土石混合介质碎石性质对土壤入渗和产流过程影响

司曼菲 甘永德

摘要：为了研究土石介质中碎石性质对土壤入渗和产流过程的影响，本试验采用室内土柱试验，分析了两种不同岩性碎石（片麻岩和石灰岩）分别在碎石质量比例（土石介质比例）为15%、45%、65%和90%的条件下，对土壤入渗和产流的影响，并用Philip模型和Horton模型进行了拟合分析。其结果如下：（1）在同一种岩石，相同时间内，土壤累积入渗量随碎石含量的增多而减小，产流量随碎石含量的增多而增加;（2）在相同碎石比例条件下，相同时间内，片麻岩的累计入渗量大于石灰岩，而产流量小于石灰岩;（3）Philip模型、Horton模型均可拟合土石介质土壤累计入渗量随时间变化关系，稳定入渗率A（if）随碎石含量呈减小趋势，土壤吸渗率S随碎石含量呈减小趋势，而初始入渗率ii呈增加趋势。

关键词：土石混合介质;石灰岩;片麻岩;土壤累计入渗量;径流强度

中图分类号：TV139.14文献标志码：A文章编号：

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

土壤水分入渗过程复杂，是“四水”转化的重要环节，准确认识该过程对开展流域水文模拟和水文预报具有重要意义。自然条件下，因成土过程和人类活动的影响，山地土壤内广泛分布着大量碎石[1]。一方面，碎石会增加土壤孔隙的弯曲程度，限制水分入渗[2]。另一方面，碎石会促进土壤中大孔隙地形成，为水分运动提供优先流通道[3]。因此，土石二元介质中的水分入渗特性比均质土壤较为复杂，再加上土壤中碎石类型、粒径、含量及空间分布等的变异性的影响[48]，使得研究入渗与产流更为复杂。为了解碎石对土壤水文过程的影响，近20年来，国内外学者[922]从碎石含量、大小、形状、岩性及与土壤的结合方式、分布状况等方面考虑碎石对土壤水分、溶质运移的影响展开研究，并采用了一些数学模型对此进行拟合[2324]，来观测土壤水分的运动特征。根据以往的研究结果表明碎石能对土壤的产流和入渗产生影响，其既能增加土壤水分的入渗，产流的减少，也能减少水分的入渗，产流的增加。但因取樣的空间变异性及碎石含量﹑物理性质的差异，研究结果并不一致，甚至相互矛盾[2526]。在以往碎石性质的研究中，常忽略了某些碎石具有一定的透水性和持水性，如本研究中的片麻岩具有一定的透水性和持水性，而石灰岩不具有或很小。而片麻岩介质和石灰岩介质混合壤土常分布于山地土壤中，对入渗、产流和汇流等水文过程产生不同的影响。基于此，本文采用室内试验针对两种不同岩性碎石，分析其在不同比例组合的混合土体中对入渗产流等水文过程的影响，研究了不同岩性性质碎石在不同碎石（简称土石二元混合介质）比例下对土壤入渗产流影响，并用Philip模型和Horton模型对试验结果进行了拟合，研究将为水分在土石二元混合介质中运动规律研究提供参考。

1试验材料与试验设计

1.1试验材料

供试土样取自河北易县崇岭流域典型山坡（中科院地理所野外实验站），包括片麻岩碎石（2～40 mm）、石灰岩碎石（2～40 mm）和壤土。土壤经风干、碾压、过2 mm筛备用。用烘干法测其初始质量含水量，用环刀法测其干容重和饱和体积含水量，用吸管法测其颗粒组成（表1，表2），采用离心机法（SS600）测定土壤水分特征曲线，并用Van Genuchten模型进行拟合，拟合结果如表3所示。Van Genuchte模型是用来描述压力水头（h）与含水量（θ）的关系，来表达包气带水分特征曲线。方程形式为：

θ=θr+（θs-θr）/[1+（α·h）n]m

式中：θ为土壤体积含水量（cm3/cm3）;h为负压水头（-cmH2O）;θs、θr分别为土壤饱和含水量和残余含水量（cm3/cm3）;α为土壤平均空隙半径有关的参数（1/cm），n为曲线形状参数，m=1-1/n。

1.2试验装置与方法

不同碎石比例土壤降雨入渗试验采用如图1所示的垂直土柱法进行。试验装置主要由土柱、积水杯、降雨器及数据采集器构成。土柱上部有出水口，出水口处放置具有称重功能的积水杯，用于测量积水。试验在中国水利水电科学研究院延庆基地“水资源与水土保持工程技术中和试验大厅”开展，降雨过程由人工降雨系统控制。试验考虑两种性质不同碎石：片麻岩（具有持水性和导水性）和石灰岩（无导水性和持水性）;每个碎石设置4个不同比例处理，为了控制装填土样的一致性，混合所用的土壤均为壤土，土壤经风干、碾压、过筛后，与碎石按不同质量比进行均匀混合，得到不同比例的土石二元混合介质。碎石质量比例（碎石比土壤）分别15%、45%、60%和90%，分别标记为土石比15%、土石比45%、土石比60%和土石比90%，每个处理三个重复，并且三个重复同时开展试验。

土壤装填时，首先在土槽底部铺设反滤作用的石子，厚10 cm;再在石子的上面铺设纱布，然后将均匀混合的土石混合介质按一定容重（均质土壤为140 g/cm3;片麻岩土石混合介质密度分别为147 g/cm3、157 g/cm3、159 g/cm3和164 g/cm3（质量比自小到大）;石灰岩土石混合介质密度分别为155 g/cm3、177 g/cm3、185 g/cm3和196 g/cm3（质量比自小到大）分层将土石混合介质分层（10 cm/层）装入土柱（直径29 cm;高50 cm），并在土柱5、15、25 cm处埋设EM5C土壤水分传感器测定土壤含水量，分别记为EM5、EM15和EM25。土柱设置两个出水口，分别为壤中流和地表径流。试验降雨过程由降雨大厅人工降雨系统控制，雨强为50 mm/h。试验过程中测定时段降雨量、时段径流量、湿润锋距离、土壤含水量等试验观测值。当湿润锋穿透土柱后，停止试验，并迅速采用铝盒在土[HJ1.84mm]柱0、5、10、15、20、25、30 cm处取土，用烘干法测定土壤质量含水量。

2结果与分析

[BT（3+1]2.1[ZK（]降雨条件下土壤累积入渗量随入渗时间的变化关系[BT）]

降雨条件下，不同碎石比例片麻岩和石灰岩累积入渗量随时间的变化关系见图2，可以看出，土壤累积入渗量随时间的增大而单调增加。同一岩性的土石介质在不同比例的土石比例条件下，土壤累积入渗量随时间呈上升趋势，其中土壤累积入渗量在前50 min内有明显增加的趋势，随后，土壤累积入渗量随时间的变化趋于平稳。相同入渗时间内，均质土壤>土石比15%>土石比45%>土石比90%。这说明土壤累积入渗量随碎石含量的增大而减小。

不同岩性相同碎石比例条件下，土壤累计入渗量随入渗时间的变化关系见图3，可以看出，当土石比例一致时，

不同岩性的土石二元介质土壤，累计入渗量随入渗时间的变化趋势一致，出现这种情况的原因主要是，随着降雨入渗地进行，入渗量逐步累积，土壤含水量随之增加，水势梯度减小，入渗速率减缓。相同的入渗时间内，相同土石比例条件下，片

麻岩由于本身质软，所以片麻岩的入渗性能要远远高于石灰岩。而且，由图中可以看出，随着土石比例地提高，片

岩的开口越来越大，故随着土石比例的增加，片麻岩的优势越发明显。出现这种情况的原因可能是，相较于石灰岩，片麻岩的层状结构使得其具有更强的导水性，导致降雨入渗过程中，土壤水分可能穿过碎石，进入土壤。这说明碎石比例相同条件下，土壤累积入渗量是由土壤中碎石的性质决定的。

[BT（3+1]2.2[ZK（]降雨条件下土壤累积入渗量随入渗时间的变化关系拟合[BT）]

采用Philip模型分别拟合了片麻岩和石灰岩不同碎石比例土壤累积入渗量随时间变化关系（见表4和表5）：

I（t）=St0.5+At

式中：I（t）为土壤累积入渗量;S为吸渗率;A为稳渗率。由拟合结果来看，随着土石比例地提高，吸渗率和稳渗率有呈减小的趋势。拟合决定系数均在08以上，且大部分在096以上。由此可见，Philip模型较好的反应了土壤累积入渗量随入渗时间的關系。但值得注意的是，当时间t趋于无限大时，计算结果比实际值偏大，因此Philip入渗公式只适用于入渗时间不长的情况[27]。故在入渗后期，特别是土石比例偏大的情况下，可能会出现了一定的偏差。

同样采用Horton模型拟合了片麻岩和石灰岩不同碎石比例土壤累积入渗量随时间变化关系（见表6和表7）：

I（t）=ift+（ii-if）（1-e-c[KG*6]t）/c

式中：if为稳定入渗率;ii为初始入渗率;c为常数;t为时间。

土壤的入渗总量大小取决于稳定入渗率if和初始入渗率ii。由拟合结果来看，随着土石比例地提高，初始入渗率随之提高，而稳定入渗率呈减小的趋势。拟合决定系数均可达到095以上。较好的反映了土石二元混合介质的运动规律。

在土壤入渗过程中，入渗初期，土壤含水量较小，水势梯度较大，因此土壤入渗较快。但随着时间地推移，水势梯度减小，含水量增加，湿润区变大，湿润锋的吸力变小，入渗减慢，最终趋向于稳定入渗率。Horton模型在时间变化上，采用时间t的指数变化，适合长时间的入渗过程，更接近于实际情况。

不同土石比例条件下径流强度随时间的变化趋势见图4 ，可以看出，随着入渗时间增加，土壤开始产流，然后呈上升趋势，随后径流强度随时间增加稳定。不同比例土石介质条件下，径流强度的增加趋

势基本一致。片麻岩和石灰岩的混合介质材料在不同土石比例条件下，趋势一致，为土石比90%>土

石比65%>土石比45%>土石比30%>土石比15%>均质土壤。在不同比例的土石介质条件下，随着片麻岩或石灰岩比例的提高，径流强度的峰值也呈逐级升高趋势，且其到达峰值的时间呈负相关的趋势。即岩石含量越高，径流强度峰值越大，但到达峰值所需时间越短。

3结论

通过降雨条件下的室内土柱试验，对比分析了不同岩性碎石在不同比例条件下对土壤入渗和产流过程

影响，分别采用Philip模型和Horton模型对结果进行了拟合，并得到以下结论：（1）在相同的时间段内，片麻岩和石灰岩的土壤累积入渗量均随碎石含量的增多而减小，说明碎石介质对土壤水分下渗有阻碍作用;（2）当碎石比例一致时，相同时间，片麻岩的累计入渗

量大于石灰岩，这与片麻岩本身就有一定的透水性或持水性有关;（3）径流强度与土石比例含量呈现正相关的趋势，土石比例较高时，径流强度也越大;（4）Philip模型、Horton模型均可拟合土石介质土壤累计入渗量随时间变化关系，且Horton模型拟合效果更好一些，从拟合结果来看，土石混合介质对土壤累积入渗有削减作用，对产流速率反而有加强作用。

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