司曼菲 甘永德

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

關鍵詞：土石混合介質;石灰?guī)r;片麻巖;土壤累計入滲量;徑流強度

中圖分類號：TV139.14文獻標志碼：A文章編號：

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

土壤水分入滲過程復雜，是“四水”轉化的重要環(huán)節(jié)，準確認識該過程對開展流域水文模擬和水文預報具有重要意義。自然條件下，因成土過程和人類活動的影響，山地土壤內廣泛分布著大量碎石[1]。一方面，碎石會增加土壤孔隙的彎曲程度，限制水分入滲[2]。另一方面，碎石會促進土壤中大孔隙地形成，為水分運動提供優(yōu)先流通道[3]。因此，土石二元介質中的水分入滲特性比均質土壤較為復雜，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]，使得研究入滲與產流更為復雜。為了解碎石對土壤水文過程的影響，近20年來，國內外學者[922]從碎石含量、大小、形狀、巖性及與土壤的結合方式、分布狀況等方面考慮碎石對土壤水分、溶質運移的影響展開研究，并采用了一些數(shù)學模型對此進行擬合[2324]，來觀測土壤水分的運動特征。根據(jù)以往的研究結果表明碎石能對土壤的產流和入滲產生影響，其既能增加土壤水分的入滲，產流的減少，也能減少水分的入滲，產流的增加。但因取樣的空間變異性及碎石含量﹑物理性質的差異，研究結果并不一致，甚至相互矛盾[2526]。在以往碎石性質的研究中，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。而片麻巖介質和石灰?guī)r介質混合壤土常分布于山地土壤中，對入滲、產流和匯流等水文過程產生不同的影響。基于此，本文采用室內試驗針對兩種不同巖性碎石，分析其在不同比例組合的混合土體中對入滲產流等水文過程的影響，研究了不同巖性性質碎石在不同碎石（簡稱土石二元混合介質）比例下對土壤入滲產流影響，并用Philip模型和Horton模型對試驗結果進行了擬合，研究將為水分在土石二元混合介質中運動規(guī)律研究提供參考。

1試驗材料與試驗設計

1.1試驗材料

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驗站），包括片麻巖碎石（2～40 mm）、石灰?guī)r碎石（2～40 mm）和壤土。土壤經風干、碾壓、過2 mm篩備用。用烘干法測其初始質量含水量，用環(huán)刀法測其干容重和飽和體積含水量，用吸管法測其顆粒組成（表1，表2），采用離心機法（SS600）測定土壤水分特征曲線，并用Van Genuchten模型進行擬合，擬合結果如表3所示。Van Genuchte模型是用來描述壓力水頭（h）與含水量（θ）的關系，來表達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的參數(shù)（1/cm），n為曲線形狀參數(shù)，m=1-1/n。

1.2試驗裝置與方法

不同碎石比例土壤降雨入滲試驗采用如圖1所示的垂直土柱法進行。試驗裝置主要由土柱、積水杯、降雨器及數(shù)據(jù)采集器構成。土柱上部有出水口，出水口處放置具有稱重功能的積水杯，用于測量積水。試驗在中國水利水電科學研究院延慶基地“水資源與水土保持工程技術中和試驗大廳”開展，降雨過程由人工降雨系統(tǒng)控制。試驗考慮兩種性質不同碎石：片麻巖（具有持水性和導水性）和石灰?guī)r（無導水性和持水性）;每個碎石設置4個不同比例處理，為了控制裝填土樣的一致性，混合所用的土壤均為壤土，土壤經風干、碾壓、過篩后，與碎石按不同質量比進行均勻混合，得到不同比例的土石二元混合介質。碎石質量比例（碎石比土壤）分別15%、45%、60%和90%，分別標記為土石比15%、土石比45%、土石比60%和土石比90%，每個處理三個重復，并且三個重復同時開展試驗。

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

2結果與分析

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

降雨條件下，不同碎石比例片麻巖和石灰?guī)r累積入滲量隨時間的變化關系見圖2，可以看出，土壤累積入滲量隨時間的增大而單調增加。同一巖性的土石介質在不同比例的土石比例條件下，土壤累積入滲量隨時間呈上升趨勢，其中土壤累積入滲量在前50 min內有明顯增加的趨勢，隨后，土壤累積入滲量隨時間的變化趨于平穩(wěn)。相同入滲時間內，均質土壤>土石比15%>土石比45%>土石比90%。這說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，土壤累計入滲量隨入滲時間的變化關系見圖3，可以看出，當土石比例一致時，

不同巖性的土石二元介質土壤，累計入滲量隨入滲時間的變化趨勢一致，出現(xiàn)這種情況的原因主要是，隨著降雨入滲地進行，入滲量逐步累積，土壤含水量隨之增加，水勢梯度減小，入滲速率減緩。相同的入滲時間內，相同土石比例條件下，片

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

巖的開口越來越大，故隨著土石比例的增加，片麻巖的優(yōu)勢越發(fā)明顯。出現(xiàn)這種情況的原因可能是，相較于石灰?guī)r，片麻巖的層狀結構使得其具有更強的導水性，導致降雨入滲過程中，土壤水分可能穿過碎石，進入土壤。這說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間的變化關系擬合[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間變化關系（見表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。由擬合結果來看，隨著土石比例地提高，吸滲率和穩(wěn)滲率有呈減小的趨勢。擬合決定系數(shù)均在08以上，且大部分在096以上。由此可見，Philip模型較好的反應了土壤累積入滲量隨入滲時間的關系。但值得注意的是，當時間t趨于無限大時，計算結果比實際值偏大，因此Philip入滲公式只適用于入滲時間不長的情況[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間變化關系（見表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。由擬合結果來看，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。擬合決定系數(shù)均可達到095以上。較好的反映了土石二元混合介質的運動規(guī)律。

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

不同土石比例條件下徑流強度隨時間的變化趨勢見圖4 ，可以看出，隨著入滲時間增加，土壤開始產流，然后呈上升趨勢，隨后徑流強度隨時間增加穩(wěn)定。不同比例土石介質條件下，徑流強度的增加趨

勢基本一致。片麻巖和石灰?guī)r的混合介質材料在不同土石比例條件下，趨勢一致，為土石比90%>土

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

3結論

通過降雨條件下的室內土柱試驗，對比分析了不同巖性碎石在不同比例條件下對土壤入滲和產流過程

影響，分別采用Philip模型和Horton模型對結果進行了擬合，并得到以下結論：（1）在相同的時間段內，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，說明碎石介質對土壤水分下滲有阻礙作用;（2）當碎石比例一致時，相同時間，片麻巖的累計入滲

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;（3）徑流強度與土石比例含量呈現(xiàn)正相關的趨勢，土石比例較高時，徑流強度也越大;（4）Philip模型、Horton模型均可擬合土石介質土壤累計入滲量隨時間變化關系，且Horton模型擬合效果更好一些，從擬合結果來看，土石混合介質對土壤累積入滲有削減作用，對產流速率反而有加強作用。

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