土壤飽和導(dǎo)水率研究現(xiàn)狀分析

樊藝峰

（運(yùn)城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 運(yùn)城 044000）

1 引言

土壤飽和導(dǎo)水率是土壤重要的物理性質(zhì)之一，它是計(jì)算土壤剖面中水的通量和設(shè)計(jì)灌溉、排水系統(tǒng)工程的一個(gè)重要土壤參數(shù)，也是水文模型中的重要參數(shù)，它的準(zhǔn)確與否嚴(yán)重影響模型的精度。下文介紹了確定飽和導(dǎo)水率的三類(lèi)方法：按公式計(jì)算，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定和田間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，并對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對(duì)同類(lèi)研究有重要的參考價(jià)值。

飽和導(dǎo)水率由于土壤質(zhì)地、容重、孔隙分布以及有機(jī)質(zhì)含量等空間變量的影響空間變異強(qiáng)烈。土壤飽和導(dǎo)水率ks是單位土水勢(shì)梯度下的土壤水通量，在水勢(shì)用水勢(shì)頭表示時(shí)，飽和導(dǎo)水率的單位與通量單位相同，都是cm/s，或m/d。飽和導(dǎo)水率綜合反映了多孔介質(zhì)對(duì)某種流體在其中流動(dòng)阻礙作用，因此ks值一方面取決于孔隙介質(zhì)的基質(zhì)特征，同時(shí)，也和流體的某些物理性質(zhì)，如粘度和密度有關(guān)。曾有人將ks分成兩個(gè)因子，土壤內(nèi)透水率k和反映流體流動(dòng)性的參數(shù)f，這樣有：

這種將ks分解為兩個(gè)因子的方法在理論上是可能的，也有一定實(shí)際意義，但由于我們主要興趣只是研究水這種流體在土壤介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，而且在絕大多數(shù)情況下不去專(zhuān)門(mén)考慮溫度對(duì)水的物理性質(zhì)的影響，所以認(rèn)為水的物理性質(zhì)接近于恒量，因此不將ks分解為兩個(gè)因素來(lái)研究。

2 土壤飽和導(dǎo)水率的確定方法

確定飽和導(dǎo)水率的方法大致可分為以下三類(lèi)：按公式計(jì)算、實(shí)驗(yàn)室測(cè)定和田間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。

2.1 公式計(jì)算

確定飽和導(dǎo)水率的公式都是經(jīng)驗(yàn)性的，因?yàn)橛绊戯柡蛯?dǎo)水率的因素很復(fù)雜，許多試圖發(fā)現(xiàn)普遍可應(yīng)用的函數(shù)關(guān)系迄今為止得到的結(jié)果都令人失望，這些公式只能在極有限的條件下應(yīng)用而無(wú)普遍意義，因?yàn)槲覀儗?duì)飽和導(dǎo)水率的研究不應(yīng)集中在這方面，這里不作詳細(xì)介紹。

2.2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)定

實(shí)驗(yàn)室測(cè)定飽和導(dǎo)水率的儀器類(lèi)似Darcy的實(shí)驗(yàn)儀器，測(cè)得水頭損失ΔH和流量Q后，如果實(shí)驗(yàn)中的土壤服從線(xiàn)性定律，則可求得到飽和導(dǎo)水率ks。

另一種實(shí)驗(yàn)室較常用的測(cè)定方法稱(chēng)為變水頭法，這種方法測(cè)定顆粒較細(xì)的土壤的飽和導(dǎo)水率較為合適。無(wú)論是定水頭還是變水頭，如何使測(cè)定土樣有足夠的代表性是應(yīng)用這些方法測(cè)定必須考慮的一個(gè)問(wèn)題。

2.3 田間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

2.3.1 雙環(huán)法

雙環(huán)法是使用直徑不同的兩個(gè)圓環(huán)（鋼板或硬塑料板做成），高30 cm左右，將兩個(gè)環(huán)同心插入地表達(dá)10 cm深，用馬里奧特筒保持環(huán)內(nèi)水層2～3 cm，外環(huán)水層主要是為了防止內(nèi)環(huán)水的側(cè)滲，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，待內(nèi)環(huán)入滲穩(wěn)定后可開(kāi)始測(cè)定，根據(jù)馬氏筒在一定時(shí)段內(nèi)水位的下降可求得飽和導(dǎo)水率ks值。

其中，W為入滲水量，由馬氏筒水位變化求得，Δt為測(cè)定時(shí)段，ω為內(nèi)環(huán)橫截面面積。

雙環(huán)法一般只用于地表飽和導(dǎo)水率（又稱(chēng)穩(wěn)定入滲率）的測(cè)定，此方法簡(jiǎn)單實(shí)用，但需水量稍多，實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)（一般需2 h左右）。如果對(duì)某一非地表土壤的飽和導(dǎo)水率進(jìn)行測(cè)定，可用環(huán)刀取樣后在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，也可用某些專(zhuān)門(mén)的儀器，如Guelph滲透儀進(jìn)行測(cè)定。

2.3.2 降雨模擬法

目前，降雨模擬器的種類(lèi)很多，大都為手提式的，因此田間應(yīng)用相當(dāng)方便。在做試驗(yàn)前，應(yīng)先平整試驗(yàn)地塊，然后插入鐵制框架（1 m2左右）以分割開(kāi)各重復(fù)處理區(qū)域。準(zhǔn)備好后，裝上降雨模擬器，以特定降雨強(qiáng)度均勻噴灑。各處理地塊分別在一定時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)量徑流量，在達(dá)到穩(wěn)定徑流量后，即可停止試驗(yàn)。從降雨強(qiáng)度中減去徑流量即為土壤入滲率，然后按照雙環(huán)入滲法分析計(jì)算，即可求得飽和導(dǎo)水率。此方法雖然達(dá)到穩(wěn)定流所需時(shí)間較短，但若加上前期準(zhǔn)備工作，則完成每次試驗(yàn)所需時(shí)間和雙環(huán)入滲法大體相當(dāng)。

以上兩種方法都是按照一維垂直入滲解進(jìn)行計(jì)算的，因此為了獲得更為精確的飽和導(dǎo)水率值，必須努力使試驗(yàn)條件滿(mǎn)足假定條件，避免水分側(cè)向運(yùn)動(dòng)。

2.3.3 圭爾夫滲透儀法

圭爾夫滲透儀是根據(jù)三維穩(wěn)定入滲原理研制而成，主要由供水與量測(cè)系統(tǒng)、支架和入滲部件組成。供水部分按照馬氏瓶原理，由同心雙管組成。內(nèi)管為進(jìn)氣管，外管為供水管，用以測(cè)定維持某一水位時(shí)所需的穩(wěn)定流流量；入滲部件指與土壤施測(cè)面直接聯(lián)系的部分，水通過(guò)該部分形成入滲。測(cè)孔深達(dá)欲測(cè)土層，即可測(cè)定該層飽和導(dǎo)水率。

2.3.4 圭爾夫入滲儀法

圭爾夫入滲儀法用于測(cè)定土壤表層飽和導(dǎo)水率，是圭爾夫滲透儀的一種特例，即測(cè)孔中水深為零的情況（實(shí)際測(cè)定時(shí)，一般需有2～3 mm深水位，以保持充分濕潤(rùn)）。此種方法的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及參數(shù)求解與圭爾夫滲透儀法相同。圭爾夫滲透儀法及入滲儀法具有操作簡(jiǎn)單、試驗(yàn)所需時(shí)間較短、用水量少等優(yōu)點(diǎn)。

以上介紹的測(cè)定方法只能測(cè)定個(gè)別點(diǎn)的土壤飽和導(dǎo)水率，對(duì)大面積農(nóng)田土層的平均飽和導(dǎo)水率的測(cè)定，一般要在現(xiàn)場(chǎng)挖測(cè)試坑或打測(cè)試井，然后用注水或抽水的方法測(cè)定其流量、水勢(shì)等數(shù)值，再根據(jù)達(dá)西定律求得平均飽和導(dǎo)水率，這種方法在水文地質(zhì)、水利工程部門(mén)用得較多。

3 土壤飽和導(dǎo)水率研究現(xiàn)狀

3.1 土壤容重、孔隙性及顆粒組成對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

王小彬等研究了容重及粒徑大小對(duì)土壤持水性的影響，并對(duì)各種物料處理（或措施）的保水效果及其對(duì)土壤持水特征的影響進(jìn)行了探討。研究結(jié)果表明，隨著容重的增大，土壤的飽和導(dǎo)水率迅速下降；劉洪祿、楊培嶺等研究了波涌灌溉土壤表面密實(shí)層飽和導(dǎo)水率ks與土壤機(jī)械組成、土壤容重、供水中斷時(shí)間的定量關(guān)系。研究結(jié)果表明，隨著容重的增加，飽和導(dǎo)水率逐漸減小，但隨著黏粒含量的增加，飽和導(dǎo)水率的變化率變小；呂貽忠等針對(duì)鄂爾多斯沙地生物結(jié)皮進(jìn)行調(diào)查，利用人工噴水模擬降雨分析結(jié)皮對(duì)土壤入滲性能的影響。利用圓盤(pán)入滲儀測(cè)定有結(jié)皮和無(wú)結(jié)皮條件下的土壤飽和導(dǎo)水率表明，固定沙丘間地有生物結(jié)皮的土壤飽和導(dǎo)水率范圍為29.10～82.21 mm/h，半固定沙丘有微弱結(jié)皮時(shí)飽和導(dǎo)水率143.54～230.25 mm/h，去掉結(jié)皮后土壤的飽和導(dǎo)水率可顯著上升數(shù)倍，無(wú)結(jié)皮的流沙的飽和導(dǎo)水率最高；鄧建才等）對(duì)黃淮海平原3種主要土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)行研究，結(jié)果表明，3種土壤的飽和導(dǎo)水率隨著土壤剖面深度的增加呈現(xiàn)出上土層高、中間土層低、底土層又升高的趨勢(shì)，擾動(dòng)土與原狀土的飽和導(dǎo)水率差異較大，達(dá)到顯著水平，土壤容重、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量、黏粒含量和全鹽含量等均對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率有一定的影響；Helalia認(rèn)為有效孔隙率與土壤飽和導(dǎo)水率相關(guān)性明顯。

3.2 土壤中有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

單秀枝通過(guò)測(cè)定并分析不同有機(jī)質(zhì)含量的壤質(zhì)土樣的飽和導(dǎo)水率、水分特征曲線(xiàn)、水分?jǐn)U散率及幾個(gè)水分常數(shù)，闡明了土壤有機(jī)質(zhì)含量與水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，從動(dòng)力學(xué)角度探討了有機(jī)質(zhì)影響水分運(yùn)動(dòng)的機(jī)理。研究結(jié)果表明，隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加，土壤飽和導(dǎo)水率呈拋物線(xiàn)變化，當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量為15 g/kg時(shí)，飽和導(dǎo)水率達(dá)到最大值。

3.3 土壤溫度對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

汪志榮、張建豐等根據(jù)不同溫度條件下的入滲資料，分析了活塞（Green Ampt）公式在溫度場(chǎng)中的適用性，認(rèn)為Green-Ampt公式適用于溫度場(chǎng)影響下的土壤水分運(yùn)動(dòng)。指出土壤飽和導(dǎo)水率受土壤溫度影響較大。溫度升高，飽和導(dǎo)水率增大；土壤飽和導(dǎo)水率與土壤溫度基本呈冪指數(shù)關(guān)系，低溫段的溫度效應(yīng)大于高溫段的溫度效應(yīng)；Hopmans和Duley研究了土壤溫度對(duì)土壤特性的影響，結(jié)論表明，隨著溫度的增加，土壤飽和導(dǎo)水率增大。

3.4 凍融對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

鄧西民等在實(shí)驗(yàn)室對(duì)北京壤質(zhì)黏土犁底層原狀土柱進(jìn)行模擬凍融處理，觀測(cè)凍融對(duì)其容重、孔隙度、導(dǎo)水率的影響。研究結(jié)果表明，凍融處理后犁底層土壤飽和導(dǎo)水率提高1.4～7.7倍；Larson研究表明凍融會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和其他物理形狀，對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率由增加的作用。

3.5 土壤飽和導(dǎo)水率的空間變異性

秦耀東等對(duì)土壤中大孔隙流進(jìn)行研究，并用一種簡(jiǎn)單的方法對(duì)土壤內(nèi)的大孔隙和中小孔隙的飽和導(dǎo)水率進(jìn)行分析，結(jié)果表明，造成土壤導(dǎo)水率較大空間變異的主要原因是土壤大孔隙分布的不均一性，一旦土樣剔除大孔隙的影響，也就是在其質(zhì)域范圍內(nèi)，土壤中小孔隙分布相對(duì)較為均一，因而其飽和導(dǎo)水率的變異性也就大大變??；陳風(fēng)琴等研究了縉云山常綠闊葉林下土壤飽和導(dǎo)水率和土壤大孔隙的關(guān)系，結(jié)果表明，飽和導(dǎo)水率具有較大的空間變異性，變異系數(shù)達(dá)67%，其大小不僅取決于總孔隙度，更取決于能導(dǎo)水的大孔隙的數(shù)量和大小，飽和導(dǎo)水率的變化對(duì)大孔隙變化具有高度依賴(lài)性，且與半徑大于0.1 cm的大孔隙體積有較好的相關(guān)性。