12-V11|/12L＝11.98％，而对照组中土壤表面裂缝产生的优先流入渗量为|V13-V12|＝2709.39ml，对照组中土壤表面裂缝产生的优先流入渗量占总入渗量的百分比为|V13-V12|/12L＝22.58％，土柱1的平均出流速率为V11/t总11＝16.25ml/min，土柱2的平均出流速率为V12/t总12＝37.87ml/min，土柱3的平均出流速率为V13/t总13＝5.21ml/min。
实施例2
采用本发明所提供的一种模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法对山西吉县野外国家定位观测站的蔡家川小流域的玉米地进行农田土壤表面裂缝对优先流入渗影响情况的定量分析，具体可包括以下步骤：
步骤a2、在玉米地区域内选择三块相邻的平坦样地，将三个内径20cm、高60cm的圆柱状有机玻璃取样管分别竖直放置与一块不同的样地上，并采用刮土刀沿所述取样管的外壁缓慢削出一个直径与所述取样管内径相符合的土柱，然后将所述取样管缓慢按压进入土体中，并且边按压边用刮土刀沿所述取样管的外壁削土，直至所述取样管内的土柱高度与所述取样管的内部高度一致。
步骤b2、将三个所述取样管连同其内土柱一起小心运回实验室，分别在每个取样管的管壁与管内土柱之间的缝隙中注入溶解石蜡，静置12小时后石蜡凝固，从而得到三个个原状土柱，分别记作土柱1，土柱2和土柱3。土柱1与土柱2作为实验组，而土柱2与土柱3作为对照组。
步骤c2、在每个原状土柱的上表面铺设一层80目钢丝网，然后在所述钢丝网上铺设一层由粒度0.5～1.0cm的碎石组成的厚度为1cm的碎石层，从而得到三个铺有钢丝网和碎石层的原状土柱，即铺有钢丝网和碎石层的土柱1、铺有钢丝网和碎石层的土柱2以及铺有钢丝网和碎石层的土柱3。
步骤d2、采用恒水泵以10ml/min的强度分别对铺有钢丝网和碎石层的土柱1以及铺有钢丝网和碎石层的土柱2灌溉30min，待灌溉结束后将灌溉后土柱放置5天，土柱的上表面形成土壤裂缝，从而得到两个表面有裂缝的原状土柱，即表面有裂缝的土柱1和表面有裂缝的土柱2。铺有钢丝网和碎石层的土柱3未进行灌溉，没有土壤裂缝形成。
步骤e2、采用溶解石蜡对表面有裂缝的土柱1进行土壤表面裂缝的密封，并采用大头针滚动石蜡表面，直到其表面无明显石蜡膜突起，静置12小时后石蜡凝固，从而使表面有裂缝的土柱1成为裂缝密封土柱；而表面有裂缝的土柱2作为参照非密封土柱。
步骤f2、采用恒水泵以200ml/min的速率分别向所述裂缝密封土柱(即土柱1)、所述参照非密封土柱(即土柱2)以及所述铺有钢丝网和碎石层的土柱3注入12L蒸馏水，并采用电子天枰分别动态监测每个土柱的出流体积，从而可以得出土柱1的累积出流体积V21为5412.45ml，土柱2的累积出流体积V22为6347.85ml，土柱3的累积出流体积V23为3911.73ml，土柱1的初始出流时间t初21为37min，土柱2的初始出流时间t初22为26min，土柱3的初始出流时间t初23为62min，土柱1的累积出流时间t总21为393.35min，土柱2的累积出流时间t总22为213.59min，土柱3的累积出流时间t总23为980.38min，因此实验组中土壤表面裂缝产生的优先流入渗量为|V22-V21|＝935.4ml，实验组中土壤表面裂缝产生的优先流入渗量占总入渗量的百分比为|V22-V21|/12L＝7.79％，而对照组中土壤表面裂缝产生的优先流入渗量为|V23-V22|＝2436.12ml，对照组中土壤表面裂缝产生的优先流入渗量占总入渗量的百分比为|V23-V22|/12L＝20.30％，土柱1的平均出流速率为V21/t总11＝13.76ml/min，土柱2的平均出流速率为V22/t总22＝29.72ml/min，土柱3的平均出流速率为V23/t总23＝3.99ml/min。
具体地，通过对本发明实施例2中实验组和对照组的对比可以看出：用石蜡密封土壤表面裂缝的土柱1与未密封土壤表面裂缝的土柱2的实验组可以很好地定量测量出土壤表面裂缝产生的优先流入渗量及其占总入渗量的百分比；而未进行灌溉预处理没有明显土壤表面裂缝的土柱3与未密封土壤表面裂缝的土柱2的对照组不能反映真实的土壤表面裂缝产生的优先流入渗量及其占总入渗量的百分比；发明人经进一步分析认为：对照组无法反映真实情况主要是由于对照组中未进行灌溉预处理没有明显土壤表面裂缝的土柱3内土壤的孔隙度等性质与进行灌溉预处理的土柱2有明显变化；土柱3的平均出流速率与土柱2的出流速率差异最大，这也证明了土柱3与土柱2内部土壤孔隙度等性质有明显差异。
综上可见，本发明实施例不仅能够很好地实现室内模拟农田土壤表面裂缝，并对这些裂缝产生的优先流入渗情况进行定量的测量分析，而且操作简单，成本低廉。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、采用取样管对农田土壤进行原状土取样，并在所述取样管的管壁与管内土柱之间的缝隙中注入溶解石蜡，静置直至石蜡凝固，从而得到两个原状土柱；
步骤B、在每个原状土柱的上表面铺设一层80目钢丝网，然后在所述钢丝网上铺设一层由粒度0.5～1.0cm的碎石组成的厚度为1cm的碎石层，从而得到两个铺有钢丝网和碎石层的原状土柱；
步骤C、采用恒水泵以相同的强度分别对所述两个铺有钢丝网和碎石层的原状土柱的上表面灌溉相同时间，待灌溉结束后对灌溉后原状土柱进行放置，直至灌溉后原状土柱的上表面形成土壤裂缝，从而得到两个表面有裂缝的原状土柱；
步骤D、采用溶解石蜡对一个表面有裂缝的原状土柱进行土壤表面裂缝的密封，并将石蜡表面抹平，静置直至石蜡凝固，从而得到一个裂缝密封土柱；而另一个表面有裂缝的原状土柱作为参照非密封土柱；
步骤E、采用恒水泵以相同的强度分别向所述裂缝密封土柱和所述参照非密封土柱的上表面注入相同体积的水，并采用电子天枰分别动态监测每个土柱的出流体积，同时分别记录每个土柱的累积出流体积和累积出流时间；
步骤F、计算出土壤表面裂缝产生的优先流入渗量、土壤表面裂缝产生的优先流入渗量占总入渗量的百分比、以及两个土柱的平均出流速率：
土壤表面裂缝产生的优先流入渗量为|V2-V1|；
土壤表面裂缝产生的优先流入渗量占总入渗量的百分比为|V2-V1|/V总；
裂缝密封土柱的平均出流速率为V1/t1；
参照非密封土柱的平均出流速率为V2/t2；
上述计算式中，V1表示裂缝密封土柱的累积出流体积，V2表示参照非密封土柱的累积出流体积，V总表示步骤E中向一个土柱注入水的体积，t1表示裂缝密封土柱的累积出流时间，t2表示参照非密封土柱的累积出流时间。
2.根据权利要求1所述的模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法，其特征在于，在步骤A中，所述原状土柱的直径为20～40cm，高度为60～80cm。
3.根据权利要求2所述的模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法，其特征在于，所述采用取样管对农田土壤进行原状土取样包括：将取样管竖直放置于一块平坦农田土壤的表面，并采用刮土刀沿所述取样管的外壁削出一个直径与所述取样管内径相符合的土柱，然后将所述取样管按压进入土体中，并且边按压边用刮土刀沿所述取样管的外壁削土，直至所述取样管内的土柱高度与所述取样管的内部高度一致。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法，其特征在于，在步骤A和步骤D中，静置12小时后石蜡凝固。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法，其特征在于，在步骤C中，将灌溉后原状土柱放置5天，其上表面形成土壤裂缝。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法，其特征在于，还包括：在待测地区内选择一定数量的样地，并在不进行灌溉的情况下直接按照所述步骤A、步骤B、步骤C、步骤D、步骤E和步骤F对所述样地进行处理，从而定量计算出每个样地中土壤表面裂缝产生的优先流入渗量、土壤表面裂缝产生的优先流入渗量占总入渗量的百分比、以及两个土柱的平均出流速率；再根据所有样地总面积占该待测地区总面积的比例，从而得到该待测地区土壤表面裂缝对优先流入渗的影响情况。
7.根据权利要求6所述的模拟测量农田土壤表面裂缝影响优先流入渗的方法，其特征在于，所述的待测地区为黄土高原地区、华北平原农耕区或东北黑土地区。
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