基于土壤質(zhì)地分類的土壤滲透性影響因素研究

周韓 羅璟 楊沛璋 楊鵬

摘要：

土壤滲透性是影響降雨入滲-徑流過程的關(guān)鍵指標(biāo)，對準(zhǔn)確開展水利水電工程規(guī)劃設(shè)計中的行洪論證至關(guān)重要。國道G318川藏段地質(zhì)條件復(fù)雜，土壤類型多樣，生態(tài)環(huán)境敏感脆弱，土壤滲透性差異顯著。為研究影響土壤滲透性能的主控因素，對沿線取得的土壤樣品進(jìn)行變水頭滲透試驗，在顆粒分析的基礎(chǔ)上，將土壤樣品分為粉壤土、砂壤土、壤砂土，研究干密度、不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、植物根系對土壤滲透性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：當(dāng)土壤處于相同物性條件下時，土壤滲透系數(shù)隨砂粒含量增加而增大，即滲透系數(shù)：壤砂土＞砂壤土＞粉壤土；在不含植物根系情況下，土壤滲透系數(shù)均與干密度呈負(fù)相關(guān)，與不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)呈正相關(guān)，其中，砂壤土敏感性最高；而含植物根系土壤滲透系數(shù)普遍高于不含植物根系的同類土壤；對于含植物根系土壤而言，植物根系對粉壤土滲透系數(shù)的影響最大，并且隨土壤顆粒粒徑增大，植物根系對土壤滲透系數(shù)影響逐漸降低。

關(guān) 鍵 詞：

滲透系數(shù)； 變水頭試驗； 回歸分析； 植物根系； 土壤質(zhì)地分類

中圖法分類號： TU411.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.021

0 引 言

青藏高原是中國最大、世界海拔最高的高原，被譽(yù)為“世界屋脊”“第三極”“亞洲水塔”，地質(zhì)條件復(fù)雜，氣候條件多變，生態(tài)環(huán)境敏感脆弱。此外，區(qū)域內(nèi)地形地勢陡峻，暴雨頻發(fā)，容易在短時間內(nèi)形成山洪災(zāi)害，并誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著人民群眾的生命財產(chǎn)安全。土壤滲透性表征了土壤的下滲能力，是影響降雨入滲-徑流過程的關(guān)鍵指標(biāo)，開展不同土壤滲透性研究可為準(zhǔn)確評價山洪災(zāi)害提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，對保證水利水電工程的安全合理開發(fā)具有重要意義。

自Darcy由水通過飽和砂的試驗得出達(dá)西定律和Terzaghi提出Terzaghi公式［1］后，大量有關(guān)土壤滲透系數(shù)的研究開始展開：Taylor［2］，Lambe［3］，Lerourei等［4］將多孔介質(zhì)滲流的毛管模型引入到土壤滲流的研究中，對不同的土壤進(jìn)行滲透試驗，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計總結(jié)出滲透系數(shù)與孔隙比呈半對數(shù)關(guān)系。Hansen［5］在達(dá)西定律的基礎(chǔ)上提出了一些更加完善的砂土滲透理論。近些年來，有學(xué)者指出無黏性土（如碎石土、砂土等）的滲透系數(shù)一般與其不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)呈正相關(guān)［6-8］。而針對一些黏性土（如黃土等），通過相關(guān)試驗發(fā)現(xiàn)黃土的滲透系數(shù)與干密度總體呈負(fù)相關(guān)，并且體積含水率越高，受干密度的影響越大，不同干密度下壓實黃土的滲透系數(shù)的差異主要在低吸力段，即滲透系數(shù)陡升段和飽和段［9-14］。在高寒地區(qū)，相同干密度情況下，土壤內(nèi)部植物根系或植物纖維會提高土壤的滲透能力，滲透系數(shù)隨著植物根系含量增加而增大［15-18］。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者針對土壤滲透性影響因素進(jìn)行了大量試驗研究，但缺乏從土壤質(zhì)地分類角度出發(fā)對土壤滲透性開展系統(tǒng)研究，難以基于衛(wèi)星土壤數(shù)據(jù)快速獲取區(qū)域滲透性，制約水文模型參數(shù)量化。國道G318川藏段跨度長，穿越高原草甸區(qū)、亞高山森林、高寒草甸等生態(tài)敏感地區(qū)，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，氣候惡劣溫差較大，土壤類型多樣，土壤滲透性差異顯著。本文選取沿線14個位置，43個原狀樣進(jìn)行顆粒分析和變水頭滲透試驗，研究干密度、不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、植物根系對土壤滲透性的影響規(guī)律，揭示土壤類型與滲透特性之間的關(guān)系，為土壤滲透性區(qū)域化方法提供新思路，為建立該地區(qū)水文模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 室內(nèi)試驗

1.1 試樣性質(zhì)

為探究取土點淺表層土滲透特性開展室內(nèi)變水頭試驗，考慮取樣的場地條件以及時間條件，取樣點均勻分布在取土點上游，共對14處取土點流域進(jìn)行淺表層土取樣，共計43個原狀土試樣，現(xiàn)場取樣點位置如圖1所示（衛(wèi)星土壤數(shù)據(jù)來源于國家科技資源共享服務(wù)平臺-國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心-土壤分中心）。

根據(jù)衛(wèi)星土壤數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)場取土點位置，初步根據(jù)圖1將取得的土樣劃分為如表1所列的類別。

1.2 室內(nèi)滲透試驗及篩分試驗

依據(jù)在實驗室內(nèi)測定滲透系數(shù)的相關(guān)規(guī)范及試驗原理，將試驗分為常水頭和變水頭兩種，前者適用于滲透性大的粗粒砂、土（即K=10-3～10-2cm/s），變水頭試驗適用于滲透系數(shù)小的細(xì)粒砂、土（即K=10-6～10-3cm/s），由表1可得試樣基本為細(xì)粒土，因此采用變水頭滲透試驗方法。

變水頭試驗裝置如圖2所示，本次室內(nèi)試驗采用TST-55型滲透儀，滲透用水從直立水頭滴管流入試驗儀器，自下而上穿過土樣。試驗過程中，將水頭滴管中液面加至設(shè)計高度，開動秒表，記錄起始水頭H1。經(jīng)時間t2-t1后，再記錄終止水頭H2，根據(jù)GB/T 50123-1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，變水頭滲透系數(shù)應(yīng)按下式計算：

KT=2.3aLA（t2-t1）lgH1H2（1）

式中：kT為水溫為T時試樣滲透系數(shù)；a為變水頭管的斷面面積，m2；L為試樣高度，cm；A為試樣的斷面面積，m2；t1和t2分別為測讀水頭的起始和終止時間，s；H1和H2分別為起始和終止水頭高度，cm；2.3為ln和log的變換因數(shù)。

已有研究表明，土壤的滲透系數(shù)與其不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)擁有較好的相關(guān)性，所以在滲透試驗完成后，對試樣烘干并碾碎，使用細(xì)粒土標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)對重塑樣進(jìn)行篩分，同時篩分出土樣中的植物根系并稱重。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

依據(jù)美國土壤質(zhì)地分類中砂粒組分含量分類標(biāo)準(zhǔn)，將篩分完成后的土樣進(jìn)行分類，如表2所列。

將室內(nèi)篩分試驗的結(jié)果與衛(wèi)星土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)篩分試驗所獲得的土壤質(zhì)地分類與衛(wèi)星土壤數(shù)據(jù)質(zhì)地分類有所出入。詳細(xì)情況見表3，同時為較好描述衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)地分類與篩分試驗質(zhì)地分類差異，定義：

β=衛(wèi)星數(shù)據(jù)土壤質(zhì)地分類個數(shù)室內(nèi)試驗土壤質(zhì)地分類個數(shù)×100%（2）

其中，β為衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)地分類與室內(nèi)試驗的質(zhì)地分類重合度。

試驗結(jié)果對于所有土壤質(zhì)地分類β為79.07%，其中粉壤土β最好，達(dá)100%；砂壤土β次之，為78.57%；壤砂土β最差，為45.45%。

由此可以說明：對于粉壤土而言，衛(wèi)星土壤數(shù)據(jù)與實際現(xiàn)場數(shù)據(jù)重合度較高，能夠通過衛(wèi)星土壤數(shù)據(jù)對現(xiàn)場區(qū)域的粉壤土進(jìn)行初步劃分。

此次滲透試驗結(jié)果的處理當(dāng)中，根據(jù)同一個取土點同一類土進(jìn)行滲透系數(shù)的求平均值處理，同時去除掉取土點8、9這些只含一個土樣的取土點，以期減少試驗當(dāng)中的誤差。同時一個試樣中是否含有植物根系對滲透系數(shù)有較大影響，依據(jù)此次試驗結(jié)果分析認(rèn)為土壤中植物根系質(zhì)量占單位體積土壤總質(zhì)量1%以上的試樣其滲透系數(shù)被植物根系影響。

此次滲透試驗結(jié)果如表4所列。

2.2 干密度對土壤滲透性的影響

土壤干密度指從原位取出的土在經(jīng)過孔烘箱烘干至完全脫水后的密度，即所取土壤的固體顆粒質(zhì)量與總體積的比值。本文試驗所用土壤干密度多處于1.2～1.6 g/cm3區(qū)間之內(nèi)，土壤的干密度越大，單位體積土壤內(nèi)的固體顆粒越多，孔隙及水流通道越少，土壤更加致密，難以滲透。由圖3可知滲透試驗所用粉壤土、砂壤土、壤砂土在干密度上升時，其對應(yīng)的滲透系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，一般地，含有植物根系的試樣其滲透系數(shù)要比未含有植物根系的試樣大。同時，圖3（a）中兩條回歸線間距較大，說明植物根系對粉壤土滲透性影響較大，而圖3（b）中兩條回歸線間距很小，幾乎重合，說明隨著土壤中大粒徑砂礫含量的增加，植物根系對土壤滲透系數(shù)的影響逐漸降低。

由于現(xiàn)場土壤干密度較其他參數(shù)更易獲取，故使用干密度獲取擬合經(jīng)驗公式，如表5所列。

2.3 不均勻系數(shù)對土壤滲透性的影響

不均勻系數(shù)Cu反映了土壤顆粒組成離散程度，其數(shù)值越大，則表示土顆粒分布愈不均勻，粗顆粒與細(xì)顆粒的大小相差較為懸殊。而對于Cu較小的土，其顆粒粒徑區(qū)間變化范圍較窄，粒徑區(qū)間單一，大顆粒間的孔隙缺乏較小顆粒的填充，進(jìn)而在土壤內(nèi)部形成較大的孔隙，水流滲透相對較簡單。

本次試驗土樣的不均勻系數(shù)多位于10～30之間。對于粒徑級配曲線連續(xù)的土，不均勻系數(shù)越大，表示土中含有的不同粒徑級的粗細(xì)顆粒越多，粒組變化范圍越大。由圖4可知當(dāng)粉壤土，砂壤土，壤砂土的不均勻系數(shù)上升時，其對應(yīng)的滲透系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，在相同不均勻系數(shù)情況下，3類土的滲透系數(shù)大小順序為：壤砂土＞砂壤土＞粉壤土。

同時，含植物根系的大部分試樣其滲透系數(shù)大于未含植物根系的試樣。對于含植物根系土壤而言，植物根系對粉壤土滲透系數(shù)的影響最大，并且隨土壤顆粒粒徑增大，植物根系對土壤滲透系數(shù)影響逐漸降低。

2.4 曲率系數(shù)對土壤滲透性的影響

曲率系數(shù)是反映土顆粒徑分布曲線形態(tài)的系數(shù)，定義為顆粒級配曲線上，累積顆粒含量為30%的粒徑d30的平方與累積顆粒含量為60%的粒徑d60和有效粒徑d10乘積的比值。該系數(shù)是描述級配曲線平滑程度的指標(biāo)，一般與不均勻系數(shù)配合一起確定土的級配的好壞，用來判斷土的工程性質(zhì)。

一般地，土的曲率系數(shù)與滲透系數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)的相關(guān)關(guān)系。對于此次試驗3類土，其不均勻系數(shù)與滲透系數(shù)的關(guān)系如圖5所示。同時也可得，隨著土壤中大粒徑砂礫含量的增加，植物根系對土壤滲透系數(shù)的影響逐漸降低。

2.5 不同類型土壤滲透性差異

由圖6可知在相同干密度、不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)的情況下，滲透系數(shù)：壤砂土＞砂壤土＞粉壤土。

2.6 滲透性影響因素耦合分析

大量研究表明，土壤的滲透特性是在諸多外在和內(nèi)在因素耦合作用下形成的［20］。其中，內(nèi)在因素主要指土壤的理化性質(zhì)，例如土壤干密度、粒徑級配、不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、孔隙度、礦物組成成分等，各因素之間互相影響，相互耦合，共同決定土壤的理化性質(zhì)，并進(jìn)一步影響土壤的滲透特性。例如，在其他情況一致的情況下，土壤的不均勻系數(shù)越大，級配越不良，孔隙度越大，干密度越小，則滲透系數(shù)越大。

外在因素中，生長在土壤中的植被根系是影響土壤滲透特性的主要因素［21-22］。植物根系在土壤中穿插固結(jié)土壤，在根系生長的過程中，土壤中形成新的孔隙，連接形成通道，改變土壤結(jié)構(gòu)。同時，根系分泌物可以增加土壤中微型濾水團(tuán)聚體［23］的含量，阻止土顆粒的搬運(yùn)，從而降低土壤的干密度。在多因素耦合作用下，干密度降低，土壤孔隙度升高，粒度的分布范圍變大，引起土壤不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)升高，進(jìn)而提高土壤的滲透性能。

3 結(jié) 論

本文對國道G318川藏段沿線14個取樣點的43個原狀土樣進(jìn)行顆粒分析和變水頭滲透試驗，按照美國土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)將其劃分為粉壤土、砂壤土、壤砂土，研究了干密度、不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、植物根系對土壤滲透性的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1） 國道G318沿線土壤類型分布中粉壤土衛(wèi)星土壤數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)高度重合，可通過衛(wèi)星土壤數(shù)據(jù)對粉壤土進(jìn)行初步區(qū)劃。

（2） 在不含植物根系情況下，土壤滲透系數(shù)均與干密度呈負(fù)相關(guān)，與不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)呈正相關(guān)，其中，砂壤土敏感性最高；隨著土壤砂礫含量的增加，干密度對土壤滲透系數(shù)的影響呈現(xiàn)上升的趨勢。

（3） 對于含植物根系土壤而言，植物根系對粉壤土滲透系數(shù)的影響最大，并且隨土壤顆粒粒徑增大，植物根系對土壤滲透系數(shù)影響逐漸降低。

（4） 當(dāng)處于相同物性條件下時，即相同干密度或者不均勻系數(shù)或者曲率系數(shù)條件下，土壤滲透系數(shù)隨砂粒含量增加而增大，即滲透系數(shù)：壤砂土＞砂壤土＞粉壤土。

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（編輯：黃文晉）

Abstract：

Soil permeability is a key factor affecting the rainfall infiltration-runoff process，which is very important to accurately carrying out the flood discharge demonstration in the planning and design of hydropower and water conservancy projects.The geological conditions along the "G318" Sichuan-Tibet section are complex，the soil types are diverse，the ecological environment is sensitive and fragile，and the soil permeability is significantly different.To study the main influence factors affecting soil permeability，the variable-head permeability test was carried out on soil samples along the route.Based on particle size，the soil samples were divided into silty loam，sandy loam，and loamy sandy soil according to the classification standard of sand component content in the soil texture classification.The effects of dry density，non-uniformity coefficient，curvature coefficient，and plant roots on soil permeability were studied.The results show that when the soil is in the same physical properties，the soil permeability coefficient increases with the increase of sand content，the permeability coefficient is in an order of loamy sand>sandy loam>silty loam.In the condition of no plant roots，the soil permeability coefficient is negatively correlated with dry density，and positively correlated with non-uniformity coefficient and curvature coefficient，among which the sensitivity of sandy loam is the highest.The permeability coefficient of soil with plant roots is generally higher than that of the same soil without plant roots.The influence of plant roots on the permeability coefficient of silty loam soil is the largest，and the influence of plant roots on the permeability coefficient of soil gradually decreases with the increase of soil particle size.

Key words：

permeability coefficient；varying water-head test；regression analysis；plant roots；soil texture classification