【摘要】：水資源短缺是黃土高原地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境建設中遇到的主要限制因子。土壤水分入滲作為地表水轉化為土壤水的一個重要過程,不僅決定著土壤對雨水和灌溉水等有限水源的利用程度,而且也深刻影響著地表徑流和土壤侵蝕強度。土壤水分入滲特性受到土壤內(nèi)外部許多因素的影響。其中團聚體穩(wěn)定性是影響土壤水分運動的重要因素。新近的研究表明,介觀尺度土壤顆粒間的內(nèi)力作用(包括靜電斥力、分子引力和水合斥力)可高達數(shù)百個大氣壓,是土壤團聚體破碎的主要推動力。而團聚體的破碎將會改變土壤孔隙狀況,進而對土壤水分運動產(chǎn)生影響。然而目前有關土壤顆粒間內(nèi)力作用對土壤水力性質的影響研究尚且較少,且考慮顆粒間內(nèi)力作用后經(jīng)典水分入滲模型的適用性還有待進一步驗證。因此,本研究選取四種典型的黃土母質發(fā)育土壤(黑壚土、黃綿土、褐土和X土)為研究對象,通過理論計算與試驗驗證相結合的方法,探究土壤內(nèi)力作用對土壤水分入滲過程的影響,并采用經(jīng)典土壤水分入滲模型和水分特征曲線模型進行擬合,驗證并比較分析了模型的適用性。本研究取得以下結果:(1)定量獲取了幾種典型黃土內(nèi)力作用大小及分布特征。隨著電解質濃度的降低,四種供試土壤的表面電位(絕對值)、表面電場強度增大,靜電斥力、DLVO力和凈作用力皆不同程度地增大。土壤顆粒間的內(nèi)力作用皆隨相鄰顆粒間距離的增加而減小。凈作用力僅在濃度為1 mol·L~(-1)時出現(xiàn)凈吸引力。黑壚土、黃綿土、褐土和X土的臨界電位分別是-211.9、-203.6、-223.3和-232.6 mV。對應的臨界濃度都約為0.01 mol·L~(-1)。當顆粒表面電位大于該臨界值,以顆粒間距離2 nm為例,顆粒間凈作用力均保持不變;而當電位小于該臨界值時,隨土粒表面電位的增加顆粒間凈作用力增加。這表明,土粒間內(nèi)力作用隨體系電解質濃度減小,電位的增大將表現(xiàn)出先增大而后減小的趨勢(2)系統(tǒng)研究了不同內(nèi)力作用下土壤水分入滲特性。隨著電解質濃度的降低,土壤顆粒間凈斥力作用的增強,水分入滲速率降低,濕潤鋒運移速度降低,土壤水分累積入滲量減少。其中電解質濃度0.01 mol·L~(-1)是控制水分運動的臨界濃度。當電解質濃度低于臨界濃度時,水分入滲速率、濕潤鋒運移速度等參數(shù)不再隨電解質濃度而發(fā)生變化;而當電解質濃度高于臨界濃度時,隨濃度的增大,水分入滲速率、濕潤鋒運移速度、水分累積入滲量均增加。Kostiakov模型和Philip模型均可對累積入滲量隨測定時間的變化情況進行較高程度地擬合,其中Kostiakov模型的擬合效果更好。(3)探討了不同內(nèi)力作用下土壤持水性能的變化。隨著電解質濃度的降低,凈斥力作用增強,土壤飽和導水率減小,土壤持水能力增強。van Genuchten模型和Gardner模型皆能較好地擬合四種土壤不同內(nèi)力作用下的水分特征曲線,總體分析,Gardner模型對不同內(nèi)力作用下的水分特征曲線變化擬合效果更好。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：S152

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本文編號：2728597