【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力作用下的水分特征曲線,總體分析,Gardner模型對不同內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