指流间距对模拟指流水分运动的影响

吴叔赢 邵霞珍 张建丰

摘要 为了解指流间距对模拟指流水分运动的影响，通过模拟不同的指流间距，研究不同间距对指流水分运动的影响。结果表明，指流间距越大，指流域中的水分入渗越快，且指流流速与指流间距呈线性关系。

关键词 层状土壤;模拟指流;指流间距

中图分类号 S 152.7  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）12-0212-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.12.059

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Abstract In order to understand the influence of finger flow spacing on  simulation finger flow water movement ，by simulating different finger spacing the effect of different spacing on finger flow water movement was observed.The results showed that the larger the fingerflow spacing was，the faster the water infiltration was，and the relationship between the fingerflow velocity and fingerflow spacing was linear.

Key words Layered structure soil; Simulation finger flow;Finger flow spacing

指流（finger flow）在自然界广泛存在，如玻璃上的水流，在水流的前锋线上往往会出现像手指一样的形状。如水分在土壤中的入渗，某种条件下并不是均匀入渗，而是水分会沿着一些优先通道快速入渗到深层。这种现象往往会造成耕作层土壤干旱，表层施入土壤中的农药、养分和杀虫剂沿着快速通道流入地下水，对地下水产生污染。在土壤入渗中，这种由于水分绕过大部分土壤，仅沿优先通道以“指状”入渗的现象称为指流[1-2]。1972年Hill等[3]研究发现“上细下粗”的层状结构土壤中水分入渗易出现指流现象。Hillel等[4]分析了“上细下粗”层状土条件下指流的形成机制，并引入了进水吸力概念。Wang等[5-7]对指流产生的条件和机理进行了深入研究。王文焰等[8]对砂层在黄土中的入渗特性进行了室内模拟试验，张建丰等[9-10]对“上土下砂”的层状结构土壤中产生指流的条件和机理进行了分析，李怀恩等[11]分析了上层土壤性质发生变化对指流推进速度的影响。

张建丰等[10]研究发现在“上土下砂”的层状土壤中下层砂中孔隙小的会优先导水，因此在下层砂土中采用粗砂来模拟基质域，细砂来模拟指流域。以上多以研究指流的发生机理和运动特性为主，而笔者考虑在指流发生的条件下，

研究指流间距对指流入渗优先条件的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料 试验装置主要由土箱、供水装置和支座3部分组成。土箱采用2个相同尺寸（长×高×厚为500 mm×600 mm×8 mm）的有机玻璃板，沿着2个有机玻璃板边壁之间夹入一个宽20 mm、厚度16 mm的“U”形有机玻璃条。距“U”形有机玻璃条一侧上端20 mm处开一个进水口，且在底部设有排水孔，整个试验土箱尺寸为500 mm×600 mm×32 mm（宽×高×厚）。土箱前壁标有以10 mm为单位的网格线，供观测水分入渗湿润锋读数使用。供水装置采用马氏瓶，支座采用一块钢铁板上安装2块可拆卸的槽钢，槽钢一侧打孔并安装螺丝，安装时把土箱夹在两槽钢之间，然后用螺丝把土箱和支座固定为一体。试验装置见图1。

1.2 试验方法 试验设计的上层黄土容重为1.4 g/ cm3，厚度为20 cm，初始含水率θ=2.7%，为砂壤土。下层为模拟指流的砂层，厚度为33 cm，以粗砂组成的基质域的粒径为1～5 mm，中值粒径d50=4.15 mm。以细砂组成的指流域的粒径为0.1～1.0 mm，中值粒径d50=0.55 mm。设计的表层积水厚度为3 cm。黄土和粗砂的颗粒粒径组成见表1、2。

在下层砂中设置了6个间距不同的指流域，自左向右编号分别为1～6模拟指流域，第1指流域和第2指流域的间距为3 cm，第2和第3模拟指流域的间距为4 cm，以此类推，第5和第6模拟指流域的间距为7 cm。其中，为了消除边界的影响及很好地控制指流间距，把第1指流域和第6指流域为边界指流域，不作为该研究的对象。

试验准备就绪后，连接好试验装置，同时保持土壤表层3 cm的积水厚度，打开马氏瓶放水阀，开始计时，并记录此时刻的入渗时间为0。随后每隔一定时间，记录时间及该时刻马氏瓶中水位值和湿润锋运移位置的变化。在入渗初期，由于土壤水下渗较快，记录的时间间隔应短一点，往后入渗变缓，记录的时间间隔长一点，记录过程持续到试验结束。

2 结果与分析

2.1 湿润锋动态分布

以上层土表面为湿润锋位移的初始面，向下入渗为正。不同指流间距下的湿润锋动态分布见图2。从图2可以看出，水分在上层均质土中呈水平的均匀下渗，当进入下层不同间距的模拟指流域时，出现了从第2～5模拟指流域水分入渗依次变快的趋势。其原因是水分的入渗实际上就是水分排空土壤孔隙中的空气，从而进入到孔隙中。当水分进入指流域时，就会把指流域中的空气一部分向下排放，一部分向两侧的粗砂排放，由于每个指流域都一样，因此向下排放的空气量可以看为是一定的，但每个指流域旁的粗砂基质域厚度不同。因此，向基质域排放的多少决定了水分在指流域入渗的快慢。第1指流域和第2指流域之间的粗砂厚度为3 cm，因此可以假设第1指流域拥有厚度1.5 cm的粗砂区域，第2指流域也拥有厚度1.5 cm的粗砂区域，第2指流域和第3指流域之间的粗砂厚度为4 cm，同样假设第2指流域和第3指流域各拥有2 cm厚的粗砂区域。因此第2指流域周围便存在3.5 cm厚的粗砂层，按此假设得出第2指流域到第5指流域所占有的两侧粗砂厚度b分别为3.5、4.5、5.5和6.5 cm。

这说明当水分进入指流域后，同一时间下，湿润锋的入渗深度随指流域所拥有的粗砂厚度b的增大而增大。同时也说明在产生指流的“上土下砂”层状结构土壤时，指流两侧的孔隙越多，指流流速越大。

2.2 指流特征分析

在砂层中共模拟了6条指流域，其中第1指流域和第6指流域看成是整个指流域的两边界，称为边界流。因此主要研究第2指流域到第5指流域中指流的运动特征。指流的发生在第345 min，以此时刻为指流产生的初始时间，累积入渗时间减去产生指流的初始时间，得到产生指流的入渗时间Tf（表3）。

从图2和表1可以看出，在同一时间下，从第2指流域到第5指流域的指流长度L越大。表1中不同指流域下的指流长度L的试验数据和指流产生的时间Tf的变化关系见图3。用线性函数分别对不同指流域内的指流长度L和时间T的变化关系进行拟合，拟合结果：第2指流域：L2=0.032 5Tf，R2=0.988 4;第3指流域：L3=0.073 7Tf，R2=0.993 7;第4指流域：L4=0.125 4Tf，R2=0.992 1;第5指流域：L5=0.147 3Tf，R2=0.995 1。

3 结论

该试验研究了不同模拟指流间距下指流域中的水分运动，结果表明，指流域的湿润锋深度随模拟指流域间距的增大而增大，指流间距越大，指流域中水分入渗越快;指流流速随指流两侧累积厚度增大而增大，并呈线性变化关系。

参考文献

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