土石混合介質(zhì)碎石性質(zhì)對(duì)土壤入滲和產(chǎn)流過(guò)程影響

司曼菲 甘永德

摘要：為了研究土石介質(zhì)中碎石性質(zhì)對(duì)土壤入滲和產(chǎn)流過(guò)程的影響，本試驗(yàn)采用室內(nèi)土柱試驗(yàn)，分析了兩種不同巖性碎石（片麻巖和石灰?guī)r）分別在碎石質(zhì)量比例（土石介質(zhì)比例）為15%、45%、65%和90%的條件下，對(duì)土壤入滲和產(chǎn)流的影響，并用Philip模型和Horton模型進(jìn)行了擬合分析。其結(jié)果如下：（1）在同一種巖石，相同時(shí)間內(nèi)，土壤累積入滲量隨碎石含量的增多而減小，產(chǎn)流量隨碎石含量的增多而增加;（2）在相同碎石比例條件下，相同時(shí)間內(nèi)，片麻巖的累計(jì)入滲量大于石灰?guī)r，而產(chǎn)流量小于石灰?guī)r;（3）Philip模型、Horton模型均可擬合土石介質(zhì)土壤累計(jì)入滲量隨時(shí)間變化關(guān)系，穩(wěn)定入滲率A（if）隨碎石含量呈減小趨勢(shì)，土壤吸滲率S隨碎石含量呈減小趨勢(shì)，而初始入滲率ii呈增加趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：土石混合介質(zhì);石灰?guī)r;片麻巖;土壤累計(jì)入滲量;徑流強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TV139.14文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

16721683（2018）02005905

Abstract：In order to study the effects of gravel properties on soil infiltration and runoff process in soilrock medium，we conducted laboratory soil column experiments.We mixed two different rock fragments （gneiss and limestone） with the same soil.The gravel mass proportions （of the soilrock medium） were 15%，45%，65%，and 90% respectively.Then，the relationship between cumulative infiltration and time were fitted with the Horton model and the Philip model.The results showed that：（1） For the same rock within the same amount of time，the cumulative infiltration of soil would decrease with the increase of gravel content，and the runoff would increase with the increase of gravel content.（2） With the same gravel proportion，within the same amount of time，the cumulative infiltration of gneiss was greater than that of limestone，and the runoff was less than that of limestone.（3） The Philip model and the Horton model can be used to fit the relationship between cumulative infiltration and time.As the gravel content increased，the infiltration rate A（if） tended to decrease，the soil infiltration rate S tended to decrease，and the initial infiltration rate ii tended to increase.

Key words：

soilrock medium;limestone;gneiss;soil cumulative infiltration;runoff intensity

土壤水分入滲過(guò)程復(fù)雜，是“四水”轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)該過(guò)程對(duì)開(kāi)展流域水文模擬和水文預(yù)報(bào)具有重要意義。自然條件下，因成土過(guò)程和人類活動(dòng)的影響，山地土壤內(nèi)廣泛分布著大量碎石[1]。一方面，碎石會(huì)增加土壤孔隙的彎曲程度，限制水分入滲[2]。另一方面，碎石會(huì)促進(jìn)土壤中大孔隙地形成，為水分運(yùn)動(dòng)提供優(yōu)先流通道[3]。因此，土石二元介質(zhì)中的水分入滲特性比均質(zhì)土壤較為復(fù)雜，再加上土壤中碎石類型、粒徑、含量及空間分布等的變異性的影響[48]，使得研究入滲與產(chǎn)流更為復(fù)雜。為了解碎石對(duì)土壤水文過(guò)程的影響，近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[922]從碎石含量、大小、形狀、巖性及與土壤的結(jié)合方式、分布狀況等方面考慮碎石對(duì)土壤水分、溶質(zhì)運(yùn)移的影響展開(kāi)研究，并采用了一些數(shù)學(xué)模型對(duì)此進(jìn)行擬合[2324]，來(lái)觀測(cè)土壤水分的運(yùn)動(dòng)特征。根據(jù)以往的研究結(jié)果表明碎石能對(duì)土壤的產(chǎn)流和入滲產(chǎn)生影響，其既能增加土壤水分的入滲，產(chǎn)流的減少，也能減少水分的入滲，產(chǎn)流的增加。但因取樣的空間變異性及碎石含量﹑物理性質(zhì)的差異，研究結(jié)果并不一致，甚至相互矛盾[2526]。在以往碎石性質(zhì)的研究中，常忽略了某些碎石具有一定的透水性和持水性，如本研究中的片麻巖具有一定的透水性和持水性，而石灰?guī)r不具有或很小。而片麻巖介質(zhì)和石灰?guī)r介質(zhì)混合壤土常分布于山地土壤中，對(duì)入滲、產(chǎn)流和匯流等水文過(guò)程產(chǎn)生不同的影響。基于此，本文采用室內(nèi)試驗(yàn)針對(duì)兩種不同巖性碎石，分析其在不同比例組合的混合土體中對(duì)入滲產(chǎn)流等水文過(guò)程的影響，研究了不同巖性性質(zhì)碎石在不同碎石（簡(jiǎn)稱土石二元混合介質(zhì)）比例下對(duì)土壤入滲產(chǎn)流影響，并用Philip模型和Horton模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了擬合，研究將為水分在土石二元混合介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究提供參考。

1試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)材料

供試土樣取自河北易縣崇嶺流域典型山坡（中科院地理所野外實(shí)驗(yàn)站），包括片麻巖碎石（2～40 mm）、石灰?guī)r碎石（2～40 mm）和壤土。土壤經(jīng)風(fēng)干、碾壓、過(guò)2 mm篩備用。用烘干法測(cè)其初始質(zhì)量含水量，用環(huán)刀法測(cè)其干容重和飽和體積含水量，用吸管法測(cè)其顆粒組成（表1，表2），采用離心機(jī)法（SS600）測(cè)定土壤水分特征曲線，并用Van Genuchten模型進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如表3所示。Van Genuchte模型是用來(lái)描述壓力水頭（h）與含水量（θ）的關(guān)系，來(lái)表達(dá)包氣帶水分特征曲線。方程形式為：

θ=θr+（θs-θr）/[1+（α·h）n]m

式中：θ為土壤體積含水量（cm3/cm3）;h為負(fù)壓水頭（-cmH2O）;θs、θr分別為土壤飽和含水量和殘余含水量（cm3/cm3）;α為土壤平均空隙半徑有關(guān)的參數(shù)（1/cm），n為曲線形狀參數(shù)，m=1-1/n。

1.2試驗(yàn)裝置與方法

不同碎石比例土壤降雨入滲試驗(yàn)采用如圖1所示的垂直土柱法進(jìn)行。試驗(yàn)裝置主要由土柱、積水杯、降雨器及數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成。土柱上部有出水口，出水口處放置具有稱重功能的積水杯，用于測(cè)量積水。試驗(yàn)在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院延慶基地“水資源與水土保持工程技術(shù)中和試驗(yàn)大廳”開(kāi)展，降雨過(guò)程由人工降雨系統(tǒng)控制。試驗(yàn)考慮兩種性質(zhì)不同碎石：片麻巖（具有持水性和導(dǎo)水性）和石灰?guī)r（無(wú)導(dǎo)水性和持水性）;每個(gè)碎石設(shè)置4個(gè)不同比例處理，為了控制裝填土樣的一致性，混合所用的土壤均為壤土，土壤經(jīng)風(fēng)干、碾壓、過(guò)篩后，與碎石按不同質(zhì)量比進(jìn)行均勻混合，得到不同比例的土石二元混合介質(zhì)。碎石質(zhì)量比例（碎石比土壤）分別15%、45%、60%和90%，分別標(biāo)記為土石比15%、土石比45%、土石比60%和土石比90%，每個(gè)處理三個(gè)重復(fù)，并且三個(gè)重復(fù)同時(shí)開(kāi)展試驗(yàn)。

土壤裝填時(shí)，首先在土槽底部鋪設(shè)反濾作用的石子，厚10 cm;再在石子的上面鋪設(shè)紗布，然后將均勻混合的土石混合介質(zhì)按一定容重（均質(zhì)土壤為140 g/cm3;片麻巖土石混合介質(zhì)密度分別為147 g/cm3、157 g/cm3、159 g/cm3和164 g/cm3（質(zhì)量比自小到大）;石灰?guī)r土石混合介質(zhì)密度分別為155 g/cm3、177 g/cm3、185 g/cm3和196 g/cm3（質(zhì)量比自小到大）分層將土石混合介質(zhì)分層（10 cm/層）裝入土柱（直徑29 cm;高50 cm），并在土柱5、15、25 cm處埋設(shè)EM5C土壤水分傳感器測(cè)定土壤含水量，分別記為EM5、EM15和EM25。土柱設(shè)置兩個(gè)出水口，分別為壤中流和地表徑流。試驗(yàn)降雨過(guò)程由降雨大廳人工降雨系統(tǒng)控制，雨強(qiáng)為50 mm/h。試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)定時(shí)段降雨量、時(shí)段徑流量、濕潤(rùn)鋒距離、土壤含水量等試驗(yàn)觀測(cè)值。當(dāng)濕潤(rùn)鋒穿透土柱后，停止試驗(yàn)，并迅速采用鋁盒在土[HJ1.84mm]柱0、5、10、15、20、25、30 cm處取土，用烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水量。

2結(jié)果與分析

[BT（3+1]2.1[ZK（]降雨條件下土壤累積入滲量隨入滲時(shí)間的變化關(guān)系[BT）]

降雨條件下，不同碎石比例片麻巖和石灰?guī)r累積入滲量隨時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖2，可以看出，土壤累積入滲量隨時(shí)間的增大而單調(diào)增加。同一巖性的土石介質(zhì)在不同比例的土石比例條件下，土壤累積入滲量隨時(shí)間呈上升趨勢(shì)，其中土壤累積入滲量在前50 min內(nèi)有明顯增加的趨勢(shì)，隨后，土壤累積入滲量隨時(shí)間的變化趨于平穩(wěn)。相同入滲時(shí)間內(nèi)，均質(zhì)土壤>土石比15%>土石比45%>土石比90%。這說(shuō)明土壤累積入滲量隨碎石含量的增大而減小。

不同巖性相同碎石比例條件下，土壤累計(jì)入滲量隨入滲時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖3，可以看出，當(dāng)土石比例一致時(shí)，

不同巖性的土石二元介質(zhì)土壤，累計(jì)入滲量隨入滲時(shí)間的變化趨勢(shì)一致，出現(xiàn)這種情況的原因主要是，隨著降雨入滲地進(jìn)行，入滲量逐步累積，土壤含水量隨之增加，水勢(shì)梯度減小，入滲速率減緩。相同的入滲時(shí)間內(nèi)，相同土石比例條件下，片

麻巖由于本身質(zhì)軟，所以片麻巖的入滲性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石灰?guī)r。而且，由圖中可以看出，隨著土石比例地提高，片

巖的開(kāi)口越來(lái)越大，故隨著土石比例的增加，片麻巖的優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯。出現(xiàn)這種情況的原因可能是，相較于石灰?guī)r，片麻巖的層狀結(jié)構(gòu)使得其具有更強(qiáng)的導(dǎo)水性，導(dǎo)致降雨入滲過(guò)程中，土壤水分可能穿過(guò)碎石，進(jìn)入土壤。這說(shuō)明碎石比例相同條件下，土壤累積入滲量是由土壤中碎石的性質(zhì)決定的。

[BT（3+1]2.2[ZK（]降雨條件下土壤累積入滲量隨入滲時(shí)間的變化關(guān)系擬合[BT）]

采用Philip模型分別擬合了片麻巖和石灰?guī)r不同碎石比例土壤累積入滲量隨時(shí)間變化關(guān)系（見(jiàn)表4和表5）：

I（t）=St0.5+At

式中：I（t）為土壤累積入滲量;S為吸滲率;A為穩(wěn)滲率。由擬合結(jié)果來(lái)看，隨著土石比例地提高，吸滲率和穩(wěn)滲率有呈減小的趨勢(shì)。擬合決定系數(shù)均在08以上，且大部分在096以上。由此可見(jiàn)，Philip模型較好的反應(yīng)了土壤累積入滲量隨入滲時(shí)間的關(guān)系。但值得注意的是，當(dāng)時(shí)間t趨于無(wú)限大時(shí)，計(jì)算結(jié)果比實(shí)際值偏大，因此Philip入滲公式只適用于入滲時(shí)間不長(zhǎng)的情況[27]。故在入滲后期，特別是土石比例偏大的情況下，可能會(huì)出現(xiàn)了一定的偏差。

同樣采用Horton模型擬合了片麻巖和石灰?guī)r不同碎石比例土壤累積入滲量隨時(shí)間變化關(guān)系（見(jiàn)表6和表7）：

I（t）=ift+（ii-if）（1-e-c[KG*6]t）/c

式中：if為穩(wěn)定入滲率;ii為初始入滲率;c為常數(shù);t為時(shí)間。

土壤的入滲總量大小取決于穩(wěn)定入滲率if和初始入滲率ii。由擬合結(jié)果來(lái)看，隨著土石比例地提高，初始入滲率隨之提高，而穩(wěn)定入滲率呈減小的趨勢(shì)。擬合決定系數(shù)均可達(dá)到095以上。較好的反映了土石二元混合介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

在土壤入滲過(guò)程中，入滲初期，土壤含水量較小，水勢(shì)梯度較大，因此土壤入滲較快。但隨著時(shí)間地推移，水勢(shì)梯度減小，含水量增加，濕潤(rùn)區(qū)變大，濕潤(rùn)鋒的吸力變小，入滲減慢，最終趨向于穩(wěn)定入滲率。Horton模型在時(shí)間變化上，采用時(shí)間t的指數(shù)變化，適合長(zhǎng)時(shí)間的入滲過(guò)程，更接近于實(shí)際情況。

不同土石比例條件下徑流強(qiáng)度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4 ，可以看出，隨著入滲時(shí)間增加，土壤開(kāi)始產(chǎn)流，然后呈上升趨勢(shì)，隨后徑流強(qiáng)度隨時(shí)間增加穩(wěn)定。不同比例土石介質(zhì)條件下，徑流強(qiáng)度的增加趨

勢(shì)基本一致。片麻巖和石灰?guī)r的混合介質(zhì)材料在不同土石比例條件下，趨勢(shì)一致，為土石比90%>土

石比65%>土石比45%>土石比30%>土石比15%>均質(zhì)土壤。在不同比例的土石介質(zhì)條件下，隨著片麻巖或石灰?guī)r比例的提高，徑流強(qiáng)度的峰值也呈逐級(jí)升高趨勢(shì)，且其到達(dá)峰值的時(shí)間呈負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)。即巖石含量越高，徑流強(qiáng)度峰值越大，但到達(dá)峰值所需時(shí)間越短。

3結(jié)論

通過(guò)降雨條件下的室內(nèi)土柱試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同巖性碎石在不同比例條件下對(duì)土壤入滲和產(chǎn)流過(guò)程

影響，分別采用Philip模型和Horton模型對(duì)結(jié)果進(jìn)行了擬合，并得到以下結(jié)論：（1）在相同的時(shí)間段內(nèi)，片麻巖和石灰?guī)r的土壤累積入滲量均隨碎石含量的增多而減小，說(shuō)明碎石介質(zhì)對(duì)土壤水分下滲有阻礙作用;（2）當(dāng)碎石比例一致時(shí)，相同時(shí)間，片麻巖的累計(jì)入滲

量大于石灰?guī)r，這與片麻巖本身就有一定的透水性或持水性有關(guān);（3）徑流強(qiáng)度與土石比例含量呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢(shì)，土石比例較高時(shí)，徑流強(qiáng)度也越大;（4）Philip模型、Horton模型均可擬合土石介質(zhì)土壤累計(jì)入滲量隨時(shí)間變化關(guān)系，且Horton模型擬合效果更好一些，從擬合結(jié)果來(lái)看，土石混合介質(zhì)對(duì)土壤累積入滲有削減作用，對(duì)產(chǎn)流速率反而有加強(qiáng)作用。

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