不同厚度礫石覆蓋的潮土入滲過(guò)程及模型優(yōu)選

董 銳，王海波，吳慶濤

(1.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，100040，北京；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100，陜西楊凌；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌)

礫石是指土壤中粒徑>2 mm而小于單個(gè)土體(面積<1 m2，深度<2 m)的巖石碎塊[1]，大量研究[2-4]表明土壤礫石覆蓋具有蓄水保墑、防止水土流失和增強(qiáng)土壤水分入滲的作用。梁洪儒等[1]和周蓓蓓等[5]研究表明隨著礫石覆蓋量的增加，土壤入滲能力增強(qiáng)，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量顯著降低[2]，Yamanaka等[6]研究認(rèn)為礫石覆蓋土壤有利于水分入滲，增強(qiáng)土壤保水性能；陳士輝等[7]研究表明沙田土壤由于礫石覆蓋土壤水分入滲速率顯著增加；王小燕等[8]通過(guò)模擬降雨試驗(yàn)表明礫石覆蓋能有效減小紫色土坡面徑流量，增大入滲速率；Wang等[9]研究認(rèn)為覆蓋地表的巖塊能明顯影響坡耕地土壤水文過(guò)程，增加入滲和地下徑流。潮土作為我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)土壤，其面積達(dá)267萬(wàn)hm2[10]，由于近些年人類(lèi)不科學(xué)的生產(chǎn)活動(dòng)，土壤肥力降低，水土極易流失。為探尋一種改善潮土區(qū)水土流失現(xiàn)狀的有效方法，筆者以潮土為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)一維垂直定水頭入滲試驗(yàn)研究不同厚度(0、3、6、9和12 cm)礫石覆蓋下潮土水分入滲特征的差異，揭示礫石覆蓋厚度與潮土入滲特征之間的內(nèi)在聯(lián)系，以期為礫石覆蓋應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際和水土保持等方面提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)土壤取自湖南長(zhǎng)沙(E 112°16′43″，N 28°26′31″)，土壤風(fēng)干后經(jīng)碾壓和粉碎過(guò)2 mm篩后備用。試驗(yàn)土柱利用內(nèi)直徑10 cm、高50 cm的有機(jī)玻璃管制成，土柱設(shè)計(jì)裝填高度30 cm。試驗(yàn)采用馬氏瓶供水，供水水頭控制在5 cm左右。試驗(yàn)前先在有機(jī)玻璃管底部鋪一層濾網(wǎng)，避免試驗(yàn)過(guò)程中土壤顆粒流失，按1.25 g/cm3的密度將土裝入土柱，裝填時(shí)按照5 cm每層分次裝入并壓實(shí)，使各層土壤分布均勻。土壤壓實(shí)后將礫石按照設(shè)計(jì)厚度(0、3、6、9和12 cm)均勻覆蓋潮土表面，各處理依次簡(jiǎn)稱(chēng)為CK、C3、C6、C9和C12。礫石粒徑為6～15 mm。按照先密后疏的原則觀測(cè)記錄馬氏瓶讀數(shù)與土柱的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離。試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到720 min后結(jié)束試驗(yàn)，各處理3次重復(fù)。

1.2 模型選擇

為探尋一種模擬礫石覆蓋潮土入滲過(guò)程較好的入滲模型，采用Philip、Kostiakov和指數(shù)模型進(jìn)行擬合，各入滲模型如下。

1)Philip模型[11]

f(t)=fc+0.5St-0.5。

(1)

式中：f(t)為入滲速率，mm/min；fc為穩(wěn)定入滲率，mm/min；S為根據(jù)試驗(yàn)求得的模型參數(shù)；t為入滲時(shí)間，min。

2)Kostiakov模型[12]

f(t)=at-b。

(2)

式中a和b為入滲參數(shù)。

3)指數(shù)模型

指數(shù)模型源于Horton模型[13]，可簡(jiǎn)記為

f(t)=Ne-wt。

(3)

式中N和w為入滲參數(shù)。

4)為選取模擬礫石不同厚度覆蓋下潮土水分入滲過(guò)程較好的入滲模型，采用相對(duì)誤差δ評(píng)價(jià)入滲模型模擬入滲率與實(shí)測(cè)入滲率之間的離散程度，計(jì)算式如下：

(4)

式中:δ為入滲率相對(duì)誤差；fm為模型計(jì)算的入滲率，mm/min；fr為實(shí)測(cè)入滲率，mm/min。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2007軟件進(jìn)行繪圖，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析和方差分析，采用LSD進(jìn)行多重比較。利用Origin 8.5軟件模擬潮土入滲過(guò)程。

2 結(jié)果與分析

2.1 礫石覆蓋厚度對(duì)土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離的影響

濕潤(rùn)鋒是反映水流垂直運(yùn)動(dòng)的特征之一，可表征水分在土壤基質(zhì)吸力和重力作用下的運(yùn)動(dòng)特征。圖1反映礫石覆蓋下潮土濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間的變化特征。礫石覆蓋明顯影響潮土濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，入滲結(jié)束時(shí)，C3、C6、C9和C12濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離分別為8.10、9.30、10.75和12.00 cm，與CK運(yùn)移距離7.45 cm相比，依次高出8.72%、24.83%、44.30%和61.07%，這表明同一時(shí)段內(nèi)礫石覆蓋明顯增加潮土濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離。

根據(jù)圖1曲線趨勢(shì)走向，采用冪函數(shù)擬合試驗(yàn)中濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間的關(guān)系，將擬合結(jié)果列于表1，具體公式為X=μtλ，式中：X為濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，cm；t為入滲時(shí)間，min；μ為第1個(gè)計(jì)時(shí)單位濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，cm；λ為濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率的衰減程度。由表1可知，擬合方程的決定系數(shù)R2最小為0.995，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.01)，這表明冪函數(shù)擬合礫石覆蓋土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移規(guī)律效果較好。但擬合參數(shù)μ和λ值隨礫石覆蓋厚度增加均無(wú)明顯變化。其具體原因還需進(jìn)一步深入研究。

CK、C3、C6、C9和C12為潮土土壤壓實(shí)后將厚度0、3、6、9和12 cm礫石均勻覆蓋其表面,下同。CK，C3，C6，C9 and C12 is the treatment of evenly covering the compacted tidal soil with gravel thickness at 0,3,6,9 and 12 cm,respectively.The same below.圖1 礫石覆蓋土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移特征Fig.1 Characteristics of wetting front migration in gravel-covered soil

表1 礫石覆蓋下土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間變化的擬合結(jié)果Tab.1 Fitting results of wetting front migration distance with time under gravel cover

2.2 礫石覆蓋厚度對(duì)土壤累積入滲量的影響

如圖2所示，各處理下土壤累積入滲量皆高于CK。結(jié)束入滲后，C3、C6、C9和C12累積入滲量分別為3.49、4.25、4.86和5.68 cm，與CK處理 2.85 cm相比，依次高出22.46%、49.12%、70.53%和99.30%。這說(shuō)明對(duì)應(yīng)同一入滲時(shí)間，礫石覆蓋明顯增大潮土累積入滲量，這對(duì)防止水土流失和減小降水產(chǎn)流具有極大潛力。

圖2 礫石覆蓋土壤累積入滲量的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic change of soil cumulative infiltration under gravel cover

為探尋礫石覆蓋潮土累積入滲量與覆蓋厚度之間的內(nèi)在聯(lián)系，根據(jù)圖2中曲線形態(tài)，采用冪函數(shù)進(jìn)行擬合。擬合方程為I=mtn，式中：I為累計(jì)入滲量，cm；t為入滲時(shí)間，min；m為第1個(gè)計(jì)時(shí)單位累計(jì)入滲量，cm；n為累計(jì)入滲量衰減程度。如表2所示，各處理擬合方程決定系數(shù)R2最小為0.983，表明冪函數(shù)擬合礫石覆蓋潮土累積入滲量隨時(shí)間的變化關(guān)系效果較好。可見(jiàn)參數(shù)m隨礫石覆蓋厚度的增加呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，其變化關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)m=0.094e0.144d(R2=0.950)描述，式中d為礫石覆蓋厚度，cm。而參數(shù)n隨礫石覆蓋厚度的變化無(wú)明顯變化。

表2 礫石覆蓋土壤累積入滲量隨時(shí)間變化的擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of cumulative infiltration with time under gravel cover

圖3反映礫石覆蓋潮土入滲率的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。整個(gè)入滲過(guò)程中，不同處理入滲率隨入滲時(shí)間的變化規(guī)律具有較強(qiáng)的一致性，入滲初期，潮土具有較高的初始入滲性能，水分入滲速率最大，隨入滲時(shí)間推移，潮土入滲率急劇減小并逐漸趨于穩(wěn)定。若以前后入滲率隨時(shí)間的相對(duì)變差<10%為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷平均穩(wěn)定入滲率，不同厚度礫石覆蓋下土柱達(dá)到穩(wěn)定入滲階段所用時(shí)間各不相同。CK、C3和C6處理入滲速率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間均為430 min左右，而C9和C12處理入滲速率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間分別為570和517 min左右。這說(shuō)明礫石覆蓋0、3和6 cm處理土壤后期入滲能力無(wú)顯著差異，礫石覆蓋厚度超過(guò)9 cm時(shí)。土壤達(dá)到穩(wěn)定入滲階段的時(shí)間顯著增加(P<0.01)。

圖3 礫石覆蓋下土壤入滲速率的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic change of soil infiltration rate under gravel cover

如表3所示，礫石覆蓋顯著增加土壤初始入滲率，穩(wěn)定入滲率和平均入滲率。相比CK，其他處理初始入滲率、穩(wěn)定入滲率和平均入滲率分別增長(zhǎng)30.25%～110.51%、17.36%～124.68%和22.46%～99.30%。方差分析表明，相比CK、C3和C6處理初始入滲率和平均入滲率差異不顯著，而C9和C12處理則相反；除C3處理穩(wěn)定入滲率相比CK差異不顯著外，其他處理差異均顯著(P<0.05)。這表明礫石覆蓋具有增加土壤入滲能力的作用，這與胡廷飛等[11]的研究結(jié)果相似。

表3 礫石覆蓋土壤入滲特征指標(biāo)Tab.3 Soil infiltration characteristics under gravel cover mm/min

2.3 潮土入滲過(guò)程擬合與誤差分析

為進(jìn)一步研究礫石不同厚度覆蓋下潮土入滲性能的差異，選用Philip、Kostiakov和指數(shù)模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表4。土壤入滲模擬方程相對(duì)誤差分析結(jié)果如表5。

表4 土壤入滲過(guò)程擬合結(jié)果Tab.4 Fitting results of soil infiltration process

表5 土壤入滲模擬方程相對(duì)誤差分析Tab.5 Relative error analysis of soil infiltration simulation equation %

由表5可知，Philip入滲模型計(jì)算入滲率與實(shí)測(cè)入滲率相對(duì)誤差為0.29%～57.48%，Kostiakov模型相對(duì)誤差為0.05%～3.01%，指數(shù)模型相對(duì)誤差則為8.54%～24.41%。這表明Philip和指數(shù)入滲模型模擬礫石覆蓋潮土入滲規(guī)律效果較差，Kostiakov入滲模型模擬礫石覆蓋潮土入滲過(guò)程精確度最高。

3 討論

礫石覆蓋對(duì)土壤產(chǎn)流及入滲過(guò)程的影響較復(fù)雜。表層土壤礫石覆蓋會(huì)增加地表積水、促進(jìn)土壤水分入滲[1,7,9]、減少地表產(chǎn)流從而降低土壤流失速率[2,8]。本研究結(jié)果與其具有一致性。礫石覆蓋下，潮土濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離顯著增加，且與礫石覆蓋厚度呈正相關(guān)關(guān)系。同一時(shí)段內(nèi)潮土濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離增加勢(shì)必增大土壤累積入滲量，這表明礫石覆蓋具有促進(jìn)潮土水分入滲以及減少地表產(chǎn)流的作用，這對(duì)潮土區(qū)防止水土流失和減小降水產(chǎn)流具有極大潛力。整個(gè)入滲過(guò)程中，各處理潮土入滲率隨入滲時(shí)間的變化規(guī)律具有較強(qiáng)的一致性，但隨入滲時(shí)間推移，不同處理之間潮土入滲速率達(dá)到穩(wěn)定入滲階段的時(shí)間出現(xiàn)差異。試驗(yàn)結(jié)果表明礫石覆蓋顯著增加潮土初始入滲率，穩(wěn)定入滲率和平均入滲率。這與胡廷飛等[14]和Mainali等[15]的研究結(jié)果相似。這是由于表層土壤礫石覆蓋形成較多的大孔隙，使得土壤表層積水水頭增加，有利于水分入滲。潮土入滲過(guò)程擬合分析表明Kostiakov入滲模型模擬礫石覆蓋潮土入滲過(guò)程精確度最高。這與胡廷飛等[14]的研究結(jié)果不同，這可能與試驗(yàn)土壤性質(zhì)有關(guān)，具體原因還需進(jìn)一步深入研究。由于本試驗(yàn)為室內(nèi)模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)僅考慮礫石覆蓋土壤表面，在水分開(kāi)始入滲時(shí)即受到土壤表面礫石的影響，未考慮礫石與土壤混合的實(shí)際情況。礫石粒徑大小以及碎石類(lèi)型等均會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，因此，為確定礫石覆蓋下潮土水分入滲特征的差異，還需考慮更多的影響因素進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)論

1)礫石覆蓋顯著增加潮土濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離和累積入滲量(P<0.05)，各處理分別增長(zhǎng)8.72%～61.07%和22.46%～99.30%。其隨時(shí)間的變化關(guān)系均可用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，其R2最小分別為0.995和0.983。

2)礫石覆蓋改變潮土水分入滲曲線。顯著增加潮土初滲率，穩(wěn)滲率和平均入滲率，各處理分別增長(zhǎng)30.25%～110.51%、17.36%～124.68%和22.46%～99.30%。潮土初滲率，穩(wěn)滲率和平均入滲率與礫石覆蓋厚度均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

3)3種入滲模型擬合礫石覆蓋潮土水分入滲過(guò)程表明，Kostiakov入滲模型擬合結(jié)果更接近實(shí)測(cè)值，適合用于模擬預(yù)測(cè)礫石覆蓋潮土水分入滲過(guò)程，Philip和指數(shù)模型擬合效果則較差。