土石混合介質(zhì)中碎石性質(zhì) 對(duì)土壤水分特征曲線的影響分析

韓春苗，甘永德，賈仰文，陳 喜，蘇輝東，劉 歡

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038； 3. 青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016；4.北京市水文總站，北京 100058)

0 引 言

土壤水分特征曲線(the water retention curve)是用于表征土壤含水量和土壤基質(zhì)勢(shì)之間關(guān)系的曲線[1,2]，是研究多孔介質(zhì)非飽和帶土壤水分運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)[3-5]，其能否被準(zhǔn)確描述將直接影響到土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)值模型的模擬精度[6]，一直是土壤科學(xué)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。土壤水分特征曲線會(huì)受到土壤質(zhì)地、孔隙狀況、土壤容重、溫度、土壤的濕脹干縮特性、應(yīng)力狀態(tài)等因素的影響[7-9]。但是這些因素之間關(guān)系復(fù)雜，是高度非線性的函數(shù)，很難從理論上分析推求土壤基質(zhì)勢(shì)與土壤含水量之間的關(guān)系[10]。土壤水分特征曲線測(cè)定的方法主要有張力計(jì)法、壓力膜法、離心機(jī)法、平衡水汽壓法等[11]，但是這些方法的測(cè)量都費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且土壤本身的時(shí)空異質(zhì)性也導(dǎo)致了測(cè)量結(jié)果具有很大的不確定性[12]。因此常采用可替代的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)估計(jì)這一土壤水力性質(zhì)。而在眾多的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校琕G(van Genuchten)模型[13]是常用的水分特征曲線擬合模型，常被用來(lái)擬合土壤水分能量與數(shù)量間的關(guān)系[14-18]。但該模型多被應(yīng)用于均質(zhì)土壤，對(duì)于土石混合介質(zhì)時(shí)，其適用性尚待驗(yàn)證。

土石山區(qū)土壤中含有大量碎石，即土石混合介質(zhì)。土石混合介質(zhì)中的碎石改變了土壤的持水性、導(dǎo)水性和水分有效性[19]。土石混合介質(zhì)中碎石性質(zhì)對(duì)土壤水分特征曲線的影響因碎石類型、碎石性質(zhì)、含量比等不同而不同[20]。Montagne[21]等利用壓力膜和壓力板測(cè)定了含碎石土壤的持水能力。在低吸力時(shí)，粉砂巖吸持的水分比細(xì)土少，而高吸力時(shí)，粉砂巖吸持的水分比細(xì)土要多。Hanson等[22]研究表明碎石粒徑和碎石種類對(duì)水分特征曲線的影響不同。馬東豪[23]以鈣結(jié)石為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)碎石含量對(duì)土石混合介質(zhì)水分特征曲線的影響較小，同吸力下，細(xì)土的持水性隨碎石含量的增加而增加；同碎石含量下，影響土石混合介質(zhì)的主要因素是碎石粒徑的大小而不是碎石的水力特性。

然而，以往研究中，因取樣的空間變異性及碎石含量﹑物理性質(zhì)的差異，導(dǎo)致對(duì)碎石性質(zhì)的研究結(jié)果并不一致，甚至相互矛盾[24,25]。另外，這些研究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。這些性質(zhì)對(duì)土壤水分特征曲線的影響的區(qū)別如何，還未展開(kāi)研究。綜上所述，土石混合介質(zhì)中碎石的存在極大地改變了土壤基本物理性質(zhì)，導(dǎo)致其持水性異于均質(zhì)土壤，土壤水分特征曲線因碎石性質(zhì)、含量等不同而不同，需要深入研究。基于以往研究不足，本文采用高速離心機(jī)，測(cè)定了兩種不同巖性碎石(片麻巖和石灰?guī)r)分別在碎石質(zhì)量比例為0%、10%、20%、30%、40%條件下的土壤水分特征曲線，并運(yùn)用了RETC軟件的VG模型對(duì)土壤水分特征曲線進(jìn)行了擬合分析，檢驗(yàn)了模型的適用性，以及參數(shù)穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上以飽和含水量為土壤關(guān)鍵參數(shù)，系統(tǒng)探討了碎石的巖性、含量對(duì)土壤持水性的影響。相關(guān)研究有助于豐富土石混合介質(zhì)水分運(yùn)動(dòng)理論基礎(chǔ)，并提高土石山區(qū)土壤水分運(yùn)動(dòng)模擬精度。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

試驗(yàn)所用土石混合介質(zhì)取自我國(guó)華北地區(qū)典型的土石山區(qū)的崇陵小流域。崇陵小流域位于河北省保定市易縣境內(nèi)，屬于北易水的二級(jí)支流，流域面積6 km2，海拔85～300 m之間，為一閉合流域。地勢(shì)西北高，東南低，地形起伏度不大。流域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均氣溫11.9 ℃，1月份平均氣溫-4.8 ℃，7月份平均氣溫26.2 ℃，多年平均年降水量約641.2 mm。流域巖石主要由片麻巖和石灰?guī)r組成，山丘主要由片麻巖組成，坡度為10°～25°。山嶺主要由石灰?guī)r組成，坡度多在 25°以上。流域內(nèi)土壤以沙壤土為主，土層厚1～2 m。該流域植被、地形地貌和土壤等自然條件是我國(guó)華北土石山區(qū)低山丘陵帶的典型代表。受自然、人類活動(dòng)等因素影響，土壤內(nèi)含有碎石，碎石比例0～100%均有分布。

1.2 試驗(yàn)材料

在試驗(yàn)區(qū)域采集土石混合介質(zhì)土樣，包括片麻巖土石混合介質(zhì)和石灰?guī)r土石混合介質(zhì)。其中，該地區(qū)片麻巖石質(zhì)松軟，具有一定導(dǎo)水性和持水性，而石灰?guī)r石質(zhì)堅(jiān)硬，其導(dǎo)水性和持水性可忽略不計(jì)。取得土樣后，在室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)干，剔除樹(shù)根等雜質(zhì)后，過(guò)篩(2 mm)，將土壤和碎石分開(kāi)。將分開(kāi)的碎石進(jìn)一步過(guò)篩，將較大的碎石(>15 mm)剔除(因離心機(jī)所用離心環(huán)較小，很難容納較大粒徑的碎石)。隨后，將得到的碎石進(jìn)行水洗、風(fēng)干后，測(cè)定其基本物理性質(zhì)。將分開(kāi)的土壤風(fēng)干、過(guò)篩(2 mm)后測(cè)定土壤基本物理性質(zhì)，分開(kāi)后的土壤分別標(biāo)記為GS(片麻巖對(duì)應(yīng)土壤)和LS(石灰?guī)r對(duì)應(yīng)土壤)。試驗(yàn)采用烘干法測(cè)定其初始質(zhì)量含水量，采用稱重法測(cè)定其干容重，采用定水頭法測(cè)定飽和導(dǎo)水率，采用環(huán)刀法測(cè)定土壤飽和體積含水量，采用吸管法測(cè)定土樣的顆粒組成。分開(kāi)后的土壤基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1，分開(kāi)后的碎石基本物理性質(zhì)見(jiàn)表2。每個(gè)樣品測(cè)定重復(fù)三次。碎石粒徑組成采用篩分法測(cè)定，其容重采用排水體積法測(cè)定。為了測(cè)定片麻巖純石頭時(shí)的水分特征參數(shù)，試驗(yàn)直接采用離心機(jī)專用環(huán)刀取得原狀石頭，然后帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定水分特征參數(shù)。

表1 裝填土壤基本物理性質(zhì)

表2 試驗(yàn)碎石的物理性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與水分特征曲線計(jì)算方法

根據(jù)土壤剖面調(diào)查，考慮設(shè)定碎石含量從0.0%到100%變化，但由于碎石質(zhì)量比例超過(guò)50%后，人工已很難將土石均勻混合。因此，試驗(yàn)設(shè)定五個(gè)碎石質(zhì)量比例(Rv，碎石占總質(zhì)量的比例)，分別為0.0%、10.0%、20.0%、30.0%、40.0%，將片麻巖和石灰石碎石與土壤按照上述5種比例進(jìn)行均勻混合，形成含有小粒徑碎石的均勻孔隙介質(zhì)。測(cè)得上述5種比例下片麻巖土石混合介質(zhì)的密度分別為1.40、1.44、1.48、1.52和1.57 g/cm3(質(zhì)量比自小到大)；石灰?guī)r土石混合介質(zhì)密度分別為1.40、1.46、1.54、1.63和1.72 g/cm3(質(zhì)量比自小到大)；純片麻巖密度為1.91 g/cm3。采用離心機(jī)測(cè)定土樣脫水過(guò)程的持水特性，設(shè)置12個(gè)不同轉(zhuǎn)速(分別為310、980、1 386、1 961、2 405、2 774、3 101、4 385、6 202、7 596、8 771、9 806 r/min)，離心時(shí)間均為90 min，記錄設(shè)定吸力下的土壤質(zhì)量含水量，進(jìn)而計(jì)算不同吸力下的土壤體積含水量，得到片麻巖和石灰?guī)r不同土石比下的水分特征曲線。每個(gè)土樣做3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)觀測(cè)的土石介質(zhì)脫水階段水分?jǐn)?shù)據(jù)繪制水分特征曲線，并用RETC軟件的VG模型進(jìn)行擬合(圖1)，擬合設(shè)定4個(gè)參數(shù)，并且嘗試了幾個(gè)不同的可調(diào)參數(shù)初始值組合，以達(dá)到全局最優(yōu)。

VG模型[13]是van Genuchten于1980年在Mualem等的模型基礎(chǔ)上提出的土壤水分特征曲線模型:

(1)

式中：θ為土壤含水量；θr為土壤殘余含水量；θs為土壤飽和含水量；h為土壤水吸力；α、n和m為土壤水分特征曲線參數(shù)；m=1-1/n。

圖1 RETC操作界面(輸入：實(shí)測(cè)土壤水吸力h(Pressure)，實(shí)測(cè)土壤含水量θ(Thata)；輸出：θr、θs、α和n)

2 結(jié)果分析

2.1 不同土石混合比例對(duì)土壤含水量的影響

不同碎石含量比對(duì)水分特征曲線的影響結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，隨著土壤含水量逐漸減小，土壤水吸力的增大。為便于分析土石混合介質(zhì)碎石性質(zhì)對(duì)水分特征曲線的影響，將土壤水吸力低于100 kPa作為低吸力段和中高吸力端的分界點(diǎn)[10]。在低吸力段，土壤水分主要由大孔隙保持，吸力增加，脫水迅速，曲線陡直；在高吸力階段，土壤水分由小孔隙保持，脫水過(guò)程緩慢，曲線平緩。對(duì)于兩種碎石處理，相同土壤水吸力條件下，隨著碎石質(zhì)量比的增大，土壤含水量均逐漸減小。出現(xiàn)這種情況的原因可能是，石灰?guī)r和片麻巖碎石持水能力均小于細(xì)土，細(xì)土中碎石含量的增加，碎石占據(jù)細(xì)土內(nèi)的孔隙量也隨之增加，導(dǎo)致了土石混合介質(zhì)整體保水能力降低。上述研究成果與邵明安等[20]得出的結(jié)果略有差別，原因可能在其所用的細(xì)土和鈣結(jié)石理化性質(zhì)與本實(shí)驗(yàn)所用細(xì)土和碎石差別較大。為了量化碎石對(duì)土壤曲線的影響，以純土(Rv=0.0%)為對(duì)照。在低吸力段，相同土壤水吸力，當(dāng)碎石比(Rv)分別為10.0%、20.0%、30.0%、40.0%時(shí)，片麻巖含水量分別相對(duì)低-7.72%、-14.84%、-23.15%、-26.76%，石灰?guī)r含水量分別相對(duì)低-12.75%、-19.37%、-24.60%、-30.19%。在高吸力段，相同土壤水吸力，當(dāng)碎石比(Rv)分別為10.0%、20.0%、30.0%、40.0%時(shí)，片麻巖土壤含水量分別相對(duì)低-7.80%、-14.17%、-23.04%、-26.99%，石灰?guī)r含水量分別相對(duì)低-18.22%、-22.48%、-27.43%。這說(shuō)明土壤含水量隨碎石的增大而減小，但平均減小幅度小于碎石比例。這一現(xiàn)象的可能解釋是，碎石代替了細(xì)土的大小孔隙，但碎石與細(xì)土間可能又產(chǎn)生了新的大小孔隙，因此碎石產(chǎn)生的部分效應(yīng)被新產(chǎn)生的孔隙代替。就不同碎石處理而言，相對(duì)于細(xì)土，低吸力階段含石灰?guī)r碎石土壤含水量平均降低幅度為-21.73%，小于高吸力階段的-19.96%；片麻巖差別不大，分別為-18.12%和-18.00%。這說(shuō)明土石混合介質(zhì)持水能力隨碎石含量的增大而降低，其中含片麻巖碎石土石混合介質(zhì)的降幅小于石灰?guī)r。原因在于相對(duì)于石灰?guī)r，片麻巖具有相對(duì)較大的持水性和導(dǎo)水性。相對(duì)于含石灰?guī)r碎石的土石混合介質(zhì)，相同土壤水吸力條件下，含片麻巖碎石的土石混合介質(zhì)，不僅細(xì)土持有一定含水量，碎石也持有一定含水量。

2.2 模型參數(shù)估計(jì)及評(píng)價(jià)分析

2.2.1 VG模型參數(shù)估計(jì)

采用RECT軟件的VG模型擬合了片麻巖和石灰?guī)r不同碎石比處理的土壤水分特征曲線擬合誤差比較分析，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯觯琕G可以較好地?cái)M合土石混合介質(zhì)不同碎石比水分特征曲線，確定性系數(shù)R2均大于0.998，這說(shuō)明VG模型描述土石混合介質(zhì)水分特征曲線是合理的。此外，不同碎石處理間，土壤參與含水量滯留含水量(θr)相差不大，飽和含水量(θs)、α和n值都比無(wú)碎石土壤小，這與邵明安等[20]得到的結(jié)果相同。

圖2 不同碎石處理?xiàng)l件下土石混合介質(zhì)水分特征曲線模擬

碎石種類碎石比例/%θrθsαnR2片麻巖00.0890.3940.0671.3940.998 100.0800.3640.0731.3770.998 200.0700.3280.0741.3450.999300.0590.2990.0861.3230.998400.0540.2820.0691 1.305 0.9981000.0460.2410.0711.5380.998石灰?guī)r00.0520.4340.0581.232 0.999 100.0070.3730.510 1.228 0.998 200.0130.3400.0841.1219 0.997 300.0240.3020.0481.2010.999 400.0280.2840.0551.2030.999

α是土壤進(jìn)氣值的倒數(shù)，說(shuō)明含碎石土壤進(jìn)氣吸力比無(wú)碎石土壤大。n值反映水分特征曲線陡峭程度，n值越大，曲線越陡峭，說(shuō)明含碎石土壤水分特征曲線比無(wú)碎石土壤曲線平緩。

2.2.2 飽和含水量與碎石比與參數(shù)關(guān)系

土石混合介質(zhì)中土壤飽和含水量隨碎石質(zhì)量比的變化關(guān)系見(jiàn)圖2?？梢钥闯?，土壤飽和含水量隨碎石比例的增大而減小。相同碎石比例下，土壤飽和含水量相對(duì)于純土(Rv=0%)，片麻巖持水量平均降低比例分別為-7.59%(Rv=10.0%)、-16.59%(Rv=20.0%)、-23.98%(Rv=30.0%)和-28.30(Rv=40.0%)；石灰?guī)r持水量平均降低比例分別為-13.94%(Rv=10.0%)、-21.48%(Rv=20.0%)、-30.33%(Rv=30.0%)和-34.58(Rv=40.0%)，這一結(jié)果說(shuō)明土壤持水能力隨碎石含量的增大而降低，但含片麻巖碎石土石混合介質(zhì)降幅小于石灰?guī)r。

土石混合介質(zhì)中碎石的存在改變了土壤基本物理性質(zhì)，導(dǎo)致土壤含水量隨碎石質(zhì)量含量變化成指數(shù)函數(shù)變化[20]，則含石灰?guī)r碎石土壤飽和含水量與碎石質(zhì)量比例關(guān)系采用下式計(jì)算：

θ=θsoileb Rv

(4)

由于片麻巖可以持有一定含水量，因此含片麻巖碎石土壤含水量包括細(xì)土持有的水量和碎石持有的水量，其含水量是兩者的加權(quán)之和，即：

θ=θsoilec Rv+θrocke(1-Rv)+d

(5)

式中：θsoil為細(xì)土含水量，采用土石混合介質(zhì)(Rv=0.0%)時(shí)對(duì)應(yīng)飽和含水量；θrock為純碎石含水量，采用片麻巖土石混合介質(zhì)(Rv=100.0%)時(shí)的飽和含水量。b、c、d為參數(shù)，本文分別取-1.160、0.498和-0.645。

土石混合介質(zhì)中不同碎石比條件下的飽和含水量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值間誤差見(jiàn)表3，可以看出，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值間決定系數(shù)R2均大于0.970；均方根誤差RMSE均小于0.010。這說(shuō)明由于片麻巖具有持水性和導(dǎo)水性，含片麻巖土石混合介質(zhì)飽和含水量不僅與土壤比例有關(guān)，也與碎石比例有關(guān)，而石灰?guī)r處理只與土壤比例有關(guān)。

表3 土壤飽和含水量擬合值與實(shí)測(cè)值間誤差統(tǒng)計(jì)表

圖3 土壤水分特征曲線模型的飽和含水量參數(shù)與碎石比例之間關(guān)系

3 結(jié) 論

本文以土石混合介質(zhì)碎石性質(zhì)對(duì)水分特征曲線影響為研究對(duì)象，測(cè)定了兩種不同巖性碎石(片麻巖和石灰?guī)r)分別在不同碎石質(zhì)量比例條件下的土壤水分特征曲線，并應(yīng)用VG(van Genuchten)模型對(duì)土壤水分特征曲線進(jìn)行了擬合分析，得到以下主要結(jié)論：

(1)土壤水分特征曲線隨碎石含量的變化而變化，且變化方式與碎石性質(zhì)有關(guān)，具體表現(xiàn)為不同土石比的土石介質(zhì)的土壤水分曲線隨著土石比Rv增大(相同土壤吸力下)，土壤含水率減小。

(2)相同土壤水吸力，相同碎石比例條件下，含片麻巖碎石土壤含水量降低比例小于石灰?guī)r。

(3)VG模型可以擬合土石混合介質(zhì)水分特征曲線，但模型參數(shù)隨碎石含量的變化而變化，模型參數(shù)不穩(wěn)定。

(4)含石灰?guī)r碎石的土石混合介質(zhì)的土壤飽和含水量參數(shù)只與土壤所占比例有關(guān)，但含片麻巖碎石土石混合介質(zhì)的土壤飽和含水量與土壤和碎石各自所占比例均有關(guān)。

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