大孔隙分布對(duì)坡地產(chǎn)匯流及溶質(zhì)運(yùn)移的影響

張小娜，馮 杰

（1.南京信息工程大學(xué) 水文氣象學(xué)院，江蘇 南京210044；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水資源研究所，北京100044）

由于土壤的收縮和膨脹，土壤中可溶性物質(zhì)的溶解，凍融的循環(huán)交替以及耕種等物理過(guò)程以及蚯蚓和嚙齒動(dòng)物活動(dòng)，植物根系的生長(zhǎng)等生物過(guò)程的作用導(dǎo)致土壤中普遍存在大孔隙［1－2］。土壤大孔隙的存在，使得進(jìn)入土壤中的水及溶質(zhì)繞過(guò)大部分土壤基質(zhì)，經(jīng)過(guò)大孔隙快速達(dá)到土壤深處或地下水中。土壤水分及其溶質(zhì)通過(guò)土壤大孔隙的快速非均勻流，稱為大孔隙流。大孔隙及大孔隙流的存在，增加了土壤的通氣性，改變了坡地徑流的形成過(guò)程和不同徑流成分的比例，從而對(duì)坡地產(chǎn)匯流產(chǎn)生影響［3－4］。工業(yè)和生活“三廢”若不合理?xiàng)壷?，將有可能進(jìn)入土壤中，經(jīng)過(guò)大孔隙污染地下水。因此開(kāi)展土壤大孔隙及影響研究有助于判斷合理的廢物處置方法，防止造成地下水污染，危害人類健康［5－6］。鑒于試驗(yàn)和理論條件限制，我國(guó)對(duì)大孔隙的及其影響研究起步較晚，雖在土壤大孔隙結(jié)構(gòu)、大孔隙流的特征、土壤大孔隙對(duì)坡地產(chǎn)匯流及溶質(zhì)運(yùn)移的影響、土壤大孔隙對(duì)飽和水力傳導(dǎo)度的影響、土壤大孔隙對(duì)坡面水動(dòng)力學(xué)參數(shù)等方面有一定的研究［7－15］，但尚且還不夠深入，有待進(jìn)一步研究。譬如大孔隙分布對(duì)坡地產(chǎn)匯流和溶質(zhì)運(yùn)移影響方面的研究還鮮有報(bào)道。因此，本文擬通過(guò)室內(nèi)土槽人工降雨試驗(yàn)，分析兩種大孔隙分布條件下坡地產(chǎn)匯流和溶質(zhì)運(yùn)移的過(guò)程。

1 材料和方法

1.1 土樣分析

試驗(yàn)土樣取自南京郊區(qū)棲霞區(qū)東陽(yáng)鎮(zhèn)，為準(zhǔn)確模擬田間的實(shí)際狀況，采用分層法取土。采用吸管法測(cè)土樣中的黏粒、粉粒和砂粒的組成得出土壤顆粒級(jí)配（表1）。按照美國(guó)農(nóng)業(yè)部制的土壤質(zhì)地三級(jí)分類法，該試驗(yàn)土樣屬于粉砂壤土。

表1 土壤顆粒級(jí)配

1.2 試驗(yàn)土槽

試驗(yàn)在河海大學(xué)水文水資源與水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室降雨試驗(yàn)大廳內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)土槽規(guī)格詳見(jiàn)表2，土槽采用分層法填土。在填土過(guò)程中，分別在距槽底10，30，50cm深處，距離坡腳50，95和135cm處埋入了頻域反射測(cè)量?jī)x（frequency domain reflectometry，F(xiàn)DR）探頭（共9個(gè)）測(cè)定土壤含水量。土槽開(kāi)設(shè)了地表出流和地下徑流的出口，其位置分別在土槽西壁中間位置處距土槽底60cm處，距土槽底0cm處。

1.3 試驗(yàn)方法

地面徑流采用三角堰測(cè)量法，地下徑流采用稱重法測(cè)流，土壤容積含水量由FDR測(cè)量，坡面流速的測(cè)定采用示蹤法，水樣中的Br－，NH＋4和NO－3濃度，測(cè)量采用的方法分別為電極法、納氏試劑光度法和酚二黃酸光度法。

降雨前，由FDR先測(cè)知土槽中土壤各層容積含水量。然后將14.88g KBr，7.334g（NH4）2SO4共同溶解于水中，配制成2 000ml溶液，降雨前均勻?yàn)⑷胪敛壑?。降雨采用人工模擬降雨，在2007年9月15日和2007年10月6日分別對(duì)該土槽進(jìn)行降雨試驗(yàn)，且兩次降雨試驗(yàn)前，土槽中土壤各層容積含水量和土壤中溶質(zhì)濃度相差較小。兩次降雨過(guò)程相同，歷時(shí)90min，降雨累計(jì)量為223mm，且兩次降雨試驗(yàn)過(guò)程中土槽中均設(shè)置有人工大孔隙，大孔隙孔徑均為8mm。人工大孔隙的制作方法是用直徑為8mm，帶有深度刻度的不銹鋼桿小心插入已經(jīng)設(shè)定好的位置。插入到設(shè)定深度再小心拔出。不同之處在于，兩次降雨前，土槽的人造大孔隙密度不同。2007年10月6日的試驗(yàn)是在對(duì)2007年9月15日土壤中大孔隙加密的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

表2 試驗(yàn)土槽規(guī)格

2 結(jié)果與分析

為了方便起見(jiàn)，將大孔隙未加密型土槽記為槽1，把大孔隙加密型土槽記為槽2。計(jì)算可知，槽1的坡面面大孔隙度為19%，槽2的坡面面大孔隙度為57%；槽1的容積大孔隙度為0.095%，槽2的容積大孔隙度為0.285%。所有圖的時(shí)間均以降雨開(kāi)始時(shí)刻為零時(shí)刻。

2.1 土壤容積含水量

研究發(fā)現(xiàn)，大孔隙的加密，改變了土壤的空間結(jié)構(gòu)，直接影響著土壤水分運(yùn)動(dòng)的特征，其中主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：（1）土壤各層含水量的增加幅度相對(duì)偏小。表3列出了兩槽中各層土壤含水量具體增加的幅度值；（2）降雨期間，各層土壤受降雨影響快慢的先后次序發(fā)生改變，其中下層土壤受影響的速度加快。以編號(hào)為1，2，3的FDR探頭所埋深的剖面處各層土壤含水量為例，研究?jī)刹墼诮涤昶陂g的土壤含水量變化，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，槽1各層土壤受降雨影響快慢的先后次序?yàn)椋荷蠈樱局袑樱鞠聦?，其中土壤含水量開(kāi)始發(fā)生明顯變化的時(shí)刻分別為18，60，92min，而槽2中的先后順序則為：上層＞下層＞中層，明顯變化的時(shí)刻分別為30，66，153min。說(shuō)明大孔隙的加密，使得通過(guò)大孔隙優(yōu)先運(yùn)移到土壤下層的水量相應(yīng)增大，與土壤基質(zhì)相互作用的降水相應(yīng)減少且使得大孔隙流穿透過(guò)程中機(jī)械彌散和分子擴(kuò)散的作用相對(duì)減弱，非平衡管道流的支配的地位相對(duì)增強(qiáng)，較多的水流沿土壤大孔隙形成的管道迅速穿透水體，出現(xiàn)優(yōu)先穿透。

表3 各層土壤容積含水量幅度變化

2.2 坡面流速

兩槽的坡面流速過(guò)程如圖1所示。從圖1可以看出，兩槽流速變化形狀基本相似，隨時(shí)間呈波狀分布且降雨前期的變化幅度都較后期的變化幅度大，但計(jì)算得到，整個(gè)降雨過(guò)程中，槽1的坡面平均流速較槽2大，其流速值分別為6.75和6.13cm／s。兩者相差0.62cm／s。槽1平均坡面流速大于槽2是因?yàn)橐环矫娼涤晔紫忍顫M大孔隙，槽2中的孔隙度較大，導(dǎo)致槽2的地面徑流量相對(duì)較小，在相同的過(guò)水面積下，導(dǎo)致流速偏?。?］；另一方面，大孔隙加密導(dǎo)致槽2局部坡度突變，糙率增大，致使流速減小。

圖1 試驗(yàn)土槽坡面流速變化

2.3 出流過(guò)程

2.3.1 地面徑流過(guò)程 兩試驗(yàn)土槽的地面徑流過(guò)程如圖2所示。從圖2可看出，槽1略早于槽2產(chǎn)生地面徑流且槽1的地面徑流總量大于槽2的地面徑流量。降雨歷時(shí)52min前，兩槽的地面徑流過(guò)程相差較大，槽2地面徑流流量明顯小于槽1。但降雨歷時(shí)52min后，兩者的地面徑流過(guò)程幾乎重合。原因是降雨歷時(shí)52min之前，槽2中存在大孔隙較多，所以降落的雨水被大孔隙攔蓄的量相應(yīng)較多，所以降雨初期，槽2的地面匯流量要小于槽1。降雨歷時(shí)52min后，可能槽1和槽2土壤大孔隙中蓄水量已達(dá)到最大，降落的雨水在兩槽中的下滲量相差不大，所以地面徑流過(guò)程幾乎重合。

2.3.2 地下徑流過(guò)程 以降雨開(kāi)始時(shí)刻為零時(shí)刻，槽1在125.17min觀測(cè)到地下徑流，槽2在109.6min觀測(cè)到地下徑流。槽1的地下徑流總量為0.117 2m3，占降雨總量的11.021%。槽2地下徑流量為0.226 9m3，占降雨總量的19.16%，兩槽的地下徑流過(guò)程如圖3所示。由圖3可以看出，相對(duì)槽1，槽2地下水出流總量較大且峰現(xiàn)時(shí)刻較早。其中槽2的出流量是槽1的1.936倍。這說(shuō)明大孔隙加密型土槽的地下水的響應(yīng)速度較快。大孔隙加密型土槽中孔隙度大，孔隙度的增大增加了降雨的入滲量。

圖2 試驗(yàn)土槽坡面徑流過(guò)程

圖3 試驗(yàn)土槽地下徑流過(guò)程

2.4 溶質(zhì)運(yùn)移

2.4.1 溴離子 溴離子為非吸附性離子即保守離子，在土槽中僅作遷移運(yùn)動(dòng)，不發(fā)生吸附和轉(zhuǎn)化。采用非吸附性離子的主要目的是用來(lái)標(biāo)記土壤大孔隙流產(chǎn)生的過(guò)程及其水分運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。從圖4中可以看出：（1）在地面徑流中，兩槽的溴離子濃度總體變化趨勢(shì)一致即離子濃度隨時(shí)間逐漸減小，不同點(diǎn)是降雨前期，槽1地面徑流中的溴離子濃度高于槽2地面徑流的離子濃度，且兩者濃度差值隨時(shí)間逐漸減少；（2）在地下徑流初期，槽2的離子濃度明顯大于槽1，但兩者差值隨著時(shí)間逐漸減少。地下徑流后期，兩者的離子濃度相差不大。這是由于槽2存在較多的大孔隙快速通道，相對(duì)槽1來(lái)說(shuō)較多的溴離子在水流的攜帶下快速穿透土體運(yùn)移至土壤底層，所以導(dǎo)致地下水出流中溴離子濃度較高，地面徑流中的溴離子濃度偏低。

圖4 試驗(yàn)土槽坡面溴離子濃度變化

2.4.2 銨根離子和硝酸根離子濃度變化 與溴離子不同，銨根離子在土壤中遷移轉(zhuǎn)化非常復(fù)雜，土壤對(duì)銨根離子的吸附性很強(qiáng)，銨根離子的轉(zhuǎn)化性亦很強(qiáng)。從圖5可知，槽1地面徑流中的銨根離子濃度明顯高于槽2地面徑流中，但兩者整體上都呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)；槽1地下徑流中的銨根離子濃度在出流前期偏高，其值在34～25mg／L之間，地下水出流80min后，濃度降至3mg／L以下，而槽2地下徑流中的銨根離子濃度變化不大，在0～6.9mg／L之間。這是由于槽2中大孔隙加密使得土壤中孔隙密度增大，土壤空氣中含氧量增大，銨根離子硝化作用增強(qiáng)，較多銨根離子在運(yùn)移到地下中已被轉(zhuǎn)換成亞硝酸根離子或硝酸根離子，所以在地下水出流中，槽2的銨根離子濃度偏低。同時(shí)由于槽2中大孔隙加密使得較多的銨根離子可以通過(guò)大孔隙快速通道運(yùn)移到地下中，使得槽2中地面徑流中銨根離子濃度偏低。

圖5 銨根離子濃度變化曲線

比較圖5和圖6，地下徑流中，硝酸根離子的濃度遠(yuǎn)高于銨根離子濃度。槽1地下徑流中的硝酸根離子和銨根離子的最大值分別為476.6和33.6mg／L，槽2的分別為328.45和6.91mg／L。說(shuō)明銨根離子在土槽很難遷移，很快就發(fā)生吸附和轉(zhuǎn)化。在降雨過(guò)程中，槽1地面徑流中硝酸根離子濃度高于槽2地面徑流中的離子濃度。原因是在人工降雨作用下，降雨前期施放在土壤表層大孔隙周?chē)模∟H4）2SO4會(huì)被水體攜帶直接通過(guò)大孔隙快速向土壤中遷移，大孔隙加密型土槽中溶質(zhì)下滲量大，所以槽1地表出流中所含的 （NH4）2SO4相對(duì)較多，在好氧條件下，轉(zhuǎn)化為硝酸根離子的相應(yīng)也較多。地下水出流前期，槽2地下徑流中的硝酸根離子濃度較槽1大，但前者的離子濃度隨時(shí)間逐漸減小，后者則隨時(shí)間呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，地下水出流后期槽1地下徑流中的硝酸根離子濃度較槽2大。這是由于：（1）槽2中大孔隙的加密，使土壤中孔隙度增大，地下水出流前期較多的（NH4）2SO4繞過(guò)土壤基質(zhì)，沿著這些大孔隙快速運(yùn)移至地下；（2）槽2深層土壤中存在較多的通氣大孔隙，氧氣量較多，易于硝化作用的發(fā)生；（3）大孔隙的加密，使槽2水分蓄量較大，土壤含水量增大，土壤含水量的增大會(huì)導(dǎo)致反硝化作用增強(qiáng)。所以地下水出流前期，槽2地下徑流中由（NH4）2SO4消化作用形成的硝酸根離子濃度較大，出流后期濃度較小。

3 結(jié)論

（1）降雨期間，土壤中大孔隙密度的增加，改變了各層土壤含水量受降雨影響的快慢的先后次序，其中下層土壤受影響的速度加快。且土壤中大孔隙的加密，使各層的土壤含水量增加幅度相對(duì)偏小。

（2）兩槽的坡面流速變化形狀基本相似，隨時(shí)間呈波狀分布且降雨前期的變化幅度都較后期的變化幅度大。但整個(gè)降雨過(guò)程中，大孔隙未加密型土槽的坡面平均流速是大孔隙加密型土槽的1.1倍。

圖6 試驗(yàn)土槽坡面硝酸根離子濃度變化

（3）降雨歷時(shí)52min前，兩槽的地面徑流過(guò)程相差較大，大孔隙加密型土槽的地面徑流流量明顯大于大孔隙未加密型土槽。但降雨歷時(shí)52min后，兩者的地面徑流過(guò)程幾乎重合。大孔隙加密型土槽的地下水出流時(shí)間早于大孔隙未加密型地面水出流時(shí)間且出流總量是其1.94倍。

（4）相對(duì)于大孔隙未加密型土槽，在地面徑流中，大孔隙加密型土槽中溴離子濃度、銨根離子濃度和硝酸根離子濃度都普遍偏??；在地下徑流前期，大孔隙加密型土槽中的銨根離子濃度偏小且變化幅度較小，但溴離子濃度、硝酸根離子濃度偏大。

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