黄宁土壤水力参数的确定及水分运移数值模拟

土壤水力参数的确定及水分运移数值模拟XJCX2011-XJ-074指导老师：杨录峰组长：黄宁成员：邱云刚、龚昶立项时间：2011.03•进展情况：•①2011.03立项。•②2011.03~05学习土壤水利方面的知识。•③2011.05去永宁县、贺兰县，实地考察取样；2011.06去平吉堡，实地考察取样；2011.08去镇北堡、滚钟口、苏峪口，实地考察取样；2011.10去高家闸，实地考察取样。•④2011.11利用所学知识，分析设计实验，总结自立项以来实地考察取样的发现，纂写论文手写稿。引导语几乎所有的同学都有这样的感受，随着火车一路西行，目光所及之处尽是高低起伏的山峦，无穷无尽的荒漠，总之，宁夏的土壤给我的第一印象便是贫瘠！贫瘠！总体来说，宁夏土地面积虽然不大，但土壤类型及其分布明显呈现出复杂性和多样性的特点。主要是平原面积小，山地丘陵面积大。宁夏人均占地面积13.87亩，居全国第七位；人均占有耕地3.06亩，居全国第三位。耕地后备资源较为丰富，但集中连成片的少，全区3000亩以上集中连片的耕地后备资源为374.3万亩，其中多为宜牧的牧草地。而且开发利用的限制因素多，土壤贫瘠，水资源短缺，盐碱地多，风沙大，都是宁夏发展的瓶颈，另外，在引黄河灌溉区形成的土地开发条件虽然优越，但土地本身质量较差，加之地势低洼，排水不畅，宁夏地区的农业面临着巨大压力。•宁夏气候：宁夏气候属于干旱型。降雨量小于200mm/年，蒸发大于2000mm/年。南高北低的地形决定决定了宁夏南寒北暖的气候。此外，宁夏地处高纬度，昼夜温差较大，雨季集中在夏季，但降水量不大。•宁夏地区地势：北部地区地势较为平坦，水资源丰富，有2000年以上的灌溉种植水稻历史；南部地区属于山区，属于靠天吃饭，现在部分地区实行节水灌溉措施。•宁夏地形水文：地势南高北低，山地高原约占全区的3/4，剩下的就是平原地区，其中沙漠占宁夏面积的8%。从地形分布来看，自北向南为贺兰山地、宁夏平原、鄂尔多斯草原、黄土高原、六盘山地等，平均海拔在1000m以上。基于以上现状，我组初步决定，以银川为样本，走访银川周边地区，采土取样，实验测量，统计分析。从宏观上把握银川地区土壤水分运移状况，以求能为银川周边地区农业发展提出合理的建议。•自今年3月份立项以来，我课题组一行3人，前后7次，外出实地考察，带回土壤样品20余份，经过近2个月的自主学习，于2011年5月1号早上从学校出发，经过老城区后，一路向南，约中午时分抵达永宁县黄河岸边，沿黄河步行十余里，对周边状况有了较为深入的了解，于当晚10点返回学校。5月3日，我组再次出发，向北前往贺兰县，在贺兰县郊区逗留半日，驱车前往丰登，于深夜时分，再次返回学校。•6月，我组乘火车前往平吉堡，沿途观看了银川至平吉堡间的农业作物，在平吉堡考察一天后，于次日返回学校。8月上旬，正值暑假前夕，我组驱车前往镇北堡西部影城，在当地逗留2小时之后，改路西行，前往滚钟口---贺兰山脚下，逗留片刻后，折而向北，不久到达苏峪口，在苏峪口考察后，夜幕将至，于是返回学校，次日，我们从学校出发，2小时后，来到南梁牧场考察后返校。•国庆期间，我组再次步行外出，一路向西，经过近5小时后，来到高家闸，一路上所见所闻颇为丰富，驱车返校。次日我组乘公交车，分别去金凤区、兴庆区取土采样，至此考察结束。•考察结束后，我组立即着手准备下一阶段的实验工作。我们的实验总共分为3部分，分别是土壤PH检测、土壤的含水量、土壤水分运移模拟，其中前两项实验已经顺利完成，根据实验结果将20余份土壤样品分为3大类，并以此得出银川周边土壤分布规律，即沿贺兰山脉至黄河水域方向，土壤的PH下降，水分含量呈上升趋势，土壤颜色由浅变深，土质由块状凝结向松软多孔变化。•第三部分实验已经完成设计工作，但由于实验室的原因，我们暂时没能完成实验。实验操作一、土壤PH检测二、土壤的含水量三、土壤水分运移模拟•土壤pH值的测定测定方法：酸度剂测定法仪器与试剂：1.仪器：PHS-3型pH酸度计，电极，烧杯，玻璃棒。2.试剂：pH4.01标准溶液，pH6.86标准溶液。测定步骤：1.称土：称取过20目筛的风干土壤10克，置于100ml烧杯中。2.浸提：用容量瓶量取50ml蒸馏水，加入烧杯中。（土：水=1：5）。3.搅拌：用玻璃棒搅拌约1分钟，静置半小时左右，澄清。4.用酸度剂测定：打开酸度剂，预热3个小时，待读数稳定后进行测量。测量前，分别用pH值6.86和4.01的标准缓冲溶液校正。将电极的球插到悬液面下，轻轻摇动烧杯，以除去电极球表面的水膜，使电极点位达到平衡。待pH读数稳定后，记录pH值。注：测定5个样品后，用pH标准溶液校正一次。土壤含水量测定1、实验原理土壤样品在105±2℃烘至恒重时的失重，即为土壤样品所含水分的质量。2、实验仪器：土壤筛（孔径1mm）、铝盒（小型的直径约40mm，高约20mm；大型的直径约55mm，高约28mm）分析天平（感量为0.001g和0.01g）、小型电热恒温烘箱、干燥器（内盛变色硅胶或无水氯化钙）。3、测定步骤风干土样水分的测定取小型铝盒在105℃恒温箱中烘烤约2h，移入干燥器内冷却至室温，称重，准确至0.001g。用角勺将风干土样拌匀，舀取约5g，均匀地平铺在铝盒中，盖好，称重，准确至0.001g。将铝盒盖揭开，放在盒底下，置于已预热至105±2℃的烘箱中烘烤6h。取出，盖好，移入干燥器内冷却至室温（约需20min），立即称重。平行测定两次。新鲜土样水分的测定将盛有新鲜土样的大型铝盒在分析天平上称重，准确至0.01g。揭开盒盖，放在盒底下，置于已预热至105±2℃的烘烤箱中烘烤12h。取出，盖好，在干燥器中冷却至室温（约需30min），立即称重。平行测定两次。注：烘烤规定时间后一次称重，即达“恒重”。4、测定结果的计算计算公式水分（分析基）％＝〔（m1－m2）/（m1－m0）〕×100………………………………...................（1）水分（干基）％＝〔（m1－m2）/（m2－m0）〕×100……………………………...................…（2）注:m0——烘干空铝盒质量，单位g；m1——烘干前铝盒及土样质量，单位g；m2——烘干后铝盒及土样质量，单位g。平行测定结果的相差，水分小于5％的风干土样不得超过0.2％，水分为5～25％的潮湿土样不得超过0.3％，水分大于15％的大粒（粒径约10mm）粘重潮湿土样不得超过0.7％（相当于相对相差不大于5％）。平行测定的结果用算术平均值表示，保留小数后一位。土壤水分运移模拟实验和参数的测定实验目的：在实验室中，建立土壤模型，再现土壤水的系统能力和运移状况。•实验原理：张力计插入土样后，张力计中的纯自由水经过陶土壁与土壤水建立了水力联系。在非饱和土壤中，仪器中的自由水的势值总是高于土壤水的势值，因此，仪器中的自由水就会透过陶土管进入土壤，但因陶土材料孔隙细小，孔隙中形成的水膜不能使空气通过，而只能让水或溶质液通过（但如果压力过高水膜破裂，空气就会透过，这时的压力称为透气值），因而在仪器内形成一定的真空度，由仪器上的负压表读出。最后当仪器内外的势值趋于平衡时，仪器中水的总水势Φwd与土壤中土水势Φws应该相等，即：•Φwd＝Φws•土水势的完整表述为：•Φ=Φm+Φp+Φs+Φg+ΦT因为陶土管为多孔透水材料，并非半透膜，故溶质也能通过，最后达到内外溶液浓度相等，内外溶质势Φs相等。仪器内外温度相等，温度势ΦT相等。坐标0点选在陶土头中心，则陶土头中心的内外重力势Φg相等。这样仪器中和土壤中的总势平衡可表述为：Φmd＋Φpd＝Φms＋Φps式中，Φps为土壤水的压力势，Φms为土壤水的基质势，Φpd为仪器内自由水的压力势，Φmd为仪器内自由水的基质势。在非饱和土壤中，土壤水所受的压力为大气压，故Φps应为零，又仪器中自由水无基质势存在，故Φmd亦为零，所以：Φms＝Φpd＝ΔPD+z式中，ΔPD为负压表显示的负压值，z为埋藏在土中的陶土管中心与土面以上负压表之间的静水压力即水柱高。即可得到土壤水的基质势。按定义土壤水吸力为基质势的负值，即可测得吸力值。S=－Φms＝－ΔPD－z如果负压表读数记为P（大于0，即P＝－ΔPD），则S=P－z另外，在计算土样中水分的变化时，还应考虑集气管中水分的变化量。1、计算（1）给定初始值如下表格，计算装满试样罐需要的土样质量（g）：项目干容重罐体积初始质量含水率表达式γcVθg单位g/cm3cm3%数值待定待定待定（2）配置土样到预期体积含水量θV，计算所需水的质量。2、土样的装填•先在试样罐底部铺上一层普通滤纸，然后将称好的土样分次分层地装入罐中，一般分为6层装填，每次装入1/6总质量的土样，铺平后用直径比试样罐稍小的击锤夯实土样，夯实的遍数以能达到要求的密度为准（每次将装入的土夯实到1/6土柱高度）。应该注意周边土壤的夯实(常不能夯实)，故除了击锤夯实外，还用棍棒进行捣实。每层土样之间要进行“打毛”，保证层间结合良好。填装完毕后，刮平土壤表面，盖上罐盖，称重，准确求得实际罐中土样的质量Mg。3、安装张力计•在试样罐的中心先用小土钻钻一土孔，孔径略小于陶土头直径。然后称重，准确求得罐中最后土样的质量Mt。然后将张力计插入，使陶土头与土样紧密结合。称重求得系统总的质量M1。4、配置预期含水量•1）单点•将预先求得的水量，2/3倒入盛水容器中，将系统放入其中，再将水量的1/3从系统上部慢慢灌入试样罐，然后将罐口用胶布封闭，静置系统，让其慢慢吸水、渗水、均匀。•2）脱湿•将系统至于盛水容器中，容器的中的水面尽量接近土罐上沿（确保不能漫过土罐），让其慢慢吸水、均匀，静置1天，土样基本可达到饱和。5、观测读数、称量与烧干法测量含水率•1）单点：一天后，系统达到稳定，观测负压表读数，并将读数单位转换为cm水柱高度。称量系统总重M2，计算出此时土样的含水率。再用烘干法与烧干法（可选）测定水分含量进行校验。•2）脱湿：将饱和后的系统拿出，擦干土罐表面，称重，计算出饱和含水率，然后将罐盖打开，放在系统置放槽上，每天读一次数据。直到负压表的读数接近最大量程。对宁夏农业发展的若干建议•宁夏是我国五个少数民族自治区之一，位于黄河上游，三面为沙漠包围，全区辖五个地，级市，22个县（市、区），土地面积约6.64万平方公里（约一亿亩）。总人口近600万，农村人口近426万，占总人口的71%,全区属典型的大陆性气候，平均年降水量为289毫米，蒸发量为1250毫米，且当地水资源量少而质差，时空分布很是不均。全区经济社会发展主要依赖于过境的黄河贺岁。从我组记录的数据来看，我们将银川的土壤类型分为三类。当然，我们的分类并不完善，由于技术、资金、人力的限制，我们只能根据土壤的表层理化性质和实验结果的相似度来予以区分。•主要分布在贺兰山东还把高度在1500~2000米之间。这类土壤从表面来看，颜色较浅，呈明显的明灰色。我们的建议是——秸秆覆盖。•主要原因有三：•1、秸秆覆盖能显著改善农田水分状况，从而改善土壤性状，增强土壤肥力，尤其在冬季。•2、秸秆覆盖能天界地温，对土壤有保温作用，易于来年春耕。•3、抑制杂草生长，减少病虫害。•对于宁夏地区，我们更建议秸秆返田，因为同样是将秸秆留在农田，秸秆返田需要将秸秆粉碎，再均匀的铺在地里，这样的优势是从整体上改善土壤。•我们将南梁牧场——镇北堡银川郊区平吉堡这一代土壤归为土壤2，这一类土壤部分被开垦耕种，部分保持草场形式，土壤分布较广，呈浅灰色，由于长期受耕种施肥灌溉的影响，这类土壤松软尔多孔，有机养料含量较高，农作物也较为繁多，我们观察到除了部分玉米外，还分布了大量的葡萄、提子、枸杞、蔬菜，而且果树分布较广（多为苹果、梨）。有果树的地带，土壤明显肥沃，我们注到部分果园存在着间作现象，已充分利用阳光，经过我组讨论分析，我们让位这种方式有利有弊。它的优势在于充分利用光照、空间提高农业收入。缺点却是加重了土地的负担，虽然农民每年都对土地施以肥料，但从长久计却不利于土壤的保护利用。因此，我