分層土壤的持水性能研究

葛 建， 黃德文，高 旭，湯金華,沈 華

(1.河海大學土木交通學院，江蘇 南京 210098；2.長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434000；3.中國地質大學(武漢)工程學院， 湖北 武漢 430074；4.南通職業(yè)大學建工學院，江蘇 南通 226001)

【研究意義】土壤水入滲是降水補給地下水的首要環(huán)節(jié)[1]。包氣帶土壤水入滲受降水、植被、蒸發(fā)以及土壤自身持水性能等多種因素影響，其中持水能力對土壤水入滲影響較大[2-4]。自然界中普遍分布著多層土壤的情況，多層土壤的水分運動特征不同于均質土壤[5]，研究分層土壤的持水性能對水資源綜合利用以及生態(tài)、環(huán)境建設等具有積極意義，對水資源匱乏的干旱和半干旱地區(qū)尤為如此。發(fā)生降水時，水分將首先使表層土壤孔隙水分飽和，形成的濕潤鋒向下運動。降水停止后，飽和土壤孔隙內的毛細懸著水繼續(xù)下滲，入滲過程持續(xù)到當飽和孔隙含水率降至田間持水率。田間持水率(Field Capacity)是土壤毛管懸著水達到最大時土壤所能夠保持的水量[2]，是土體內部自由排水停止或降低到忽略不計時的土壤含水率[6]。由于土壤微觀結構的原因，粗質土壤的田間持水率低于細質土壤[7-8]。就分層土壤持水性而言，相鄰土層的水力特性差異對土柱內水分的重分布產生影響。細顆粒上覆粗顆粒的土柱入滲實驗發(fā)現(xiàn)，由于細顆粒土的滲透系數(shù)較低，使上覆粗顆粒土的排水速度減慢，提高了粗顆粒土層的持水能力[9]。對于粗顆粒土壤上覆細顆粒土壤的情況，除提高土柱的持水能力以外，由于粗細顆粒界面處土壤基質吸力相等，當上層細顆粒土壤含水率逐漸加大時，下層粗顆粒土壤的滲透系數(shù)很低，形成阻礙雨水和污染物下滲的毛細屏障，這在干旱-半干旱地區(qū)的土壤修復及廢棄物物填埋處理中有著廣泛的應用[10]?！厩叭搜芯窟M展】為研究分層土壤的持水性能，前人開展了大量研究工作。Miller與Gardner[5]對砂土-砂壤構成的分層土柱開展了室內入滲試驗，結果表明相鄰土層的土壤孔隙特征差異對土柱的入滲性能有密切聯(lián)系。Whisler和Klute[11]研究了粗、細質地土壤的水力參數(shù)對分層土柱入滲性能的影響，比較發(fā)現(xiàn)田間持水率與滲透系數(shù)的影響效果最明顯。Avanidou和Paleologos[12]對非飽和、非均質分層土壤的入滲性能開展了實驗和數(shù)值模擬，指出不同統(tǒng)計模型、土壤水力參數(shù)的空間分布對實驗結果存在較大影響。甘永德[13]等采用黏土、壤土和砂土研究了雙層土柱的入滲特性，發(fā)現(xiàn)雙層土壤入滲受土壤分層方式決定。Baker和Hille[14]利用砂土上覆壤土的砂箱開展了入滲試驗，發(fā)現(xiàn)當上層壤土飽和，通過土層界面的水量開始加大時，由于砂土的非均質性導致了優(yōu)勢流的產生。可見前人關于分層土壤的研究主要集中在土壤的不同質地、粒徑及孔隙大小變化對分層土柱的滲透系數(shù)、含水率等水力參數(shù)的影響[9, 15-17]，對分層土壤保水能力的研究則主要集中在不同土質、分層順序及非均質性的影響方面[6, 18]，針對土壤分層厚度及分層數(shù)量變化對土壤持水能力影響方面的研究則相對較少。【本研究切入點】本文以我國北方干旱區(qū)常見的細砂和砂壤土以不同分層厚度和分層數(shù)量進行組合，分別設計了50、25、12.5 cm 3種土壤分層處理(對應2、4和8層土結構)，與均質細砂和均質砂壤的持水能力進行比較，【擬解決的關鍵問題】目的在于了解自然排水條件下，不同質地的土壤分層數(shù)量以及分層厚度變化與土柱持水性能的關系，為干旱-半干旱地區(qū)的水資源保護以及生態(tài)修復工作提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗于2016年5月在河海大學水文與水資源國家重點實驗室進行。試驗裝置采用100 mm內徑、高度1300 mm的PVC管材，上部開口，底部設有直徑10 mm均勻排水口(間距20 mm)，以便于土柱排水，試驗用水為自來水。實驗砂壤和細砂均采自鄂爾多斯盆地的庫布奇沙漠，細砂粒徑中大于0.075 mm的顆粒占總重量的85 %以上。2種土壤的物理性質如表1所示，土壤顆粒組成通過篩分法測定[19]，土質分類參照土壤國際制分類標準，2種土壤的田間持水率按照Meyer和Gee提出的砂性土當試驗土柱下界面排水速率為0.01 cm/d時的土壤含水率即為田間持水率的方法確定[20]。

試驗用土在烈日下晾曬48 h充分風干后碾壓破碎，過2 mm細篩，去除砂礫、草根等。試驗土柱底部充填10 cm厚、粒徑6～8 mm的礫石層作為反濾層。礫石層上放置10目鋼絲網和透水土工布各1層，防止上層試驗土壤混入下部反濾層。充填土壤前對風干砂壤土和細砂的含水率進行測定，得到2種土壤的初始含水率分別為：細砂=1.45 %、砂壤土=2.36 %。推測砂壤土風干后含水率較高的原因是粉粒、粘粒含量以及含鹽量高于細砂，相應的吸濕能力強于細砂。

試驗土柱根據(jù)土壤分層情況分為5組，同組設土柱3根，分別由均質細砂、均質砂壤土以及分層厚度分別為50、25和12.5 cm的細砂和砂壤土組合構成，土柱分層情況見圖1。裝土時，按照不同構成對土柱進行分層填筑，每層用木棍均勻振搗25次，確保填充土壤均勻連續(xù)，土柱長度為100 cm。

1.2 試驗方法

試驗土柱填筑完成后，將土柱置于水槽中3 d，使其完全飽和，在實驗室用稱重法[19]測定2種土樣飽和含水率，換算成體積含水率為：細砂Ws= 38.6%，砂壤土Ws=42.8 %。將實驗裝置從水槽中移出，土柱底部排水。用有機玻璃板覆蓋試驗裝置頂部，控制土柱頂部蒸發(fā)。實驗于2016年5月11日上午6: 00開始，歷時120 h。在0、1、2、3、4、6、8、10、12、18、24、30、36、42、48、60、72、84、96、108、120 h進行計重(最小讀數(shù)0.1 g)，換算為土柱持水量。

表1 試驗土壤的物理性質

圖1 分層砂柱持水性能試驗裝置及分層情況

在土柱排水過程中，由于頂部覆蓋，土柱中多余水分由反濾層排出，為測定對應時間的土柱持水量數(shù)據(jù)，在設定時間對試驗裝置計重(稱量裝置量程為30 kg，精度為0.1 g)。試驗砂柱充填后測得干土+試驗裝置的質量m，隨后測得不同時刻的濕土+裝置質量m0、m1、m2……m120，其中m0為飽和土柱+裝置質量，不同時刻土柱的持水量為：

(1)

式中，ρw為水的容重,α為土柱截面積，Swi單位為mm。

在120 h后立即用取樣器進行土壤樣品取樣，取樣間距為10 cm，每根土柱分別得到0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm共10個樣品。所取土樣置于塑料密封袋中，以稱重法測定這些樣品的含水率，得到不同分層處理土柱的含水率剖面。稱重法測得的為質量含水率，分析誤差<1 %，主要測試方法如下：首先稱量空鋁質取土盒質量m1，隨后取30 g左右土樣放入稱量盒中，測得盒與土的質量為m2；將土盒置于105～110 ℃烘箱內恒溫烘干8 h，測定烘干土樣和取土盒的質量m3，則土樣質量含水率為：

(2)

折算為體積含水率為：

(3)

式中,ρb和ρw分別為土的容重以及水的密度。

2 結果與分析

2.1 土柱持水量變化

細砂、砂壤土以及50 cm分層的細砂+砂壤的土柱持水量-時間的關系(圖2a)，25和12.5 cm 3種分層處理的土柱持水量-時間關系(圖2b)。土柱排水初期(10 h以前)速度均較快，10 h以后排水速度明顯放緩。其中細砂排水速度最快，排水量最大，因此120 h持水量僅108 mm，砂壤排水速度最慢，120 h持水量356 mm，3種不同分層處理土柱的持水量介于細砂和砂壤土之間，總體表現(xiàn)為分層厚度為12.5 cm的土柱持水量>25 cm分層土柱持水量大于50 cm分層土柱持水量。

試驗開始時，3組分層土柱的飽和持水量非常接近(407、404、403 mm)，試驗結束時12.5 cm分層土柱持水量為246 mm，25 cm分層土柱持水量為225 mm，50 cm分層土柱持水量最低，為214 mm。從試驗最終土柱持水量可見土壤分層數(shù)量越多，土柱的持水量就越大，相應的排水速度也較慢。根據(jù)任利東等[21]的研究，土柱內部分層處理影響界面處水分入滲的氣體排出，從而提高分層土柱的持水性能。

圖2 不同分層土柱的持水量-時間關系

2.2 土柱含水率剖面

土柱的不同持水能力不但反映在持水量變化方面，也反映在試驗土柱在120 h時的含水率垂向分布上。不同分層處理土柱在120 h的持水率剖面見圖3，據(jù)圖3a可知，細砂的含水率明顯低于砂壤土，這是由于細砂中粘粒和粉粒含量遠小于砂壤土的原因造成的。在排水實驗完成后(120 h)通過鉆孔取樣分析發(fā)現(xiàn)，在所有試驗土柱中砂柱的持水量最低。細砂在0～50 cm深度的含水率接近其田間持水率(4.2 %)，但50 cm以下砂柱含水率逐步上升，到90 cm深度含水率仍接近飽和含水率。砂壤土持水量明顯高于細砂，由于粘粒含量較高，0～30 cm處砂壤的含水率略高于田間持水率13.1 %，30 cm以下含水率明顯增加，剖面底部含水率接近飽和(42.8 %)。試驗還發(fā)現(xiàn)砂壤土柱0 cm剖面含水率大于10 cm處含水率，可能的原因是為防止蒸發(fā)影響，對土柱頂部進行了覆蓋。蓋板上凝結的水汽滴落，加上砂壤土排水速度較慢，造成了剖面頂部土壤含水率偏大。

就分層土柱的含水率剖面而言，本試驗的3種分層處理，即：(50+50)、(25+25)和(12.5+12.5)cm，雖然土柱填充使用的都是一半細砂、一半砂壤土，但由于土柱分層的差異，這3種情況的含水率剖面存在明顯差異(圖3b～d)。3b圖為(50+50)cm分層土柱的含水率剖面，上層細砂含水率很低，0～30 cm處基本接近細砂的田間持水率，30～50 cm細砂含水率逐漸加大，50 cm以下砂壤部分的含水率明顯較高，土柱底層含水率接近飽和，剖面含水率分布與土壤分層之間呈現(xiàn)出較為明顯的規(guī)律性。

這種土柱含水率與土壤垂向分層情況相符的現(xiàn)象也在圖3c, 3d中得到驗證，圖3c為25 cm間隔的細砂+砂壤土柱，含水率剖面在0～30、30～50、50～75和75～100 cm分為4段，對應的含水率從5 %～15 %增大至28 %～34 %，再下降至6 %～23 %，到底部截面又再次增大到40 %左右。同樣在圖3d中，土壤含水率在0～10、10～25、25～37.5、37.5～50、50～62.5、62.5～85、85～100 cm深度范圍層化明顯，相應含水率變化與土壤分層變化的規(guī)律與圖3c吻合。說明了砂壤與細砂的分層土柱下層的砂壤能夠提高上層細砂的持水量，且土壤分層數(shù)量對提高土柱持水性能作用明顯。

圖3 分層土柱的含水率剖面(方框中為混合樣)

表2 利用HYDRUS-1D模擬的土壤水力參數(shù)[26]

分層土柱的含水率剖面分析發(fā)現(xiàn)土壤在分層位置的含水率變化明顯，土柱內部排水主要集中在細砂層，細砂層的含水率整體接近其田間持水率(4.3 %)。相對砂壤層的失水非常有限，砂壤層的含水率均大于其田間持水率(13.1 %)。這是由于不同土壤的保水性能差異造成的，同時土壤界面處上下層土壤的微觀孔隙結構和孔隙內部的水-氣界面差異也會引起砂壤土排氣不暢，對砂壤層排水產生阻滯作用[22]，從而提高分層土柱的整體含水率。

在圖3b、c、d可以發(fā)現(xiàn)，由于土柱的分層界面與鉆孔取樣深度不一致，土柱分層越薄，鉆孔時越容易取到不同土壤組成的混合樣。這就導致了圖3b中的40 cm深度、圖3c的20、70 cm以及圖3d的10、20、30、60、70和80 cm處的土壤含水率均一定程度偏離了單純細砂或砂壤土在相同深度處的含水率。該情況如采用含水率TDR探頭監(jiān)測而非鉆取土樣的方法應該可以避免產生類似問題[23]。

3 討 論

3.1 與HYDRUS-1D程序模擬結果的比較

為進一步比較試驗觀察結果，根據(jù)試驗砂柱的實際分層情況，利用HYDRUS-1D[24]對120 h不同分層處理土柱的含水率進行了模擬。HYDRUS-1D模擬采用VGM模型，砂壤和細砂的水力參數(shù)見表2，上邊界為定流量邊界，下邊界為定水頭邊界，初始條件以水頭值進行控制，120 h土柱的含水率模擬值與實測值如圖4。

圖4 HYDRUS-1D模擬的120 h土柱含水率模擬值與實測值

由圖4可知，HYDRUS-1D模擬結果與室內土柱試驗的含水率剖面具有相同變化趨勢，除混合樣含水率與模擬結果存在差異外，其余實測含水率與模擬值吻合度較好。砂壤和細砂柱的實測值與模擬值吻合度較高，0～40 cm深度剖面的實測值比模擬值略大以外，40 cm深度以下各剖面的實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)基本吻合。3種不同分層處理土柱的含水率模擬值表現(xiàn)出明顯的層化現(xiàn)象，層化情況與變化趨勢與試驗觀察結果類似，說明粗質土壤上覆細質土壤在分層界面位置存在毛細屏障作用，提高了分層土柱的持水能力。

從圖4c與圖4d可見，在上層砂壤與下層細砂界面處，砂壤能夠明顯提高細砂層的含水率，且越到剖面深處表現(xiàn)越明顯，說明土壤分層數(shù)量的增加，增強了毛細屏障的作用，因此一定程度提高了分層土柱的含水率，范嚴偉[25]等對砂夾層土壤降水入滲性能開展類似研究也觀察到了類似的現(xiàn)象，但這種現(xiàn)象對50 cm分層土柱不明顯。

3.2 分層數(shù)量及厚度對土柱含水率變化的影響

室內土柱試驗及HYDRUS-1D模擬結果都說明粗-細土壤分層界面位置含水率變化非常劇烈，細砂層的平均含水率為5.2 %，而砂壤的平均含水率為27.4 %，反映了2種不同質地土壤自身持水能力的差異，使土柱的排水主要來自粗質土壤。另一方面也反映了上覆砂壤層與細砂層的界面處，重力水流進入下層細砂時受到排氣阻礙的影響，能夠一定程度提高土柱持水能力。隨著土柱分層數(shù)量增加，土柱持水能力提高的效果越明顯，土柱分層厚度對含水率變化有一定影響。

4 結 論

本文針對干旱地區(qū)常見的“砂夾層土”開展了 5 種不同處理的分層土柱室內入滲試驗，研究了試驗土柱的持水量和含水率變化，利用HYDRUS-1D模型對入滲過程的含水率剖面進行了模擬比較，得出以下結論。

(1)粗質土壤上覆細質土壤的處理方式在分層界面處的毛細屏障作用具有降低滲透的效果，能夠提高上層土壤的持水能力。

(2)分層土柱中土壤剖面水分分布不連續(xù)，砂壤層含水率較高，土柱的水分降低主要來自細砂層。隨著分層數(shù)量的增加，分層界面的毛細屏障作用增強，使土柱底部細砂層的含水率增大，提高了土柱的持水能力。

(3)粗-細質地土壤分層處理能夠提高土柱的持水能力，且增加土壤分層數(shù)量有助于提高土柱持水能力，但對土壤分層厚度的臨界值推定，尚有待進一步開展相關研究工作。