灌溉水之水温pH值及电导度.docx
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灌溉水之水温pH值及电导度
下均勻土層穩定流理論
(Non.Uniform,steadyflow)
在自然界裡,大部份的土壤為非均勻性土壤,即具有明顯不同物理或化學特性的層狀結構。
最常見的例子是水田,當我們觀查水稻田,會觀查到稻田的表土層(surfacesoil)會有10~15公分深的(幾乎非常均勻(uniform))的黏土層,當然有些地方,這層黏土層會較深一些,在這表土層以下的通常會有一層較粗質地的沙土層,稱為底土層(subsoil)。
在水稻的種植期間,大部份的時間是維持一定的淺淺水深(0~5公分)在土層的表面。
如果你在田邊站久了,一邊觀察水田的土壤,一邊看那田間鷺鷥多潔白,多詩意,這引起一位種田阿伯的注意,他走過來問道:
“喂!
少年仔看什麼?
”,你很有禮貌的笑笑:
“阿伯你好,我是讀農業工程的學生,來這裡看看啊!
學習學習!
”老阿伯說“呸(吐了一口又紅又大的檳榔)!
種田的行業都真簡單,還需要學喔!
還需要唸什麼農業工程系呢?
呸!
(又吐一口,還夾帶一點口水)倒不如小學畢業,給我放牛,走田仔路,現在早就出師了。
”你被無端搶白一段,也覺得阿伯的話也有道理,心想在農工系,混了多年,修了流力,水文總是剔刀邊緣,一時也百感交集,干腸糾結,嘆了一口氣:
“是阿!
難怪孔夫子也說他不知老農。
”,這一來老阿伯反而不好意思,說:
“少年嘿,免怨嘆,讀書人,書讀卡多,將來娶太太卡水喔!
卡有錢喔!
”,少年仔一聽頭垂的更低了,突然他注意到阿伯的赤腳上都是泥巴,好像在記憶中每一個農夫腿上的泥巴都是在類似的高度,為什麼不會高到大腿以上,或低到腳裸以下?
於是少年仔問阿伯,這一下阿伯也口吃起來:
“這,…,這,…這,好像水田淹了一、二個月,表土就是這樣濕濕黏黏的,但是下面就是乾乾硬硬的,就是七月颱風雨水,大的可以淹死躲在田角的老賴蛤蟆,底下的土還是乾乾的,是啊?
種子一輩子的田,也沒有想過這事的理由。
”“阿伯,你聽過達西(Darcy)嗎?
”“沒有啊,是不是外國品種的水牛?
”“不是啦!
是一位科學家,他的理論可以帶你解釋,請聽下去……。
”
假設水田長期在固定水深(H)的覆蓋下,水流入滲速率(或是達西通量),q,已經達到穩定狀態(steadystate),dq/dt=0,水田假設為一不均勻的結構-層狀(Layered)土壤,這時候可分幾種狀況討論之:
1.兩層土壤皆達飽合
hg1=h1+h2,hp1=hhT1=h1+h2+H
h1K1黏土層
hg2=h2,hp2=xhT2=h2+x
h2K2沙土層
R.L.地下水hg3=0hp3=0hT3=0+0=0
(因為地下水)
層飽和
Darcyflux在黏土層的表示,根據Darcy’s公式為
(1)
又Darcy’sflux在沙土層為
(2)
因為是steadystate,故q1=q2=q,
(1)=
(2)
由
(1)知
(3)
或(3)式改寫為
(4)
由(4)知hp2介於黏土與沙土中間,其值祗受黏土層影響,而與沙土層的特性無關。
將(4)代入
(2)
(5)
或(5)式改寫為
(6)
(7)
(8)
(8)式為雙層不均勻土壤飽和狀況下的達西式子。
假設黏土層k1=0.01cm/hr,h1=15cm,水深1cm,沙土層k2=10cm/hr,h2=100cm,故q為
q值代入(4)式得
由q=-0.0768cm/hr,知,q在一非均勻的雙層土壤,其值主要控制在表土黏土層的k值。
這裡可以澄清一些錯誤的觀念,有人認為加深淹灌水深(H),可以大大提高入滲率,q,好像利用正水壓把水壓入土中,利如把H提高為20cm(增加20倍),結果q=-0.0894cm/hr(才增加0.16倍),所以要用土壤來自淨污水,表層提防黏土層,不然大部份的水,將成漫地流而流失。
有人認為減少表土層的深度,也可以提高入滲速率,如把h1減少為1cm(減少15倍),結果q=-1.055cm/hr(增加13倍),離沙土層的飽和K值=10cm/hr仍差很多,所以控制q的不是表黏土層的深度(h1)而是其k1值(hydranlicconductivity)。
另由於hp2=-99.23cm(<0)非飽和,得出一個一般人想像不到的現象,就是表黏土層表面長期的淹灌水分,而且地下層可能有一正水壓,使的水流到地下水,結果在土層界面有負水壓(negativesoilwaterpressure)存在,是非飽合的,難怪15cm表土層的黏土層水田,種田阿伯的腳上污土深不會超過15cm長,也難怪他以為腳下仍有一層乾硬的黏土。
這種現象,對水田的白鷺鷥非常重要,使的牠在起飛時,腳可以向後踢,有層硬土有足夠的摩擦力。
如果改變表土層為沙土層,底土層為黏土層,則q值更小
而有意思的是
可見此時兩層中間為飽合,這種地方,就是“流沙”,因為人陷下去沒有一塊乾地使他有足夠摩擦力向前移動,祗好身體因重力而緩慢下沈。
農機開入這移土地也無法移動,所以必須在土壤乾燥時,用耙子耕的15公分深,地那層細質地的土壤翻到表土來,這是我用很簡單的Darcy公式告訴老伯田裡為什麼要經常翻田的理由。
(如果一塊農田拿來處理污水,也必須定期曬田、翻田)。
老伯聽到此,大為讚嘆,差一點把一口檳榔汁給吞到肚子裡說:
“少年仔,我看你讀書是有點用,有來歷,好!
明年我也讓我那放牛的黑仔去投考你那什麼農業…工程…的研究所,今晚先來我家吃豬腳飯吧!
對了,你真的確定達西不是新品種的外國水牛”。
由此可知翻田是土壤復原重要的措施。
再把問題探討深入一點。
2.如何在雙層土壤中,產生飽和層與非飽和層。
並且使的表土層是飽和,深土層是非飽和,其中間界面hp2=0,為飽和
H
hg1=h1+h2,hp1=H,hT1=h1+h2+H
sath1K1
hg2=h2,hp2=0,hT2=h2
h2K2
unsat
R.Lhg3=0,hp3=0hT3=0
(9)
(10)
由(10)知,此時非飽和流在深土層為Darcy’sflux是該土層的導水係數k2,此k2亦可表示為土壤含水量的函數k2(θ)。
如果深土層為非飽和,那表示|q2|>|q1|即在深土層的Darcy’sflux大於表土層的Darcy’sflux。
所以表土層無法提供足夠的水,供深土層形成飽和,故由(9)與(10)知
(11)
或是
(12)
(12)式說明,,即產生非飽和含水層於深土層,且
使界面為飽和,是控制在水深(H),亦即需要不能太大的水深,而且k2(θ)>k1,由此知表土層必須是黏土層才有很小的k1值存在,而深土層必須是粗質地,在近飽和的非飽和狀態才有較大的k2(θ),因為在非飽合時Darcy’svelocity極顯著的降低,為防止地下水受污染,必須保持深土層是非飽和流,如何保持呢?
即在表土層舖黏土層,使的k1很小,其理論根據即在(12)式,舖多深(h1)呢?
必須依H(即污染水深)與k2
值而定,一般H愈大,所舖h1需愈大,如果,那為了保
持黏土層的防止污染,且使的深土層非飽和,必須在界面有排水口,使的hp2=0,由此我們可以知道,何時需埋排水管。
又(12)式表明H與h2無關,即與地下水位多深無關,這表示一個很多人犯的工程錯誤,以為地下水位愈深(h2愈大),可以安心使用較大的H來漏污水,所以以為污水槽放在地下水位很深的地方
表土上較安全,其實錯了,有沒有污染依看k2(θ),而那與H有關,而非h2。
由(12)可以簡化為
(13)
或是
(14)
在(14)式兩邊+h2,
或
故
(15)
由(8)與(10)式知
|q2|>|q|(16)
又|q1|<|q|(17)
因為由(9)式知,若(17)成立,必須
(18)
(18)式可以化簡為
(19)
(20)
(21)
因為(9)式
(22)
因為(10)式代入(22)式知
(23)
故(17)式得証!
由(16)與(17)知
|q2|>|q|>|q1|(24)
3.如何在雙層土壤中,使得表土層與深土層之界面為非飽和,而且深土層也非飽和。
H
sathg1=h1+h2,hp1=HhT1=H+h1+h2
h1
unsathg2=h2,hp2=-hchT2=h2-hc
h2
此hc為正值,所以hp2為負值,表明是在非飽合狀態下(於界面)。
(25)
由(24)知
(26)
(27)
因為hc為正值,所以hc愈大,即界面層愈乾,H需愈小,界面層愈乾,flux愈小,污染愈少影響及地下水。
假若污染外洩係如滴點那麼少,則H»0
或
(28)
因為k1>>k2(表土很黏,或舖上瀝青、柏油)
所以hc>h2(29)
那麼hc就與地下水深度(h2)有關了,即地下水愈深,h2愈大表土層的飽和層就愈少,而界面愈乾,污染入滲就愈緩慢了。
所以地下水深度有無影響,需視hp2(界面水壓)而定,其次才是H。
由此可知,讓空氣在那一個深度進入土壤,可以控制土壤污染的速度,或地下水污染的速度。
土壤污染取合理論
溶質(solute)的移動,在土壤或是地下水的孔隙介質層間,是有趣且複雜的研究:
農藝學家由此來推導土壤中N.P.K在植物根系層間的移動,與吸收,環境學家由此來憑估NO3-可能在土壤間的下滲,以致對於地下水的污染,農化學者由此來推測土壤的鹽鹼化與所需的淋洗;另外近代有關污染質如有機殺草劑、重金屬、有機油碳羥類、放射性的元素等在土壤、淤泥、地下水,植物體中之移動都是深受注重的研究題目。
影響溶質移動的因子很多:
有物理方面的,一即ConvectiveTransport(或稱為MassFlow),此solute隨著DarcyFlux而移動,此時solute的運輸則受導水係數K(θ)所影響,可用傳統的Darcy’s式來表示;另一即為DiffusionTransport,即solute的運輸也受濃度差所影響,是solute分子的擴散移動,不具方向性,純為Randomwalk,此時的運輸可用Ficker’slaw描述之,且由Ds(DiffusionCoef.)擴散係數來表示該溶質的擴散特性;另一為HydrodynamicDispersion,是一種Microscopic流體行為,是特別指著流體流過固體的表面,因為shearstress,使的流體在接近固體表面的流動速率緩慢,所以溶質的傳播緩慢,反之在較遠離固體表面的流速較快,則溶質的傳導也較快,其傳導的特性,亦由一係數Dn示之,Dn稱為Dispersioncoef。
影響溶質的移動,有化學方面的,在土壤方面稱為physiocochemicalsystem,這包括離子的置換,吸附,沈澱,溶解,與揮發。
影響溶質的移動尚有生物方面的影響,如植物對於溶質的吸附,微生物的吸收或分解、轉化。
最後尚有外界環境的影響:
如溫度,土壤的pH值,土壤的氣化與還原電位,溶質的不同組成分,溶質的濃度等。
溶質的ConvectiveTransport
這是假設溶質完全隨著Darch水流移動,所以溶質的convectiveflux,Jc為溶質濃度,C,乘以Darcy’sFlux,q,
(1)
K,HT,z,負號在前面幾章,皆解釋過了。
Jc的定義為單位時間,與面積,所流過的溶質量。
q亦可表示為
q=θ‧(2