土壤水流模式染色剂示踪及优先流程度评估_吴庆华.docx

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1、第 30 卷第 7 期 农业工程学报 Vol.30 No.7 82 2014 年 4 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr. 2014 土壤水流模式染色剂示踪及优先流程度评估 吴庆华 张 家 发 蔺 文 静 2 , 王贵玲 (1.长江科学院，武汉 430010: 2.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄 050061) 摘要：优先流是结构性土壤水分入渗的主要方式。为了直接利用土壤水流模式分析其优先流程度，该文采用亮 蓝染色剂示踪原状与扰动土柱的土壤水运移，定量评估优先流的相对发育程度。

2、研究结果表明原状土柱优先流发 育，空间变异性强，受优先流通道的特征控制，其优先流水流模式以蚯蚓大孔隙流和土块裂隙优先流为主。扰动 土柱的水流模式为活塞流，无优先流发育。该文提出了随深度变化的染色面积比的变异系数指示原状土柱优先流 相对程度的评价准则：变异系数越低，优先流程度越高。变异系数多 0.5%为优先流程度一般发育， 0.25% 50 /mi 2 50 pm * 0.68/880.10 注中国地质科学院水文地质环境地质研宄所野外观测站提供数据 ： -中国科学院栾城试验站提供数据：其他为实测数据：下标 disturbed 和 intact 分别代衣扰动和原状土柱：HS 和 LC分别代衣衡水和

3、栾城试验场，下同： 土壤类型按美国农业部标准命名 Note: H and *, the data were supplied by Experimental Station of Institute of Hydrogeologr and Environmental Engineer, CAGS, and Luancheng Experimental Station of Chinese Academy of Science(C AS), respectively. The other data were measured during the experiment. The subscrip

4、ts of disturbed and intact were disturbed and intact column, respectively. HS and LC meant Hengshui and Luancheng Experimental Station, respectively, similarly hereinafter. soil classification was based on the USDA standard. 84 农业工程学报 2014 年 表 2 原状土柱大孔隙特征 Table 2 Macropore character of intact soil c

5、olumns 土柱 火孔隙特征 Soil columns Macropore Characters HSlintact 蚯蚓洞 3 个 /100cm2,开启程度较好，部分有充填物：植物根孔 5 个 /cm2 HS2intat, 植物根系较少，未见蚯蚓孔洞，土壤黏性很高块体结构，各块体之间裂隙发育且呈 M 状分布，裂隙宽度 0.2 0.6 mm LClimaci 蚯蚓洞 25 个 /100 cm2,开启程度较好，部分有充填物：植物根孔 20 个 /cm2 LC2inlact 蚯蚓洞 23 个 /100cm2,开启程度较好，部分有充填物：植物根孔 7 个 /cm2 _ LC3imact _ 姐蚓洞

6、 8 个 /100cm2， 其中有三个直径为 10 mm大孔隙贯穿土柱，开启程度好，无充填物：植物根孔 6 个 /cm2 注：蚯蚓洞和植物根系人孔隙 H 径范围分别为 3 10、 0.3 0.8 Note: Diameters of earthworm burrows and plants roots were 3-10 and 0.3-0.8 mm, respectively. 1.3 优先流程度定量试验 为了定量评估原状土柱优先流程度，向各原状 和扰动土柱（共 5 组，扰动土柱用作对照 ） 表面注 入50 mm 蒸馈水 （ 速率为 130 mL/min)，采用电 子天枰 （ H2F-A20

7、00,精度为 0.1 g)动态监测每一 个土柱的出流体积。 1.4 染色示踪实验 采用恒流泵（上海精科 HL-2S)向各土柱（共 5组）表面以 15.6 niL/min 强度灌慨 100 niL 亮蓝溶 液（质量浓度为 4 g/L)。试验幵始后监测土柱出流 水体积。试验结束 16 h 后将土柱拆卸，用刀片将土 柱从中间切开，拍摄土柱垂直与水平染色剖面。拍 摄时，将处理好的土柱剖面放在固定的位置，使用 尼康D7000 数码相机的微距模式 P 档，焦距固定为 21 mm,相机镜头和土壤剖面的距离固定为 30 照片分辨率为300 dpi, 4 928x3 264 像素，储存 为 .NEF 格式。垂直

8、方向上，仅对每个土柱进行 i 次染色模式拍摄，而在水平方向则每隔丨 cm 进行 拍摄。在整个拍摄过程中，在剖面周围固定带有刻 度的边框 ，用于图片后期校正处理。所有照片的拍 摄工作均在室内进行，持续时间约 3 h,拍摄环境 基本保持一致。 1.5 照片处理 在拍摄过程容易产生几何变形 （ 镜头畸变和线 性变形）、光线强度不均以及光线色彩差异等问题。 根据照片变形的原理，采用 Nikon 公司研发的 Capture NX2 软件对原始未压缩的 .NEF 格式文件进 行镜头变形可逆校正处理。照片的线性几何变形采 用遥感软件ENVI 4.2 校正，即在剖面四周均匀选取 20 30 个坐标控制点，采用

9、 Delaunay 三角网原理以 及三次卷积（ cubic convolution)重采样法进行校正。 试验过程中，所有照片均在 3h 内完成，采用无 影日光灯作为主要光源，保证了拍摄时过程中外界 环境一致，克服了光线色彩不均和光线强度的问题。 1.6染色面积统计 利用 Photoshop CS 软件对校正后的照片进行 处理，统计染色面积。将校正后的 .NEF 格式照片转 换为 JPG 格式。采用颜色替换功能将染色区域进行 颜色替换，同时将照片明度调至 -100,颜色容度差 调节至理想值 （ 0 5%)。颜色替换后，染色部分 变成黑色，而土壤保持其原色。再将照片转换为灰 度模式，染色部分 变成

10、黑色或灰黑色，土壤为灰色。 调整阈值使染色区域与实际染色情况一致，此时染 色与未染色部分分别为黑色和白色。然后将照片转 换为 .bmp 位图格式，形成黑白二元文件。利用 Matlab 7.0 数值分析软件对位图进行处理，输出照 片二元（ 0， 1)信息矩阵。 0 为白色元素，代表未染 色； 1 为黑色元素，代表染色。设置照片的分辨率 为丨 pixel/mm2， 统计在土壤剖面上每隔 1 nim 深度 范围的染色元素个数，再乘以每一个元素所占面积 (1 mm2),则获得每 1 mm深度处的染色面积及其 染色比，处理过程程序如图 1所示 （ HS2imac,)。 染色 Tf 分比 Dyed are

11、a percentage/% a. Dyed model b. Binary image model c. Dyed aiea percentage 注：以原状土柱 HS2imaci 为例。 Note: e.g. HS2imaa. 图 1 染色面积讣算流程 Fig. 1 Calculating procedure of dyed area percentage 1.7 染色面积比变异系数 结构性土壤的优先流发育程度主要受大孔隙 等优先流迎道的开启与填充程度、连通性及其弯曲 程度等因素影响。灌溉时水分沿优先流通道快速入 渗土壤，并向其周围基质渗透，形成以大孔隙通道 为中心、向其周围不断扩散的渗流

12、场。将染色的土 壤剖面进行等分离散，分别统计不同深度上染色面 积比，则可 利用染色面积比的变异系数评价优先流 发育的相对程度。变异系数可表征土壤剖面不同深 度上染色程度的差异，其计算如下： 第 7 期 吴庆华等：土壤水流模式染色剂示踪及优先流程度评估 85 式中： C.K 为染色面积比的变异系数， ; J 为染色 面积比的标准差； I 为染色面积比的平均值；义 , 为土壤剖面上第 /深度处染色面积比；为土壤剖 面上统计染色面积比的个数。本文将土壤剖面（长 度 15 cm)划分为 750 等分（ =750)进行染色面积 统计。在统计染色面积比时，本研究选取所有土柱 剖面中最大的染色范围作为统计区

13、域，且所有土柱 染色面积统计区域相同，即 9.5 cm 宽 x 15 cm 深。 因为只有全部土壤剖面的统计区域相同且其范围 不小于所有土柱入渗的最大区域时，才能对比分析 在相同灌溉条件下不同土柱之间的水流模式、入渗 能力和优先流相对程度。 1.8 优先流程度评判原理、准则与应用条件 评判原理：优先通道发育的原状土壤水运移由 均匀基质流和非均匀优先流组成。基质流主要发生 在土柱表层 （ 0 -5 cm)，染色程度高达 90%以上， 而优先流主要发生 在基质流区以下，如图 2。尽管 在表层高度染色区域优先流现象客观存在，但从长 时间尺度看，此区域可定义为均匀流区。从染色结 果可知，原状土柱中优先

14、流区域远大于基质流区 域。土壤剖面上不同深度的染色面积比的变异系数 可用于分析优先流区与基质流区染色程度的差异 性，进而评价整个土壤剖面染色程度的非均匀性。 变异系数高，表明整个土壤剖面上因优先流形成的 染色区域的染色程度与土壤基质区相比较低，且均 勾流区基本全部染色，则在整个土壤剖面上，其优 先流程度低。变异系数低，说明整个剖面上染色程 度较均匀，即优先流区域与土 柱表层基质均匀流染 色程度相差较小，优先流导水能力强，优先流发育， 如1X3;或反映土壤基质流区在整个土壤剖面 中占有比例显著大于优先流区域，但在优先流路径 发育的结构性土壤中，其均匀流区不可能占据大部 分流场（如图丨和图 2)。

15、 评判准则：根据以上的分析可知，原状土柱的 土壤剖面染色面积比的变异系数越小，其优先流程 度越高。 应用条件： 1)染色土柱边界条件相同，即灌 概或降雨条件完全一致； 2)结构性土壤中，优先 流区明显大于土壤均匀流区； 3)大孔隙等优先流 通道与其周围的土壤基质水分交换能力相同。 注：小标题下标 disturbed农示扰动土柱， intact衣示原状土柱：各小阁中左图分别土柱的二元染色模式，右图分别为染色 M积比随深度变化曲线 . Note: The subscripts of disturbed and intact indicate disturbed and intact soil co

16、lumns; Figures on the left in each pair of figures are binarr images for soil columns; Figures on the right in each pair of figures are curves of dyed area percentages vs. depths of soil profiles for soil columns. 图 2 土柱垂直剖面染色模式与染色百分比对比图 Fig.2 Comparing dyed patterns to dyed area percentages in soil

17、 vertical profiles. 可获得土壤三维染色特征。垂直染色模式可揭示土 壤水在垂直方向的入渗情况，反映土壤水运移的非 均匀性与优先流入渗能力；而水平染色模式则弥补 垂直剖面在水平方向的不足，反映土壤水在水平方 2 结果与分析 2.1 染色模式分析 通过对土柱垂直和水平方向的染色模式分析 , 86 农业工程学报 2014 年 向运移的非均匀性。染色深度和染色百分比可表征 土壤空间染色模式。染色深度可表示优先流通道导 水能力，一定程度上，染色深度越大 ，则其优先流 程度越高，而染色百分比则表示土壤水在某一深度 上土壤剖面的平均入渗结果，可以较准确反映优先 流发育程度。 2. 1. 1

18、 垂直染色模式 图 2 为垂直剖面染色模式以及染色比随深度变 化曲线。从图中可知原状土柱优先流发育，而扰动 土柱以活塞流为主。 扰动土柱：除 HS ldisturbcd 以外的其他扰动土柱， 其染色深度很小，均在 0 2cm 范围内，且染色程 度接近 100%，其水流模式为活塞流。在整个土柱 剖面范围内，扰动土柱剖面的染色比为 10% 20%。 HS2 disturbed 在深度 0 2.6cin 范围内 100%染色，和 其他扰动土柱一样土壤水在此深度范围内均以活 塞流运移，而在2.6 3.5 cm 染色锋面出现了起伏， 其染色面积开始下降，表明此入渗锋面为非活塞 流，这是由亚砂土的斥水性所

19、致。整个剖面平均染 色面积比为 20%。 原状土柱：总体上，原状土柱优先流现象显著， 且其优先流的通道主要以蚯蚓大孔隙 （ HSlin,ae, LClintact， LC2intaC| 和 LC3intact)和土块裂隙 （ HS2intact， 图 1)为主 HSlintact， HS2intact， LCljntact， LC2intact 和 LC3inlae,的土壤剖面平均染色面积比分别为 50.46%, 40.37%, 70.12%, 71.53%和 74.90%。除 HSlin,ae， (最大入渗深度为 13.7 cm)外，其他原状 土柱的灌溉水均穿透整个土柱。 HSlinta L

20、C2intact LC lintact HS2intact HS 1 intact。据 此，建议将整个剖面随深度变化的染色百分比变异 系数大于或等于 0.5%的水流模式定义为优先流程 度一般发育 （ HSlintac,和 HS2imaet),大于 0.25%且 小于 0.5%之间为发育 (LClintac,),小于或等于 0.25% 为非常发育 （ LC2inlac，和 LC3intaet) 2.3 评判准则验证 原状土柱的优先流程度是通过对比原状土柱 与扰动土柱的入渗能力获得的，其优先流程度评价 结果见表 4。从表中可知，原状土柱优先流发育程 度顺序为： LC3intaLC2intact H

21、S2intact LC1 intact HSlimac,，与表 3 略有不同。主要原因是， HS2intac, 优先流路径为土块体网状裂隙，且其周围土壤基 第 7 期 吴庆华等：土壤水流模式染色剂示踪及优先流程度评估 87 质为致密的、重黏性土壤，使灌溉染色水体沿优 先流通道运移时向周围土壤基质扩散速率明显低 于其他土柱，导致采用变异系数评价的优先流程 度偏小。因此，采用该准则判断原状土壤优先流 程度强弱时应考虑大孔隙与其周围基质土壤的渗 透能力。 j. 2-10.0cm k.2J=-l 1.0cm l.Z=-12.0 cm 注 ： Z 为土柱深度，向上为正，地及深度为 0。 Note: Zi

22、sdepth of soil profiles, and negative values indicate soil depths, assuming that soil surface had the depth of 0. 图 3 土柱不同深度的水平剖面染色模式（以原状土柱 LClintac，为例 ） Fig.3 Dyed pattern of horizontal section at different depths (e.g. LC lintact) 表 3 土柱剖面染色比变异系数 Table 3 Coefficient of variation for dyed area perc

23、entage in soil profile 土柱编号 Soil column 土柱类型 Soil column type 变异系数 Coefficient of variation/% 土柱编号 Soil column 土柱类型 Soil column type 变异系数 Coefficient of variation/% HS 1 disturbed 扰动 1.90 HS 1 imact 原状 0.65 HS2(|jjUIbC(i 扰动 3.74 HS2jntact 原状 0.51 LC 1 distuibcd 扰动 3.00 LC 1 intact 原状 0.29 LC2diflu r

24、fecd 扰动 3.39 LC 2iniatt 原状 0.25 LC3(|jjju 扰动 3.40 LC 3jnuict 原状 0.20 表 4 土柱优先流程度定量试验结果 Table 4 Results of quantifying preferential flow level 土柱 Soil columns 初始出流时间 effluent time at the begin/ min 累积出流时间 Cumulative time of effluent/min 累积出流体积 Cumulative volume/mL 平均出流速率 Mean flow velocity/ (mL-min1)

25、 优先流程度 Percentage of preferential flow/% HSldiaurbctl 34.00 1 310.00 386.45 0.30 - HS 1 imaci 3.00 300.00 333.90 1.11 73*50 HS2diaurbaI 63.00 12 415.00 161.40 0.01 - HS2jnijct 2.00 1 075.00 316.05 0.29 9558 LC ldinurbal 103.00 4 949.00 247.45 0.05 - LC 1 jniacl 44.00 1 180.00 358.70 0.30 83*55 LC 2(

26、11 urt)n| 115.00 7 975.00 350.90 0.04 - L.C2jniact 0.87 36.60 326.10 8.91 99*51 LCdisjuifcal 98.00 7 120.00 348.90 0.05 - L.C3jmacl 0.77 20.80 277.50 13.34 99.99 88 农业工程学报 2014 年 当均匀流区域以下无优先流发育时即为典型 扰动土壤的水流模式。在整个土壤垂直剖面范围 内，均匀流区越大，表明扰动土柱的入渗能力越强， 且剖面染色比而积的变异系数越小。扰动土柱染色 灌溉时，水分均匀入渗土壤，且为饱和或近饱和状 态，其导水能力可近

27、似用饱和导水率量度。表 1 中 扰动土柱导水能力顺序 ： HS ldsturbcd LCldsmbcd LC2diaurbcdLC3diSIUrbedHS2diSIUrb0.25% 0.5% and 0.25% suggested the medium and high levels, respectively. However, the estimated principle may be not suitable for intact soil columns with different kinds of preferential path, i.e., soil cracks and

28、plants, root and earthworm burrows. The preferential levels of the soil columns assessed by the C. Vof the dyed area percentages were verified successfully by the irrigation test of undistributed and distributed columns designed to quantify the percentage of preferential flow. However, the results o

29、f preferential flow levels estimated by the C.V may be affected by size of columns, because the characters of preferential flow varied with study scales. Therefore, more studies were needed to verify the feasibility of C.V in estimating the preferential flow level. The study here proposed a quantita

30、tive method to assess the preferential flow level directly from the dyed pattern of the soil profile, and to evaluate the groundwater recharge, saving water and soil polluting in agriculture. Key words: irrigation; soils; infiltration; preferential flow; Brilliant Blue FCF; tracing; undisturbed soil; coefficient of variation (1. Changjicing River Scientific Research Institute Wuhan 430010, Chimi 2. Institute of Hydrogeology cuui Environmental Geology CAGSShijiazJiuang 050061, Chinci) (贵任编辑：赵爱琴 ）