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土壤渗透率是由多种因素决定的,归纳起来有两方面的影响,一方面,土壤渗透率由土壤本身结构特性土粒密度﹑土壤容重﹑颗粒组成决定,并与渗透水温度﹑黏性﹑压力呈线性关系。另一方面极易受外界环境因素干扰,例如,人畜踐踏﹑农机耕作﹑交通工具压实﹑蓄水过程形成的静水压力作用等,使土壤渗透率大大降低,其数值达到几十倍至几万倍甚至更高,我们可以用土壤渗透率公式来分析造成这种现象的原因。
1 土壤渗透率公式的常数项C
土壤渗透率公式的常数项C,双环定压入渗实验的水头高度一般规定为5cm,土壤渗透率的数值统一换算为水温10℃的数值,这样一来公式中的m﹑ $\nu$ ﹑g均为常数,既:
C= $\sqrt{2}\frac{mg}{64\nu }$ = $\frac{1.4142\times 5\times 9.81}{64\times 0.0131}$ =8273.68
对于任意的土层,这个常数C是不变的。顺便说明,从土壤渗透率公式中我们可以清楚地看到土壤渗透率与g成正比,而g在地球的不同纬度和不同的星球上是不同的。在地球上g的变化不是很大,我们在研究土壤渗透率问题时忽略了这种变化,而把g当做常数处理了。从土壤渗透率公式中我们还可以清楚地看到土壤渗透率与 $\nu$ 成反比,而水的粘性系数随着水温的变化而变化,水温升高水的粘性系数 $\nu$ 变小,水的流速增加。当然水温一定时,水的粘性系数 $\nu$ 是不变的。
2 土壤孔隙度的影响
通常在评价土壤的孔隙性时,常将孔隙度K作为评价指标。土壤孔隙度K为单位体积土壤中全部孔隙容积所占的百分数,一般情况下土壤孔隙度K%大的土壤,土壤颗粒排列的比较疏松,土壤的通透性比较好,有利于液体水的流动。从土壤渗透率公式中我们可以清楚地看到土壤渗透率与K%成正比,是一种线性关系。需要明确指出,这种线性关系是在保持土壤渗透率公式中其它各个影响因素完全不变的条件下才能成立。对于自然界的大多数土壤土壤孔隙度K%的变化范围为20%~70%,因此可知土壤孔隙度K%对土壤渗透率的影响不大于3倍。也就是说,土壤孔隙度K%对土壤渗透率的影响是有限的。
3 土壤颗粒半径r与孔隙半径R比例系数A的影响
一般情况下,土壤颗粒半径r与孔隙半径R比例系数A的大小反映了土壤中土壤颗粒排列松紧程度,比例系数A大的土壤土壤颗粒排列比较疏松,有利于液体水的流动。从土壤渗透率公式中我们可以清楚地看到土壤渗透率与A2成正比,是一种典型的二次抛物线关系。
在土壤渗透率公式中,A的影响项为 $_A{2}\frac{A+0.5\pi }{A+1}$ , $_A{2}\frac{A+0.5\pi }{A+1}$ 的变化范围也是有限的,为0.1223~0.8583,对土壤渗透率的影响一般不超过3倍。
4 土壤颗粒大小和组成对土壤渗透率的影响
土壤颗粒大小和组成的影响项为 $\sum_{i=1}^{n}d_{i}^{2}\lambda _{i}$ %。通过前面的分析我们已经了解到土壤渗透率是由土壤结构基本特性决定的,也就是由土壤本身的土粒密度﹑土壤容重﹑颗粒大小和组成决定的。对于特定的土壤层次,土壤的土粒密度不随外界的影响而改变。可变化的为土壤容重,根据上述分析,土壤容重的变化所引起的土壤孔隙度K%和比例系数A的变化都是有限的,无法解释自然条件下不同土壤层次不同土壤剖面土壤渗透率的显著差别,无法解释同一个土层在外界压力作用下,土壤渗透率发生巨大变化。在土壤颗粒大小和组成的影响项 $\sum_{i=1}^{n}d_{i}^{2}\lambda _{i}%$ %中, $^\lambda {i}$ 也可能是一个可变因子,假设每一个径级的土粒,只有一部分土粒形成的孔隙透水参与渗透作用,用 $\lambda _{ij}$ 表示参与渗透作用的土粒质量百分含量,当某一个径级的全部土粒形成的孔隙均透水参与渗透作用,则: $\lambda _{ij}$ = $\lambda _{i}$ 。当某一个径级的一部分土粒形成的孔隙透水参与渗透作用,则:0< $\lambda _{ij}$ < $\lambda _{i}$ 。当某一个径级的全部土粒形成的孔隙均不透水均不参与渗透作用,则: $\lambda _{ij}$ =0。由土壤渗透率公式可知,土壤渗透率与形成孔隙的土粒直径 $d_{i}^{2}$ 成正比,是一种典型的二次抛物线关系,加上颗粒组成的这种变化,对于同一个土层,其土壤渗透率可以发生巨大的变化。为了验证这种推断的正确性,我们设计了以下的压力实验。用容重环随机采取自然状态下的不同土样做土壤渗透实验并测定土样的土粒密度和土壤容重,使用轻便固结仪对容重环内土样施加不同压力,每次加压撤去荷载后都测定土样的土壤渗透率,实验数据详见表。从表中可以清楚地看出,随着压力的增加,土壤容重 $\rho _{b}$ 变大,土壤孔隙度K%变小,但是,土壤容重 $\rho _{b}$ 和土壤孔隙度K%的变化幅度都较小,而土壤渗透率的变化却很大,自然状态下的土样土壤渗透率分别与施加3×9.8kg·m·s-2、2×9.8kg·m·s-2和0.5kg·m·s-2压力下的土样土壤渗透率相比相差几十倍至几万倍,实验结果证明理论上的分析是正确的。在一定的压力和含水量条件下,土壤颗粒形成的孔隙填实的过程,具有方向性。这是因为,一方面,较大粒径的土壤颗粒形成大孔隙,在压力作用下的处于半流动状态的土壤颗粒受几何形状的限制,只能是小径级的土壤颗粒向较大的孔隙中移动,而不是相反。另一方面,土壤颗粒在运动中需要克服摩擦力而作功,而摩擦力与比表面积成正比,较大土壤颗粒的比表面积小,较小的土壤颗粒的比表面积大,对于同样质量的土壤颗粒,较大土壤颗粒移动需要较小的力,较小土壤颗粒移动需要较大的力,由于力学上的这个原因,随着压力的增加,土壤颗粒移动的方向是从大逐渐向小,这就充分说明土壤渗透率由高到低的巨大变化,主要是土壤颗粒在压力作用下,按由大到小的顺序逐级向较大孔隙填实的结果,这就合理地解释了土壤渗透率变化幅度巨大的根本原因。
表1土壤渗透率压力实验
土壤质地 | 土壤物理性质 | 实验压力(9.8kg·m·s-2) 土粒密度 gNaN-3 | ||||
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| 自然状态 | 0.5 | 2.0 | 3.0 |
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粗沙土
| 土壤容重(gNaN-3) | 1.41 | 1.46 | 1.59 | 1.63 |
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增加值(%) |
| 3.90 | 12.92 | 15.93 |
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孔隙度(%) | 50.85 | 48.93 | 44.50 | 43.00 | 2.87 | |
减少值(%) |
| 3.77 | 12.49 | 15.44 |
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渗透率mm.min-1 | 1.58 | 0.41 | 0.12 | 0.094 |
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比值(倍数) | 16.81 | 4.36 | 1.28 | 1.00 |
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沙黏土
| 土壤容重(gNaN-3) | 1.5 | 1.64 | 1.82 |
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增加值(%) |
| 9.44 | 21.58 |
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孔隙度(%) | 39.64 | 33.95 | 26.61 |
| 2.48 | |
减少值(%) |
| 14.33 | 32.86 |
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渗透率mm.min-1 | 2.22 | 0.009 | 0.000072 |
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比值(倍数) | 30833.00 | 125.00 | 1.00 |
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粉沙土
| 土壤容重(gNaN-3) | 1.39 | 1.50 | 1.67 |
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增加值(%) |
| 7.94 | 20.27 |
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孔隙度(%) | 46.75 | 42.52 | 35.05 |
| 2.61 | |
减少值(%) |
| 9.04 | 23.09 |
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渗透率mm.min-1 | 0.044 | 0.008 | 0.0019 |
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比值(倍数) | 23.16 | 4.63 | 1.00 |
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粗砂土
| 土壤容重(gNaN-3) | 1.30 | 1.48 | 1.60 | 1.75 |
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增加值(%) |
| 13.63 | 22.70 | 34.14 |
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孔隙度(%) | 51.11 | 44.45 | 40.02 | 34.65 |
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减少值(%) |
| 13.04 | 21.71 | 32.65 | 2.66 | |
渗透率mm.min-1 | 4.46 | 1.50 | 0.41 | 0.15 |
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比值(倍数) | 23.47 | 7.89 | 2.16 | 1.00 |
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5 液体黏性的影响
通过土壤渗透率公式,我们可以清楚地看到,土壤渗透率与液体的黏性系数成反比,而液体的黏性系数与液体的温度成反比,既液体的温度高,黏性低,否则相反。由此可知,土壤渗透率公式不仅适用液体水,也适用于其他液体。
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