分层土壤的持水性能研究

2019-11-11黄德文汤金华

西南农业学报 2019年9期

葛建，黄德文，高旭，汤金华,沈华

(1.河海大学土木交通学院，江苏南京 210098；2.长江大学城市建设学院，湖北荆州 434000；3.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉 430074；4.南通职业大学建工学院，江苏南通 226001)

【研究意义】土壤水入渗是降水补给地下水的首要环节[1]。包气带土壤水入渗受降水、植被、蒸发以及土壤自身持水性能等多种因素影响，其中持水能力对土壤水入渗影响较大[2-4]。自然界中普遍分布着多层土壤的情况，多层土壤的水分运动特征不同于均质土壤[5]，研究分层土壤的持水性能对水资源综合利用以及生态、环境建设等具有积极意义，对水资源匮乏的干旱和半干旱地区尤为如此。发生降水时，水分将首先使表层土壤孔隙水分饱和，形成的湿润锋向下运动。降水停止后，饱和土壤孔隙内的毛细悬着水继续下渗，入渗过程持续到当饱和孔隙含水率降至田间持水率。田间持水率(Field Capacity)是土壤毛管悬着水达到最大时土壤所能够保持的水量[2]，是土体内部自由排水停止或降低到忽略不计时的土壤含水率[6]。由于土壤微观结构的原因，粗质土壤的田间持水率低于细质土壤[7-8]。就分层土壤持水性而言，相邻土层的水力特性差异对土柱内水分的重分布产生影响。细颗粒上覆粗颗粒的土柱入渗实验发现，由于细颗粒土的渗透系数较低，使上覆粗颗粒土的排水速度减慢，提高了粗颗粒土层的持水能力[9]。对于粗颗粒土壤上覆细颗粒土壤的情况，除提高土柱的持水能力以外，由于粗细颗粒界面处土壤基质吸力相等，当上层细颗粒土壤含水率逐渐加大时，下层粗颗粒土壤的渗透系数很低，形成阻碍雨水和污染物下渗的毛细屏障，这在干旱-半干旱地区的土壤修复及废弃物物填埋处理中有着广泛的应用[10]。【前人研究进展】为研究分层土壤的持水性能，前人开展了大量研究工作。Miller与Gardner[5]对砂土-砂壤构成的分层土柱开展了室内入渗试验，结果表明相邻土层的土壤孔隙特征差异对土柱的入渗性能有密切联系。Whisler和Klute[11]研究了粗、细质地土壤的水力参数对分层土柱入渗性能的影响，比较发现田间持水率与渗透系数的影响效果最明显。Avanidou和Paleologos[12]对非饱和、非均质分层土壤的入渗性能开展了实验和数值模拟，指出不同统计模型、土壤水力参数的空间分布对实验结果存在较大影响。甘永德[13]等采用黏土、壤土和砂土研究了双层土柱的入渗特性，发现双层土壤入渗受土壤分层方式决定。Baker和Hille[14]利用砂土上覆壤土的砂箱开展了入渗试验，发现当上层壤土饱和，通过土层界面的水量开始加大时，由于砂土的非均质性导致了优势流的产生。可见前人关于分层土壤的研究主要集中在土壤的不同质地、粒径及孔隙大小变化对分层土柱的渗透系数、含水率等水力参数的影响[9, 15-17]，对分层土壤保水能力的研究则主要集中在不同土质、分层顺序及非均质性的影响方面[6, 18]，针对土壤分层厚度及分层数量变化对土壤持水能力影响方面的研究则相对较少。【本研究切入点】本文以我国北方干旱区常见的细砂和砂壤土以不同分层厚度和分层数量进行组合，分别设计了50、25、12.5 cm 3种土壤分层处理(对应2、4和8层土结构)，与均质细砂和均质砂壤的持水能力进行比较，【拟解决的关键问题】目的在于了解自然排水条件下，不同质地的土壤分层数量以及分层厚度变化与土柱持水性能的关系，为干旱-半干旱地区的水资源保护以及生态修复工作提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验于2016年5月在河海大学水文与水资源国家重点实验室进行。试验装置采用100 mm内径、高度1300 mm的PVC管材，上部开口，底部设有直径10 mm均匀排水口(间距20 mm)，以便于土柱排水，试验用水为自来水。实验砂壤和细砂均采自鄂尔多斯盆地的库布奇沙漠，细砂粒径中大于0.075 mm的颗粒占总重量的85 %以上。2种土壤的物理性质如表1所示，土壤颗粒组成通过筛分法测定[19]，土质分类参照土壤国际制分类标准，2种土壤的田间持水率按照Meyer和Gee提出的砂性土当试验土柱下界面排水速率为0.01 cm/d时的土壤含水率即为田间持水率的方法确定[20]。

试验用土在烈日下晾晒48 h充分风干后碾压破碎，过2 mm细筛，去除砂砾、草根等。试验土柱底部充填10 cm厚、粒径6～8 mm的砾石层作为反滤层。砾石层上放置10目钢丝网和透水土工布各1层，防止上层试验土壤混入下部反滤层。充填土壤前对风干砂壤土和细砂的含水率进行测定，得到2种土壤的初始含水率分别为：细砂=1.45 %、砂壤土=2.36 %。推测砂壤土风干后含水率较高的原因是粉粒、粘粒含量以及含盐量高于细砂，相应的吸湿能力强于细砂。

试验土柱根据土壤分层情况分为5组，同组设土柱3根，分别由均质细砂、均质砂壤土以及分层厚度分别为50、25和12.5 cm的细砂和砂壤土组合构成，土柱分层情况见图1。装土时，按照不同构成对土柱进行分层填筑，每层用木棍均匀振捣25次，确保填充土壤均匀连续，土柱长度为100 cm。

1.2 试验方法

试验土柱填筑完成后，将土柱置于水槽中3 d，使其完全饱和，在实验室用称重法[19]测定2种土样饱和含水率，换算成体积含水率为：细砂Ws= 38.6%，砂壤土Ws=42.8 %。将实验装置从水槽中移出，土柱底部排水。用有机玻璃板覆盖试验装置顶部，控制土柱顶部蒸发。实验于2016年5月11日上午6: 00开始，历时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进行计重(最小读数0.1 g)，换算为土柱持水量。

表1 试验土壤的物理性质

图1 分层砂柱持水性能试验装置及分层情况

在土柱排水过程中，由于顶部覆盖，土柱中多余水分由反滤层排出，为测定对应时间的土柱持水量数据，在设定时间对试验装置计重(称量装置量程为30 kg，精度为0.1 g)。试验砂柱充填后测得干土+试验装置的质量m，随后测得不同时刻的湿土+装置质量m0、m1、m2……m120，其中m0为饱和土柱+装置质量，不同时刻土柱的持水量为：

(1)

式中，ρw为水的容重,α为土柱截面积，Swi单位为mm。

在120 h后立即用取样器进行土壤样品取样，取样间距为10 cm，每根土柱分别得到0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm共10个样品。所取土样置于塑料密封袋中，以称重法测定这些样品的含水率，得到不同分层处理土柱的含水率剖面。称重法测得的为质量含水率，分析误差<1 %，主要测试方法如下：首先称量空铝质取土盒质量m1，随后取30 g左右土样放入称量盒中，测得盒与土的质量为m2；将土盒置于105～110 ℃烘箱内恒温烘干8 h，测定烘干土样和取土盒的质量m3，则土样质量含水率为：

(2)

折算为体积含水率为：

(3)

式中,ρb和ρw分别为土的容重以及水的密度。

2 结果与分析

2.1 土柱持水量变化

细砂、砂壤土以及50 cm分层的细砂+砂壤的土柱持水量-时间的关系(图2a)，25和12.5 cm 3种分层处理的土柱持水量-时间关系(图2b)。土柱排水初期(10 h以前)速度均较快，10 h以后排水速度明显放缓。其中细砂排水速度最快，排水量最大，因此120 h持水量仅108 mm，砂壤排水速度最慢，120 h持水量356 mm，3种不同分层处理土柱的持水量介于细砂和砂壤土之间，总体表现为分层厚度为12.5 cm的土柱持水量>25 cm分层土柱持水量大于50 cm分层土柱持水量。

试验开始时，3组分层土柱的饱和持水量非常接近(407、404、403 mm)，试验结束时12.5 cm分层土柱持水量为246 mm，25 cm分层土柱持水量为225 mm，50 cm分层土柱持水量最低，为214 mm。从试验最终土柱持水量可见土壤分层数量越多，土柱的持水量就越大，相应的排水速度也较慢。根据任利东等[21]的研究，土柱内部分层处理影响界面处水分入渗的气体排出，从而提高分层土柱的持水性能。

图2 不同分层土柱的持水量-时间关系

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变化方面，也反映在试验土柱在120 h时的含水率垂向分布上。不同分层处理土柱在120 h的持水率剖面见图3，据图3a可知，细砂的含水率明显低于砂壤土，这是由于细砂中粘粒和粉粒含量远小于砂壤土的原因造成的。在排水实验完成后(120 h)通过钻孔取样分析发现，在所有试验土柱中砂柱的持水量最低。细砂在0～50 cm深度的含水率接近其田间持水率(4.2 %)，但50 cm以下砂柱含水率逐步上升，到90 cm深度含水率仍接近饱和含水率。砂壤土持水量明显高于细砂，由于粘粒含量较高，0～30 cm处砂壤的含水率略高于田间持水率13.1 %，30 cm以下含水率明显增加，剖面底部含水率接近饱和(42.8 %)。试验还发现砂壤土柱0 cm剖面含水率大于10 cm处含水率，可能的原因是为防止蒸发影响，对土柱顶部进行了覆盖。盖板上凝结的水汽滴落，加上砂壤土排水速度较慢，造成了剖面顶部土壤含水率偏大。

就分层土柱的含水率剖面而言，本试验的3种分层处理，即：(50+50)、(25+25)和(12.5+12.5)cm，虽然土柱填充使用的都是一半细砂、一半砂壤土，但由于土柱分层的差异，这3种情况的含水率剖面存在明显差异(图3b～d)。3b图为(50+50)cm分层土柱的含水率剖面，上层细砂含水率很低，0～30 cm处基本接近细砂的田间持水率，30～50 cm细砂含水率逐渐加大，50 cm以下砂壤部分的含水率明显较高，土柱底层含水率接近饱和，剖面含水率分布与土壤分层之间呈现出较为明显的规律性。

这种土柱含水率与土壤垂向分层情况相符的现象也在图3c, 3d中得到验证，图3c为25 cm间隔的细砂+砂壤土柱，含水率剖面在0～30、30～50、50～75和75～100 cm分为4段，对应的含水率从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。同样在图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深度范围层化明显，相应含水率变化与土壤分层变化的规律与图3c吻合。说明了砂壤与细砂的分层土柱下层的砂壤能够提高上层细砂的持水量，且土壤分层数量对提高土柱持水性能作用明显。

图3 分层土柱的含水率剖面(方框中为混合样)

表2 利用HYDRUS-1D模拟的土壤水力参数[26]

分层土柱的含水率剖面分析发现土壤在分层位置的含水率变化明显，土柱内部排水主要集中在细砂层，细砂层的含水率整体接近其田间持水率(4.3 %)。相对砂壤层的失水非常有限，砂壤层的含水率均大于其田间持水率(13.1 %)。这是由于不同土壤的保水性能差异造成的，同时土壤界面处上下层土壤的微观孔隙结构和孔隙内部的水-气界面差异也会引起砂壤土排气不畅，对砂壤层排水产生阻滞作用[22]，从而提高分层土柱的整体含水率。

在图3b、c、d可以发现，由于土柱的分层界面与钻孔取样深度不一致，土柱分层越薄，钻孔时越容易取到不同土壤组成的混合样。这就导致了图3b中的40 cm深度、图3c的20、70 cm以及图3d的10、20、30、60、70和80 cm处的土壤含水率均一定程度偏离了单纯细砂或砂壤土在相同深度处的含水率。该情况如采用含水率TDR探头监测而非钻取土样的方法应该可以避免产生类似问题[23]。

3 讨论

3.1 与HYDRUS-1D程序模拟结果的比较

为进一步比较试验观察结果，根据试验砂柱的实际分层情况，利用HYDRUS-1D[24]对120 h不同分层处理土柱的含水率进行了模拟。HYDRUS-1D模拟采用VGM模型，砂壤和细砂的水力参数见表2，上边界为定流量边界，下边界为定水头边界，初始条件以水头值进行控制，120 h土柱的含水率模拟值与实测值如图4。

图4 HYDRUS-1D模拟的120 h土柱含水率模拟值与实测值

由图4可知，HYDRUS-1D模拟结果与室内土柱试验的含水率剖面具有相同变化趋势，除混合样含水率与模拟结果存在差异外，其余实测含水率与模拟值吻合度较好。砂壤和细砂柱的实测值与模拟值吻合度较高，0～40 cm深度剖面的实测值比模拟值略大以外，40 cm深度以下各剖面的实测数据与模拟数据基本吻合。3种不同分层处理土柱的含水率模拟值表现出明显的层化现象，层化情况与变化趋势与试验观察结果类似，说明粗质土壤上覆细质土壤在分层界面位置存在毛细屏障作用，提高了分层土柱的持水能力。

从图4c与图4d可见，在上层砂壤与下层细砂界面处，砂壤能够明显提高细砂层的含水率，且越到剖面深处表现越明显，说明土壤分层数量的增加，增强了毛细屏障的作用，因此一定程度提高了分层土柱的含水率，范严伟[25]等对砂夹层土壤降水入渗性能开展类似研究也观察到了类似的现象，但这种现象对50 cm分层土柱不明显。

3.2 分层数量及厚度对土柱含水率变化的影响

室内土柱试验及HYDRUS-1D模拟结果都说明粗-细土壤分层界面位置含水率变化非常剧烈，细砂层的平均含水率为5.2 %，而砂壤的平均含水率为27.4 %，反映了2种不同质地土壤自身持水能力的差异，使土柱的排水主要来自粗质土壤。另一方面也反映了上覆砂壤层与细砂层的界面处，重力水流进入下层细砂时受到排气阻碍的影响，能够一定程度提高土柱持水能力。随着土柱分层数量增加，土柱持水能力提高的效果越明显，土柱分层厚度对含水率变化有一定影响。