地下横向流动Texture-Contrast(双)土壤和集雨浅基础

文摘

Development-perched潜水面和地下横向流动在texture-contrast土壤(双)通常被认为发生由于液压a和B之间的不连续土壤的视野。包含浅基础,然而,在集雨地下横向流动导致优先流的组合从土壤表面soil-bedrock接口,在基岩地形起伏,横向流soil-bedrock接口通过大孔隙网络,和前期土壤湿度的影响大孔隙的连通性。回顾文献表明,其中的一些过程也可能参与地下横向流的发展结构对比土壤。然而,在多大程度上这些机制可以应用于纹理对比土壤需要进一步研究。模型需要改进的过程理解地下横向流动以提高洪涝灾害的管理,排水、盐度和离线农用化学品的运动。

1。介绍

Texture-contrast土壤(双)覆盖大约20%的澳大利亚土地质量(1或233万公里²(2]。根据Chittleborough et al。3]texture-contrast土壤发生在约80%的农业地区在澳大利亚南部和西澳大利亚西南部大约60%的农业地区(4]。“texture-contrast土壤”这个词并没有显式地定义在一个正式的土壤分类系统。“texture-contrast”一词首次使用的土壤集团(5澳大利亚土壤[]和手册6]引用碱土、脱碱化solenetz soloths,都有一个明显texture-contrast上部和下部之间的视野。Northcote [7]描述了texture-contrast土壤为“双”的底土(B层)结构至少一个半纹理组细比表层土壤(层),和地平线边界是清晰尖锐。澳大利亚土壤分类(8)确定三个土壤订单:Sodosols、Kurosols Chromosols,有一个明确的或突然结构B的视野。虽然“双”一词只是在澳大利亚,与对比土壤质地土壤之间的视野被发现在世界的其他地方9]。在“土壤分类”10),土壤特性最喜欢的双土壤分类与造型的元素“苍白”意义显示过度发展。这包括15大组3订单:软土,老成土和湿润。FAO-UNESCO世界土壤地图(FAO-UNESCO 1987),双土壤容纳在一系列类,主要是碱土和淋溶土单元(9]。

Texture-contrast土壤与一系列管理问题,包括洪涝灾害,收成不佳,结壳,可怜的根渗透,干燥,风蚀、水蚀,隧道侵蚀、盐度、和营养状况差4,11- - - - - -16]。Texture-contrast土壤自然很难设置(17)和遭受低渗透率和持水量(18),强调,过度种植已经发生(13]。巨大的存在,排水不良底土导致常规季节性涝,导致可怜的曝气为根,缺氮、锰含量增加,pH值较低(13]。texture-contrast土壤中作物产量减少导致水土流失、结壳、生根能力有限,可怜的曝气产生的土壤水分运动缓慢通过上层B层,和封闭根收缩裂缝和ped脸底土(19- - - - - -25]。地下水位与足够的边坡景观,栖息可能加剧了横向运动的水沉淀层的上表面导致洪涝灾害和盐度较低地区的景观13,22,26]。

鉴于texture-contrast土壤的大量使用对农业生产在澳大利亚,更好地理解存储水和溶质的过程和动员texture-contrast土壤对农业生产和环境保护都很重要。改进过程的理解机制栖息地下水位和地下横向发展texture-contrast土壤模型需要进一步开发以减少洪涝灾害的发生率,提高灌溉效率,减少营养物质的离线动员和农用化学品水路。

综述和比较了澳大利亚文学的发展栖息在texture-contrast土壤地下水位和地下横向流动,与国际研究地下横向流动的陡峭,森林集雨与浅基础。过程理解的差异和土壤水分模型之间的两个景观的过程理解的可转让性texture-contrast土壤进行了探讨,并建议未来的实地研究和模型开发。

2。地下横向流在澳大利亚Texture-Contrast土壤

地下横向流是指土壤水分过程中渗透水积累和横向移动下坡的沿上表面不透水层的土壤。

地下横向流被一系列的条款包括通流、地下暴雨径流,地下径流,和交流,例如,格里高利et al。27],雷曼兄弟和Ahuja [28),和泰29日]。地下横向流在山坡可能发生饱和、不饱和,或大孔隙流30.- - - - - -32]。地下横向流据报道从各种土壤类型,包括统一的土壤(33],分层土壤[29日,31日],金沙[33,34),可能同时发生在多个深度(29日,35]。

澳大利亚文学的评论表明,地下横向流是一个相对较小的组件(< 10%)的水文预算在旱作条件下(29日]。小数据可用作出类似的评估在灌溉风景尽管texture-contrast土壤灌溉农业的广泛出现。格里高利et al。27)表明,地下横向流比降雨变化集雨和年之间在同一流域。研究由考克斯和阿什利(36),考克斯等人。37),考克斯和皮特曼(38],史蒂文斯et al。39)表明,营养和阳离子通过地下交通hillslope位置之间的横向流变化和降雨事件。史蒂文斯et al。39]发现环境大量的溶解和颗粒磷、硝态氮和溶解有机碳作为地下横向通过A / B边界的大孔隙流texture-contrast阿德莱德山的土壤。在凯恩斯流域,南澳大利亚,流发生在地下横向流总量的89%。硝酸的损失被发现在地下21倍比地面水流流动,而损失的医生,Na, Cl,铝、铁、钾、和Mg也发现在地下横向流高于地面水流(36,38]。考克斯等人。37)解释说,溶质变化地下横向流的结果差异的相对贡献流从土壤大孔隙和矩阵。

栖息在texture-contrast土壤,发展地下水位和地下横向流普遍认为由于降雨,其渗透到地平线的利率超过粘土的渗透系数底土(24]。大孔隙的重要性和土壤水分状况的发展地下横向流动和溶质运动知之甚少,通常被忽视了在大多数领域和建模研究。然而,许多研究表明大孔隙流的潜在影响的预防栖息在texture-contrast土壤地下水位和地下横向流动。Smettem et al。40)发现,土壤大孔隙度和旁通流负责防止地下横向流的A / B层边界。绕过流过B层导致领域土壤大孔隙饱和水力导率都大大高于将从结构预测分析。因此,不同的结构边界内的配置文件没有起到节流垂直渗透,导致地下而不是横向流低剖面,在土壤/岩石界面而不是a和B的边界的视野。这和菲茨帕特里克41)也报告说,大孔隙度造成根洞吞噬土地间隙,提供足够的液压连接,防止地下横向流的发展在一系列texture-contrast邓达斯高地土壤,西方维多利亚。

3所示。地下横向流在陡峭的集雨浅基础

大多数的国际研究地下横向流或直流在陡峭的进行,通常与浅基础或阻碍森林集雨、层内大约两米的土壤表面。Maimai流域的一系列研究,新西兰,麦克唐奈(44和麦克唐奈等。48,49)表明,地下流发生在双组分系统,组成的快速大孔隙流和流动缓慢的矩阵。大孔隙流通过垂直裂缝导致快速饱和前运动较慢的概要文件的基础土壤湿润锋矩阵。发展地下水位栖息短暂是因为soil-bedrock接口相互连接的管道的存在。在H。J·安德鲁斯实验森林在俄勒冈州,范Verseveld et al。50)表明,地下横向流也从垂直运输的降雨导致土壤表面soil-bedrock界面通过优先流饱和度的整个土壤剖面没有soil-bedrock开发饱和所需的接口。Maimai流域,麦克唐纳et al。45)揭示了重要的基岩面控制地下流时间和示踪剂的突破。布拉姆(51和麦克唐奈等。45)也证明了小洼地和microtopographic救援在基岩表面施加一个大控制水的流动和混合。而之前的研究都倾向于把soil-bedrock界面相对平静,线性特性,与土壤表面平行,布拉姆(51和麦克唐奈等。45)表明,基岩表面似乎确定移动地下水流和示踪剂的途径突破在事件hillslope规模(图1)。基础属性的重要性在地下横向流发展,位置和速度进一步证明了格雷厄姆et al。52]中得出结论,下坡的流Maimai流域集中的土壤基岩界面流路径位置则由小地形和基岩地形的渗透性的变化。他们发现,尽管相当大的垂直渗流通过基岩地下横向流流速沿基岩表面发生在几个数量级比预测的达西定律。

侧走在日本的研究等。53,54)和Tsuboyama et al。55]试图解决这个明显的矛盾的存在连接系统提出的大孔隙麦克唐奈(44等)和染料示踪研究挨近et al。53),这表明流过大孔隙短暂而不连续。Tsuboyama et al。55]表明,大孔隙成为有效的规模取决于他们的连接,这增加了前期水分含量更高。挨近et al。53)还表明,尽管个别大孔隙部分一般都小于0.5米的长度,他们倾向于self-organise成更大的优先流系统扩大上坡前期土壤湿度增加。他们建议这样的动态优先流系统是由一系列的“节点”的连接,可以通过不同层次的前期水分条件。

研究帕诺拉山研究流域,格鲁吉亚,展示了基础结构的重要性的发展地下横向流动。Tromp-Van Meerveld和麦克唐奈(47,56]描述了地下的threshold-dependant发生横向流“填充和泄漏”的过程,在这水在土壤基岩界面水洼满满的基岩萧条,导致水“泄漏”下坡的基岩表面。风暴事件期间,水在土壤水洼基岩界面满满的基岩顶部的抑郁,导致水“泄漏”在基岩脊向下坡的海沟的脸。地下流仅限于狭窄的丝带的基岩低点,因一系列“channelised”饱和流。在暴雨事件前期土壤湿度增加,饱和萧条变得更加连接导致增加地下流沟的脸(图2)。后来的研究由Tromp-van Meerveld et al。57和王58]证明了下伏基岩不是不透水和泄漏地下横向流和饱和萧条的基岩含水层的水平衡的一个重要组成部分。通过使用探地雷达和电磁感应,尤德et al。(59)和《et al。60)也证明了阻碍层导致的地形狭窄的丝带”信道——“饱和流在黄土土壤和河流沉积物。

4所示。对比Texture-Contrast土壤和集雨与浅基础

与广泛的研究地下横向流的帕诺拉Maimai集雨、过程的理解机制负责开发地下水位季节性栖息在缺乏texture-contrast土壤和地下横向流动。

为了转移知识和理解的水文过程与浅层基岩集雨集雨包含texture-contrast土壤,这两个之间的相似点和不同点景观需要清晰的使用。集雨的包含在这篇文章中,都是比较陡峭,(在Maimai平均34°,13°帕诺拉),有很高的降雨在帕诺拉在Maimai(2600毫米,1240毫米),和主要是被森林覆盖46,47,53,56,57,61年]。之间和集雨内部不同基岩的深度,在Maimai流域土壤剖面的平均深度是77厘米46),同时帕诺拉流域土壤不同深度从0到1.8米的山坡上在山谷的底部(5 - 10米62年]。Maimai流域,入渗率高达146米/天,而饱和渗透系数从0.24到7.2米/天不等。基岩渗透率估计由麦克格林et al。46)0.1 /年,格雷厄姆et al。52)是0.02 - -0.07米/天Maimai帕诺拉排水的排水和0.14米/天(52]。

在澳大利亚,集雨包含texture-contrast土壤往往发生在中度降雨区域(600 mm - 1200 mm),在平原或轻轻起伏的高低起伏的风景63年]。他们经常用于农业包括种植在低的斜坡上,和旱地放牧、林业、中期或长期园艺上斜坡(39,64年]。下层土壤渗透率通常范围从中度到非常缓慢(0.5米/天< 0.0005米/天)63年]。下层土壤饱和导水率的测量值可能,然而,随在10米的距离(两个数量级22]。报告的下层土壤渗透系数值包括0.0001 - -0.20米/天(4),0.002 - -1.20米/天(22),0.012米/ y,和0.0003米/ y (39]。艰苦的et al。65年饱和导水率(附近)报道,kPa)的底土texture-contrast土壤根据前期土壤含水量之间存在着显著的差异。Silberstein et al。66年]也认为季节性肿胀双土壤水力传导率减少导致了好几个数量级。小数据可用来指示在texture-contrast基岩的深度土壤;然而,坦南特et al。4)认为,B层深度,一般< 0.3米,是更重要的属性预测texture-contrast地下横向流的发展土壤。

同时地下横向流动发生在texture-contrast土壤和集雨浅基础,重要的差异之间存在两个景观被认为影响负责横向流的发展过程。texture-contrast土壤相比,地下横向流与浅基础集雨了更高的山坡上,大的降雨,通常更大的障碍垂直流过的基石。在texture-contrast土壤,阻碍层深度(B层上)是很少深度超过0.3米,而许多米森林集水区。因此,它可能会需要更少的降雨,饱和土壤剖面和诱导texture-contrast土壤饱和在阻碍层,比集雨与浅基础。然而,麦克唐奈(44和范Verseveld et al。50]表明,Maimai和帕诺拉集雨,大孔隙流使降雨路由从土壤表面土壤-基岩界面不饱和土壤剖面。与主要与浅基础,森林集雨农业实践,如耕作、压实,以及有机碳的损失被认为限制在大多数texture-contrast土壤的表层土壤大孔隙流11]。在texture-contrast土壤,因此,饱和的A / B层边界更可能需要足够的雨水浸透整个地平线。

与浅基础集雨相比,优先流的底土一些texture-contrast土壤被认为预防而不是促进栖息地下水位和地下横向流的发生。Smettem et al。40),这和菲茨帕特里克41西尔伯斯坦),et al。66年和辛苦地等。67年)表明,大孔隙和收缩裂缝的底土至少一些texture-contrast土壤防止地下水位而不是增强栖息的发展使渗透深入地下,而不是积累沉淀层的上表面。

饱和度和地下发展横向流上面一层阻碍需要降雨强度超过阻碍层的渗透系数。在过去,大多数hillslope研究假定下伏基岩相对不透水(57]。而研究,如Tromp-van Meerveld et al。68年)和Tromp-van Meerveld和维勒57]越来越具有挑战性的这种观点,下层土壤水力传导率的基岩在大多数集雨与浅基础往往是大大低于大多数texture-contrast土的渗透系数。此外,与基石,至少部分的上表面texture-contrast土壤与前期土壤水分(季节性的变化而变化65年,66年]。虽然前期土壤水分被证明能增加地下横向流texture-contrast土壤和集雨与浅基础,所涉及的过程被认为是不同的。在集雨浅基础,较高的土壤湿度增加萧条在基岩表面之间的连接(47,56)和大孔隙段(53]。而与变性底土texture-contrast土壤,提高土壤水分状态被认为导致粘土底土膨胀导致关闭减少收缩裂缝和水力传导率的B层66年]。

5。进展提高了地下横向流的建模

许多研究已经使用仿真模型更好的预测或理解地下流在texture-contrast土壤的发生和集雨浅基础。兴趣的使用建模工具的结果与测量地下流相关的困难,和建模工具的小情节实验结果扩展到更大的尺度。早期地下横向流的数值模型是基于简单的概念模型如Whipkey和科克提出的(69年]。在这个模型中,降雨渗入地表土壤和池塘上方一个阻碍或不透水层,随着降雨的继续,饱和层;变厚和发展上坡饱和楔导致地下横向流沟的脸(图3)。

简单理解地下横向流的概念,一直保留在大多数texture-contrast土壤水运动的数值模型。通常,地下横向流表示为单个流路径通过土壤基质,由于一层平行的土壤表面和渗透系数的特点是一个值,例如,做饭,拉萨姆(70年Stolte, et al。71年),泰et al。72年],史密斯和Hebbert [73年]。这简单的结果从有限的理解过程负责代地下横向流texture-contrast土壤,特别是优先流的作用,和缺乏所需的字段数据充分代表了土壤水力性质的时空变化特征。虽然一些比较研究表明,增加模型的复杂性并不一定导致更好地模拟地下横向流(74年),作为一个一般原则模型不应该比必要的代表主要的水文过程(简单75年]。

林等。76年报告,许多流域和hillslope模型不能很好准确预测的相对贡献从地下横向流流量,baseflow和地表径流。表现不佳的结果结合当地复杂的流动路径和难度适当与水保属性的测量尺度。维勒和麦克唐奈(77年)还指出,概念化和参数化的影响横向大孔隙流hillslope水文目前代表了最大的挑战在流域尺度大孔隙流程建模。他们解释,困难并不源于规模达西流动过程的理解不足,而是不能充分代表大孔隙网络的拓扑空间和时间变化,确定优惠流过的速度和程度土壤在更大的尺度上。

早期的尝试模拟的影响优先流在hillslope规模利用管流模型基于曼宁的方程来模拟流过大孔隙网络soil-bedrock接口(77年- - - - - -79年]。液压管流模型的使用困难导致流管道和大孔隙之间的行为差异,包括完全流和部分流动,管道几何和粗糙度,管阻塞,管分支,增加增加前期水分(大孔隙网络模型的发展78年,80年]。近年来,二维等多个孔隙度模型交换(81年]和Hydrus-2D [82年)开发了模拟非平衡流在土壤大孔隙的83年]。对多个孔隙度模型提出了Kohne et al。84年),Simunek et al。83年],Simunek和van Genuchten [82年,85年]。简要这些模型假设多孔介质包含两个相互作用的区域,一个与interaggregate相关,大孔隙,或断裂系统,包括微孔隙内土壤聚合或矩阵。实际的大小、形式和大孔隙的数量不明确。相反,大孔隙特征被描述的非饱和土水力特性接近饱和van Genuchten [86年[]或德纳87年)方程和传质参数,使微孔和大孔隙域之间的交换(88年]。这些模型假设水和溶质可以瞬间移动到指定深度,同时走旁路的土壤基质土壤的入渗能力矩阵的降雨率和深度超过水洼[83年]。多个孔隙域模型已经成功地用于预测农药快速垂直运动到地下水通过复杂的物理和化学非平衡过程(82年];然而,他们使用hillslope地下横向流动的研究是有限的。使用multiple-pore域模型是有限很难获得大量的土壤参数(83年),和困难发展土壤水力参数或字段从柱浸实验测量大尺度(89年]。

克里斯琴森et al。88年]表明,多个孔隙度模型可以应用在hillslope规模模拟的影响大孔隙流流流量和地下水位在一个小(1.5公里处²在新西兰、丹麦(84年]。通过耦合一维渗流zone-3D地下水水文模型迈克她(90年黛西),生态系统模型,描述和1 d多个孔隙域概念在宏观91年],他们证明包含在仿真程序增加了大孔隙流流量和地下水的水平不到百分之一,但增加农药淋溶模拟的地下水,2 - 8倍,而大孔隙。

Tromp-van Meerveld [57]建议的原因之一hillslope水文一直努力前进的文献发表在1970年代和1980年代是假设在许多实验研究和hillslope模型基础是不流动的,因此代表了一个无边界条件在soil-bedrock接口。而研究,如Tromp-Van Meerveld和麦克唐奈(47和树林和罗92年)表明,基岩地形影响地下水流的时机和位置,很少有建模研究整合空间变量的影响基岩渗透率模型中的结构。Tromp-van Meerveld [57和格雷厄姆和麦克唐奈93年]演示允许异质性的重要性在基岩地形和渗透率。通过包括填充和泄漏机制从土壤表面和优先流网络模型结构中的基石,格雷厄姆和麦克唐奈(93年)能够可靠地重现测量自记水位计和示踪剂数据。Tromp-Van Meerveld和维勒57]还发现,包含模型所需的基岩渗漏是地下流响应多个风暴。没有基岩渗漏,衰退速度太慢,hilllslope风暴事件之间仍然太湿。包含大孔隙流也需要准确预测的最大深度饱和soil-bedrock以上界面和基岩渗漏。他们的结论是,需要更复杂的模型来模拟流出响应和内部hillslope动力学比通常是出现在许多hillslope模型。

为了提高地下横向流的造型texture-contrast土壤,文献之回顾与浅层基岩集雨表明模型需要考虑优先流土壤表面和基岩之间的边界,空间变化的地形阻碍层、泄漏和填补机制阻碍层,空间阻碍层的渗透率的变化,和优先流阻碍层的上表面(57]。西尔伯斯坦另外texture-contrast土壤,et al。66年和艰苦的67年)表明,前期土壤湿度对下层土壤导水率的影响可能需要包含在模型结构。

6。结论和研究机会

审查的文学在陡峭,森林集雨与浅基础表明地下横向流的组合结果优先流从土壤表面soil-bedrock表面,基岩的表面形貌的变化导致填充和泄漏机制变得更加连接随着前期土壤湿度增加,和饱和channaelised流沿着凹陷基岩表面和/或横向流沿基岩表面通过孔隙网络。相比之下,栖息的机制负责发展地下水位和地下横向流texture-contrast土壤不太好理解。发展地下水位栖息,地下横向流经常被归因于结构或土壤渗透系数A和B之间的不连续的视野。然而,有限的实地研究表明优先流和时空上B层的渗透系数的变化,这可能会影响渗透积累在A / B层边界或重新分配进一步下土壤剖面。

为了提高管理texture-contrast土壤,有限的现场数据和文献之回顾与浅基础表明集雨造型texture-contrast地下横向流的土壤需要改进的过程的理解。进一步研究需要更好地理解机制负责栖息地下水位和地下横向流的发展texture-contrast土壤;研究需要确定的程度(i)优先流在土壤A层能够绕过矩阵和快速交付渗透水阻碍层之前,其渗透到土壤基质,(2)的上表面的地形B层导致本地化的饱和度和channelisation地下横向流动,(iii)大孔隙和防止收缩裂缝渗透积累沉淀层的上表面,(iv)上B层的渗透系数受到前期土壤湿度的影响,和(v)空间和时间变化的渗透系数B的视野可以参数化,在二维表示,multiporosity水保模型。

确认

澳大利亚政府提供的资金是通过景观逻辑联邦环境研究机构中心。这项研究是同时进行的第一和第二作者是借调的主要行业,公园、水和环境,塔斯马尼亚岛(DPIPWE)。

引用

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