层状土室内入渗过程中指流发育的宏观特性

层状土室内入渗过程中指流发育的宏观特性

1指流的染色示踪试验在土壤差异较大的地块，或碱性土壤的渗透和再分布过程中，如果湿峰前未及时释放的空气会引起气阻，那么水流就容易流失。指流发生后可形成特殊水流通道,携带可溶性物质(如养分和污染物)快速抵达深层土壤甚至地下水,这会削弱土壤及其中的微生物对污染物的降解作用,降低植被根系对养分的吸收,并可能加剧对地下水的污染。因此指流研究对于农业、林业及环境保护等具有重要意义。染色示踪技术是观测和分析土壤优先流/指流的重要手段。在水流经过的区域,土壤被染色剂染成明显不同于土体本来的颜色(即土壤基底颜色),从而可将水流经过的区域和没有经过的区域区分开来。在进行指流的染色示踪试验时,所拍得土壤剖面图像中通常会呈现出复杂的几何形状,并具有一定的分形特征。作为探索不规则结构和形态的主要工具,分形几何具有两个重要的特征,即自相似性和分形维数,其中分形维数是度量不规则物体或分形物最主要的指标。物体的分形维数不同,其复杂程度或动态演化过程就不同。本文针对细质土覆盖粗质土的层状土进行了室内积水入渗的染色示踪试验。对不同粒径的下层粗质土情况下的湿润面积、平均湿润比和入渗率等进行了对比分析,并利用Photoshop与Matlab软件,对染色示踪试验过程中所得到的土壤剖面图像采用像素点覆盖法计算其计盒维数,且在此基础上定量分析了层状土入渗过程中下层粗质土粒径对指流分形特征的影响。2材料和方法2.1材料及试验方法本文设计四组室内试验。试验装置主要由供水装置和入渗装置组成(图1)。入渗装置为透明的有机玻璃土槽,土槽底部和两侧均设有排气孔(装有小孔隙钢丝网防止土粒泄漏),其高60cm,宽50cm,厚2cm。供水装置为内径6cm的马氏瓶。土槽内,下层放置40cm厚的石英砂,设计干密度为1.55g·cm–3,初始含水率为其自然含水率(接近0);上层为15cm的砂壤土,设计干密度为1.4g·cm–3,设计初始质量含水率为8%,设计积水水头为2cm。所用砂壤土取自中国农业大学上庄试验站。所用材料的基本物理性质参数如表1所示,其中饱和导水率通过常水头法进行测定。四组试验处理的石英砂粒径范围为0.5-1mm、1-2mm和2-4mm,其中1-2mm的石英砂进行两组试验,分别表示为1-2mm/A和1-2mm/B。石英砂和砂壤土分别按设计干密度分层(每5cm一层)装入土槽,并进行层间打毛。试验中由于水分在白色石英砂中入渗时湿润锋不明显,采用亮蓝作为染色示踪剂。考虑到上层砂壤土中的粘粒对亮蓝有一定的吸附作用,为避免其影响,亮蓝粉末采用薄薄一层撒在上下土层交界面处(由于亮蓝溶解度较大、放置量少且每次试验放置亮蓝数量相同,所以亮蓝的存在对入渗试验影响很小,可以忽略)。积水入渗试验采用马氏瓶供水并维持水头恒定。通过记录不同时刻的马氏瓶读数,得到不同时刻的累积入渗量,进而计算出入渗强度的变化过程。用三脚架固定数码相机,定时拍摄湿润锋随时间的变化。拍摄时应避免移动相机,并使所拍照片尽量端正不倾斜,以便于后期的图像处理。2.2石英砂图像分割本文对染色示踪试验过程中所拍得数码照片的分析处理采用Photoshop与Matlab软件相结合的方法,利用Photoshop对图像进行预处理,然后由Matlab软件转化为二值图像并进行统计分析。步骤如下:(1)图像预处理。由于拍摄过程中光线和角度的问题,不能用Matlab软件直接对图像进行二值化处理,需要先用Photoshop的图像编辑功能,将所拍照片进行裁剪校正,得到长宽比为5:4的下层石英砂剖面的矩形图像。(2)图像分割。图像分割是提取出图像中需要部分的过程。图像分割方法主要分以下几类:阈值法、区域法和边缘检测法。由于试验中白色石英砂和蓝色的水流形成明显对比,本文采用阈值法对图像进行分割。值得注意的是,阈值的取值会对指流的形态造成一定影响,Baveye等分析了阈值处理对优先流分形维数的影响。本文利用Photoshop软件中的阈值功能选择灰度直方图中两峰值之间的最低点(谷点)的灰度值作为阈值来确定,这样做出的阈值图像的湿润锋形态最符合实际情况,误差相对较小。这样做是因为直方图是面积函数的导数,而在谷底附近直方图的值相对较小,即意味着面积函数值随阈值灰度级的变化最小,选择谷底处的灰度作为阈值可以使其对物体边界的影响达到最小。除去由于光线和石英砂本身所造成的明显的不属于染色部分的点,这样图像就变成染色部分为黑色,未染色部分为白色的图像。(3)图像二值化。用Matlab软件读取图像,并把图像转化为二值图像,0代表染色部分(黑色),1代表未染色部分(白色)。2.3matlab的计算步骤分形几何中用于计算分形维数的方法有很多,其中计盒维数由于数学计算和经验估计相对简单,是应用最广泛的分形维数之一。计盒维数(box-countingdimension)的基本定义是:设F是Rn上任意非空的有界子集,Nuf064(F)是直径最大为uf064的可以覆盖F的集的最少个数,则F的计盒维数可以定义为本文采用像素点覆盖法计算计盒维数。图像在计算机中的存储以像素为单位,一幅宽为n像素、高为m像素的数字图像读入Matlab后,对应于一个m×n的矩阵。对于二值图像,像素点为白色或黑色,在相应的矩阵中分别用1或0表示。Matlab计算计盒维数的主要步骤如下:(1)读入Photoshop处理过的图像,并进行二值化处理,将图像转为矩阵数据。(2)根据图像宽和高的像素数确定可以进行等分的次数p(28)[log2(min(m,n))],其中[·]表示取整。(3)对i(28)1,2,(42),p,将数据文件的二值化数据划分成若干块。对应于i,每一块的行数和列数都为2(i-1),把所有含有0(黑色)的块数记为Ni,即以k(28)2(i-1)个像素点的尺寸为边长对块进行划分,可以得到盒子数N1,N2,(42),Np。(4)设uf065为一个像素点的尺寸,则行和列都为k个像素点的块的边长为kuf065。在双对数坐标中对数据点(-lg(kuf065),lgNi)进行直线拟合,所得直线的斜率即计盒维数Db。应用上述程序对已知维数的图形进行验证如表2所示。表2中,除了对Koch曲线的计算误差为8%以外(误差较大可能与图像分辨率有关),其余的误差均在1%以下,所以用该程序来计算图像的计盒维数是可行的。3结果与分析3.1效性试验结果四组试验所得的湿润锋随时间变化的概化图如图2所示。由于指流形态不规则,所以在1-2mm和2-4mm试验中,进入石英砂层后只代表性的描绘出60min时的湿润锋形状。可以看出,水分在上层细质土壤中入渗时,湿润锋是稳定的,属于均质入渗。当湿润锋通过土砂界面进入下层粗质土壤后,湿润锋变得不稳定。其中0.5-1mm石英砂的试验中,湿润锋呈现波浪状,并未出现明显的指流形状,而其它三组试验形成指状入渗通道,即出现了明显的指流。试验过程中湿润锋还出现了间断的现象,这说明尽管土槽厚度仅2cm,在此方向上流动也不均匀,甚至有指流出现。石英砂不同粒径下的湿润锋对比表明,下层石英砂的粒径不同,出现指流的数目、直径和行进速度也不同。下层石英砂粒径越大,湿润锋边缘越不平滑,越容易出现区分形的指流。相同石英砂粒径(1-2mm)下的湿润锋形状也有很大差别,在A试验中,中间指流行进速度明显大于两边指流的行进速度,而在B试验中,各条指流的行进速度相对均匀。A试验中60min时,行进最快的指流已经到达土槽底部,但是B试验中100min以后指锋才到达土槽底部。这些现象反映出指流的不稳定性和随机性。3.2温湿度特征根据张建丰等的研究,指流的微观特征可以采用指锋深度、指根深度、指流数目和指流推进速度等来表示。我们采用指流区湿润面积和湿润比以及平均湿润比表征指流发育情况下的宏观入渗特性。湿润面积为石英砂层中某一时刻湿润土体的面积(即有水流通过的面积),湿润比表示一定深度上湿润像素个数与图像宽度像素数的比值,平均湿润比表示湿润面积与最大湿润深度以上土壤面积的比值。湿润比剖面能大致反映土壤含水量在垂向的相对大小分布。图像经过Photoshop处理后,利用Matlab的矩阵运算可得到湿润比、湿润面积和平均湿润比的值。2-4mm试验的湿润比随时间的变化如图3所示。可以看到,随着试验的进行,湿润锋向下推移,且同一深度上湿润比越来越大,表明该深度上土壤状态由未完全湿润逐步向完全湿润过渡。随着深度的增加,湿润比逐渐减小。对比图2可以看出,指根部分指流的直径较大,湿润比大,中间部分直径迅速减小,湿润比减小。其他三组试验中的湿润比有类似的趋势。湿润比剖面特征及其随时间的变化规律与均质土入渗过程中土壤含水率的时空变化特征类似,其关系有待进一步研究。四组试验中下层石英砂层湿润面积随时间的变化如图4所示,可以发现二者呈线性关系。对试验数据进行线性拟合,线性相关性系数都超过0.99,表明湿润面积与时间呈显著线性相关关系,即湿润面积随时间是均匀增加的。直线的斜率可以反映湿润锋的平均行进速度。可以看出,虽然指流的形态不同,各指锋的行进速度不同,但是平均行进速度均趋向于一个常数,且粒径越大,平均行进速度越大。另外,虽然1-2mm两组试验湿润锋的形态是随机的(图2),但两者湿润面积随时间的变化很相近。四组试验平均湿润比随时间的变化情况如图5所示。平均湿润比越大,表示湿润面积占的比例越大,湿润锋分布越均匀。0.5-1mm试验平均湿润比明显大于其他三组试验,这与图2中的现象一致。随着试验的进行,平均湿润比增大,即随着试验的进行,指流直径变大,湿润锋趋于均匀。1-2mm两组试验的平均湿润比有较大差异:1-2mm/A试验中,中间三条指流的入渗速度明显大于两边的指流,而1-2mm/B试验中,出现各条的指流的入渗速度比较均匀,所以1-2mm/A试验的平均湿润比小于1-2mm/B的平均湿润比。3.3测量时间对指流的影响分形维数是表示指流分形特征的重要参数。整数维数只能描述几何图形的静态特征,而分数维数描述的是几何图形的动态变化。分数维数描述了各种现象中由细小零碎的局部特征构成整体系统行为的相关性。本文中所计算的计盒维数越接近于2,表明湿润面积越均匀,越趋近于平面,指流的形态越不明显。本文中四组试验的计盒维数计算结果随时间的变化如图6所示,结果都在1.75-2.00之间,表明水流在石英砂中的指流形态具有分形特征。0.5-1mm试验的计盒维数明显高于其余三组的计盒维数,而实际试验中,0.5-1mm的试验并未有指流的现象出现,湿润面积确实趋于平面。两组1-2mm的试验和2-4mm试验的计盒维数没有明确的大小关系,可能是由于试验中,指流现象都已经十分明显的原因。计盒维数反映的是图像的特征,由于1-2mm的两组试验指流形态差异较大,所以1-2mm两组试验的计盒维数并不相同,且没有明显关系。四组试验的计盒维数都有随着时间的增加而增大的趋势,表明随着试验的进行,湿润面积都逐渐趋于均匀。从图中还可以明显看出,2-4mm的计盒维数随时间的变化最快,即湿润面积趋向于均匀的趋势最快。如图5和图6所示,平均湿润比的变化趋势与计盒维数的变化趋势大致相同。平均湿润比反映的是最大湿润深度以上部分的湿润面积,平均湿润比越小,指流特征越明显,则计盒维数就越小。随着试验的进行,湿润面积逐渐趋于均匀,平均湿润比和计盒维数都随时间而增大。3.4试验过程中累积入渗量与所处的时间关系层状土中发生指流情况下的累积入渗量如图7所示,它与普通上细下粗层状土未发生指流情况下的结果基本一致。可以看出,由于四组试验中上层砂壤土性质相同,前40分钟左右,湿润锋在上层细质土中属于均质入渗,四组试验累积入渗量随时间的变化基本一致。在入渗初期,累计入渗量的斜率比较大,即入渗率比较大,进入石英砂层后,累计入渗量与时间呈线性关系,即入渗率趋于一个稳定的常数,达到稳渗状态。从三种粒径的试验结果来看,进入下层粗质土后累积入渗量与稳定入渗率存在较明显的差异,下层土壤颗粒越大,稳定入渗率与累积入渗量越小。另外,虽然1-2mm的两组试验的指流形态差异较大,但是累积入渗量变化趋势大致相同。指流为层状土入渗中的特殊表现,虽然指流形态的发育具有随机性,指锋行进速度也不同,但是相同的土壤粒径下累积入渗量和入渗率基本相同。4土壤粒径、温度和用量对指流发育的影响本文通过层状土的室内积水入渗试验,分析了下层粗质多孔介质对指流形态、累积入渗量、湿润面积和湿润比的影响,并计算分析了四组试验的分形维数。根据研究结果得到以下结论:(1)在层状土入渗过程中,上层细质与下层粗质土粒径相差较大时会出现指流现象。但指流出现后累积入渗量和入渗率的变化过程符合层状土入渗的一般规律,即上层细质土的入渗属于均质入渗,进入下层粗质土后逐渐趋向于稳定入渗,且下层土壤粒径越大,稳定入渗率与累积入渗量越小。(2)下层粗质土粒径对指流形态有很大影响。下层粒径越大,越容易出现区分性明显的指流,并且指流行进速度越快,指流直径越小。(3)上、下层细质土和粗质土相同、积水水头相同的两组试验,指流的形态与行进速度也有很大差别,反映了指流的不稳定性,但是累积入渗量、入渗率和湿润面积随时间的变化特性基本相同。(4)采用湿润面积和湿润比作为评价指流宏观特性的指标。水分进入下层粗质土后,湿润比的时空变化规律与均质土积水入渗过程中土壤含水率的时空变化类似,即平均湿润