降雨入滲對(duì)黃土斜坡土體含水率時(shí)空分布特性的影響

薛 強(qiáng)，唐亞明，孫萍萍，畢俊擘

（國土資源部 黃土地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室／中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安710054）

黃土地區(qū)斜坡土體含水率的變化主要由降雨入滲引起［1］。而降雨對(duì)土體含水率的影響十分復(fù)雜，這種復(fù)雜性一方面來自降雨強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)長、間斷時(shí)長的不確定性；另一方面來自黃土斜坡巖性、微觀結(jié)構(gòu)、宏觀結(jié)構(gòu)的不確定性，兩者的疊加導(dǎo)致降雨入滲速率、入滲深度、土體含水率等呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的特性［2］。在沒有節(jié)理裂隙等快速入滲通道的完整黃土坡體條件下，降雨的入滲深度是有限的。張士宇等［3］利用經(jīng)驗(yàn)方法計(jì)算出降雨在路堤邊坡的入滲率為27 mm／h，1h降雨的入滲深度為0.4m，2h降雨的入滲深度為0.6m，12h降雨的入滲深度為2.0m。詹良通等［4］通過原位試驗(yàn)的方法得出，降雨入滲對(duì)孔隙水壓力或吸力、含水率、土壓力和變形的影響主要反應(yīng)在2.0m之內(nèi)的土層中。郭迎新等［5］通過試驗(yàn)得出，土壤剖面含水率變化規(guī)律為雙峰型，降雨對(duì)土壤含水率主要影響深度在0—30cm土層；降雨前后土壤含水率的變化主要是受到土壤特性、土壤初期含水率和降水影響。

目前，關(guān)于降雨入滲對(duì)土體含水率影響的相關(guān)研究多以人工降雨模擬試驗(yàn)為主［6－10］，缺乏持續(xù)的野外實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)，因此所得結(jié)果具有一定的局限性。針對(duì)以上問題，本研究選取陜北延安市一個(gè)完整黃土斜坡進(jìn)行了連續(xù)4a的降雨及土體含水率定位監(jiān)測(cè)，分析土體含水率相對(duì)于降雨的滯后效應(yīng)，土體含水率隨土層深度的時(shí)空變異規(guī)律，降雨入滲的影響深度及入滲速率，從野外監(jiān)測(cè)的角度對(duì)黃土地區(qū)降雨入滲對(duì)土體含水率影響的時(shí)空特性進(jìn)行了探討。

1 監(jiān)測(cè)場概況

監(jiān)測(cè)現(xiàn)場位于陜西省延安市寶塔區(qū)寶塔山，該地屬半濕潤半干旱氣候，多年平均降雨量在500mm左右，80%的降雨集中在5—9月份。寶塔山地層主要為第四系黃土，上更新統(tǒng)黃土最大厚度為12.5m，中更新統(tǒng)黃土最大厚度為63.6m，黃土平均厚度在20～30m左右。其中上更新統(tǒng)黃土顆粒成份以粉粒為主，結(jié)構(gòu)疏松，大孔隙發(fā)育；中更新統(tǒng)黃土顆粒成份中黏粒含量較高，小于0.005mm粒級(jí)＞20%，夾數(shù)層古土壤及鈣質(zhì)結(jié)核層。

監(jiān)測(cè)場地選擇在寶塔山西南部的一個(gè)自然坡面上，坡度約30°，順坡向長46m，垂直坡向?qū)?2m，坡體上部為人工修筑寶塔平臺(tái)，下部為陡坎，監(jiān)測(cè)區(qū)域集水區(qū)面積約558m2，監(jiān)測(cè)場地內(nèi)土體完整，未發(fā)生滑塌擾動(dòng)。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

監(jiān)測(cè)儀器包括土體含水率監(jiān)測(cè)儀及雨量儀。土體含水率監(jiān)測(cè)選用AQUA-TEL-TDR土壤水分儀，通過測(cè)量土壤中的水和其它電介質(zhì)介電常數(shù)之間的差異，采用時(shí)域反射測(cè)試技術(shù)測(cè)量土體含水率。雨量監(jiān)測(cè)選用3554WD自動(dòng)雨量計(jì)，采用翻斗式雨量桶。

為了研究降雨量、入滲率、土體含水率在不同深度的變化曲線與規(guī)律，采用開挖探井的方式布設(shè)含水率測(cè)點(diǎn)，在探井的不同深度放置傳感器探頭。共開挖探井4個(gè)，分布于坡體上中下各個(gè)部位，單井深度分別為4.0，8.0，3.0和4.0m，各井內(nèi)不同深度處共安裝TDR含水率傳感器探頭20個(gè)，同時(shí)，在探井附近安裝自動(dòng)雨量計(jì)1個(gè)。表1詳細(xì)列出了不同深度TDR含水率探頭的安裝位置。

所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均由數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)采集，本次采集頻率為1次／h，同時(shí)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至固定IP地址接收，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、自動(dòng)傳輸、自動(dòng)入庫等全自動(dòng)的監(jiān)測(cè)傳輸系統(tǒng)。

表1 TDR含水率探頭安裝位置

3 結(jié)果與分析

3.1 土體含水率相對(duì)于降雨的滯后效應(yīng)

土體含水率和降雨監(jiān)測(cè)自2008年10月開始，共計(jì)監(jiān)測(cè)時(shí)間為4a。圖1顯示的是由TJ2剖面的9個(gè)含水率探頭得到的土體含水率的月均值及月累計(jì)降雨量隨時(shí)間變化曲線。由圖1可見，土體含水率隨降雨量的增大而增大，具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，但其增大卻有滯后效應(yīng)，如2009和2010年雨量峰值出現(xiàn)在8月，而含水率峰值卻出現(xiàn)在9月。滯后時(shí)間與降雨量、降雨持續(xù)時(shí)間等因素密切相關(guān)，本次選取持續(xù)降雨達(dá)6d的一種天氣情況（2010年8月28日至9月26日）的30組數(shù)據(jù)作滯后效應(yīng)分析，利用這30d的降雨量與不同深度土體含水率進(jìn)行相關(guān)分析（圖2）。結(jié)果表明，持續(xù)降雨達(dá)6d時(shí)，在深度為0.2m的測(cè)點(diǎn)位置，日降雨量與16d后的土體含水率的相關(guān)系數(shù)升高到最大值；在深度為1.0m的測(cè)點(diǎn)位置，日降雨量與24d后的土體含水率的相關(guān)系數(shù)最大。

圖1 TJ2剖面處土體含水率對(duì)降雨量的響應(yīng)曲線

圖2 土體含水率與降雨量的相關(guān)系數(shù)

3.2 土體含水率隨土層深度的時(shí)空變化

土體含水率在剖面方向的分布不僅受土體質(zhì)地、成土母質(zhì)、容重等自身因素的限制，還受降雨、蒸發(fā)、太陽輻射和植被等環(huán)境因子的影響［11］。由TJ2剖面的9個(gè)含水率探頭得到的土體含水率隨土層深度的變化分析可知，隨土層深度的增加，土體含水率呈現(xiàn)波動(dòng)型，在0—8.0m土層深度內(nèi)共有3處波峰點(diǎn)，它們分別位于3.0，5.0和7.0m處。對(duì)比2008年10月至2012年4月所監(jiān)測(cè)的剖面土體含水率隨土層深度的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，表層0.2m的土體含水率隨時(shí)間變化最大，深度為1.0m的土體含水率隨時(shí)間變化較大，深度在2.0—4.0m的土體含水率隨時(shí)間變化較小，而5.0m及以下深度的土體含水率基本不隨時(shí)間的變化而變化。值得注意的是，在不同的測(cè)定時(shí)間，剖面土體含水率隨土層深度的變化規(guī)律基本上是一致的。土體含水率的時(shí)間穩(wěn)定性是指在任意時(shí)間內(nèi)，在一個(gè)試驗(yàn)地中對(duì)不同的土體水分測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的土體含水率，大者仍大，小者仍小。由于土體水分的空間分布在很大的程度上取決于土體結(jié)構(gòu)，而土體結(jié)構(gòu)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的因素［11－12］。同理，對(duì) TJ1，TJ3和TJ4剖面土體含水率做同樣的分析，它們也具有這樣的特征。由此表明，寶塔山坡體剖面土體含水率隨土層深度的變化規(guī)律具有時(shí)間穩(wěn)定性。

3.3 降雨入滲的影響深度

本研究所指影響深度是指降雨入滲在一定時(shí)間內(nèi)造成土體含水率升高的土層厚度，即降雨入滲至地表以下一定深度的土層厚度。在陜北黃土地區(qū)，降雨是土體水分的主要影響因素，斜坡土體中的含水率對(duì)降雨入滲的反應(yīng)具有空間上的差異性。其中深度為0.2 m的測(cè)點(diǎn)其含水率對(duì)降雨入滲的反應(yīng)最大；深度為1.0 m的測(cè)點(diǎn)反應(yīng)較大；深度在2.0—4.0m的測(cè)點(diǎn)其含水率對(duì)降雨入滲的反應(yīng)較小；深度為5.0m及以下的各測(cè)點(diǎn)含水率不隨降雨量的變化而變化。

3.3.1 日降雨量對(duì)土體含水率的影響深度 陜北地區(qū)年內(nèi)降雨主要分布在5—9月份，因此對(duì)2009年8月26日至9月26日之間的日降雨量與土體含水率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（圖3）。結(jié)果表明，當(dāng)日降雨量達(dá)到10mm時(shí)，降雨入滲造成表層0.2m的土體含水率小幅增加，但具有滯后性，滯后約2d；當(dāng)日降雨量達(dá)到50mm時(shí)，降雨入滲造成1.0m以上土層中的含水率顯著增加，其中0.2m處滯后1d，1.0m 處滯后3d，對(duì)2.0m及以下深度土層中的含水率的影響較小。3.3.2 累計(jì)降雨量對(duì)土體含水率的影響深度

圖3 日降雨量與含水率變化曲線（2008年）

（1）根據(jù)2009年5月15日至12月25日的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析10d累計(jì)降雨量與土體含水率的關(guān)系（圖4）。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，10d累計(jì)降雨量達(dá)到70mm時(shí)，降雨入滲造成表層0.2m的土體含水率小幅增加；10d累計(jì)降雨量達(dá)到140mm時(shí)，降雨入滲造成1.0m以上土層中的含水率顯著增加，對(duì)2.0m及以下深度土層中的含水率的影響較小。

（2）根據(jù)2009年5月20日至12月20日的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析15d累計(jì)降雨量與土體含水率的關(guān)系（圖5）。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，15d累計(jì)降雨量達(dá)到190mm時(shí)，降雨入滲造成1.0m以上土層中的含水率顯著增加，對(duì)2.0m及以下深度土層中的含水率的影響較小。

圖4 10d累計(jì)降雨量與含水率變化曲線（2009年）

3.4 降雨入滲速率

從4a的監(jiān)測(cè)過程看，由于雨季較短而干燥期較長，各個(gè)探井各個(gè)深度的TDR傳感器多數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)，即保持一定的含水率不變，當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)足夠大的降雨量后，傳感器所量測(cè)的含水率在一定滯后期后即發(fā)生變化，通過觀察一定深度傳感器含水率開始升高的時(shí)刻，即可判斷地表降雨入滲到此深度所用的時(shí)間，這樣根據(jù)滲透距離和所需時(shí)間，即可計(jì)算出滲透速率的大小。

圖5 15d累計(jì)降雨量與含水率變化曲線（2009年）

圖6為2009年9月5日01：00—2009年9月18日23：00每小時(shí)降雨量與淺層土體含水率的監(jiān)測(cè)曲線。

圖6 土體含水率對(duì)小時(shí)降雨量的響應(yīng)曲線（2009年9月）

由圖6可以看出，從小時(shí)降雨量達(dá)到10.4mm開始，5h后深度0.2m處的傳感器探測(cè)到含水率開始升高，由此可得出0.0～0.2m段的入滲速率為0.04m／h。接下來，由0.2m 入滲至1.0m 的用時(shí)為18h，可知該段的入滲速率為0.033m／h。由此可見，當(dāng)土體性質(zhì)、降雨量、降雨持續(xù)時(shí)間等因素一定時(shí)，降雨入滲速率隨著土層深度的增加而減小。經(jīng)回歸分析得出：

式中：θ——土體體積含水率（%）；h——開始降雨之后經(jīng)歷的時(shí)間（h）。

4 結(jié)論

（1）斜坡土體中的含水率對(duì)降雨入滲的反應(yīng)具有時(shí)間上的滯后性與空間上的差異性。當(dāng)持續(xù)降雨達(dá)7d時(shí)，地表以下0.2m處土體含水率相對(duì)于日降雨量的滯后時(shí)間為16d，在地表以下1.0m處土體含水率相對(duì)于日降雨量的滯后時(shí)間為25d。同時(shí)，隨土層深度的增加，土體含水率呈現(xiàn)波動(dòng)型規(guī)律，其變化具有時(shí)間穩(wěn)定性。

（2）當(dāng)日降雨量達(dá)到10mm或10d累計(jì)降雨量達(dá)到70mm時(shí)，降雨入滲對(duì)土體含水率的影響深度小于1.0m；當(dāng)日降雨量達(dá)到50mm或10d累計(jì)降雨量達(dá)到140mm時(shí)，降雨入滲對(duì)土體含水率的影響深度小于2.0m。

（3）當(dāng)小時(shí)降雨量達(dá)到10.4mm時(shí)，降雨入滲至0.2m的入滲速率為0.04m／h，由0.2m入滲至1.0 m的入滲速率為0.033m／h。當(dāng)土體性質(zhì)、降雨量、降雨持續(xù)時(shí)間等因素一定時(shí)，降雨入滲速率隨著土層深度的增加而減小。

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