層狀土層序排列對水分運移影響的室內土槽試驗

許尊秋，毛曉敏，陳 帥

(中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083)

在自然界中，由于水文、地質、氣象和生物過程的相互作用，土壤剖面往往呈現出不同土質交錯分布的層狀結構。研究表明，土壤垂向剖面中不同土質的排列組合呈現出的層狀結構對土壤水、肥、氣熱等肥力因素和水鹽運移有制約和調節作用[1，2]。兩相鄰土層可能是粒徑較大的粗質土覆蓋粒徑較小的細質土，或者是粒徑較小的細質土覆蓋粒徑較大的粗質土。Colman和Bodman(1945年)的試驗結果表明，無論是細質土覆蓋粗質土，還是粗質土覆蓋細質土，土壤都可看作是均質的，并且入滲過程由細質土來控制[2]。Fox[3]假定入滲過程中的水頭損失是由粗、細土壤水頭損失之和，按照各層土壤厚度和導水系數,推求整個土壤的平均導水系數,并利用平均導水系數計算土壤入滲過程。Hill and Parlange[5]指出如細砂覆蓋粗砂，當濕潤鋒穿過細、粗砂交界面時，濕潤鋒變為指流且入滲率變為常數，同時水分在重力勢和細砂表面積水的壓力勢作用下向下運動。王文焰等[6]對砂土夾層情況下的黃土入滲機制進行了室內模擬試驗研究，并證明了當濕潤鋒穿過土砂交界面后，入滲率變為常數。

除此之外，粗細相鄰的土壤層狀結構，特別是土壤水力相差很大的層狀土壤，也為指流的發生創造了條件，指流可能使得養分、污染物等可溶性物質快速抵達深層土壤甚至地下水，加快深層土壤和地下水的污染進程。普遍認為，層狀土壤中細質土覆蓋粗質土時更容易發生指流。此外其他條件也有可能會產生指流，如：土壤入滲過程中濕潤鋒受到空氣阻力；入滲結束后土壤水分再分布的過程；斥水性的粗質土壤等。目前針對指流的影響研究主要是對夾層埋深、土壤質地、層狀土厚度等的研究，多是針對兩種土壤質地的層狀結構，多種質地層狀土及其土層排序對土壤水分運動影響的研究相對較少。

因此，本研究進行了室內土槽試驗，試驗采用了壤土、細砂土和粗砂土3種不同土質，研究4層土層不同土質排序方式下層狀土的入滲及指流發育情況。

1 材料與方法

1.1 試驗方法及步驟

試驗為室內二維土槽薄層積水入滲試驗。試驗采用3種土壤，包括1種壤土和2種砂土。壤土取自中國農業大學上莊試驗站，2種砂土是粒徑分別為1～2和3～5 mm的石英砂，命名1～2 mm石英砂為細砂，3～5 mm石英砂為粗砂。

試驗中，壤土的設計干密度為1.45 g/cm3，初始體積含水率為10%，細砂土的設計干密度為1.55 g/cm3，初始體積含水率為0%，粗砂土的設計干密度為1.56 g/cm3，初始體積含水率為0%。上邊界條件為薄層積水，積水水頭為1 cm，下邊界條件為自由排水，記錄不同層序層狀土的水分入滲情況，并利用亮藍染料示蹤觀察不同層序層狀土中的指流發育過程。

試驗所使用土槽的長、高、寬分別為50、60、2 cm，實驗裝置見圖1。試驗裝置主要為供水裝置和入滲裝置兩部分。供水裝置為馬氏瓶，入滲裝置為透明的有機玻璃土槽，土槽底部和兩側均設有排氣孔，土槽底部墊有小孔隙鋼絲網防止土粒滲漏。

圖1 二維土槽染色示蹤試驗裝置圖(單位：cm)

由圖1可知，試驗土層設置為4層，每層厚度為10 cm，其中兩層采用完全相同的壤土，另外兩層分別采用細砂土和粗砂土，試驗中根據不同的方案采用不同的土層排列方式，本研究共有6種方案，具體試驗方案見表1。

試驗前，先將壤土風干，過2 mm孔徑的網篩。再按照設計初始體積含水率10%均勻噴灑一定量的水，將配好含水率的壤土密封，靜置24 h。再將配好的壤土和自然狀態下的石英砂按照設計容重分層裝入試驗土槽中，壤土每層裝入厚度2 cm，石英砂每層裝入厚度5 cm。每次裝入壤土和石英砂后，利用壓實器進行壓實，并層間打毛，保證裝填均勻。不同土質交界面處放置染色劑以便觀察指流形態。土槽裝填完成后，調整馬氏瓶高度，使馬氏瓶出口高出土槽中土壤表面1 cm，試驗前關閉水管2，保證水管1不漏水的情況下將水管1穿進土槽中，再瞬間往土槽中加入1 cm深的水，同時打開水管2，保證土槽在恒定水頭1 cm情況下開始入滲。試驗中用單反相機記錄土槽入滲過程，并保證一次試驗中相機位置不變。試驗過程中每隔一定時間記錄馬氏瓶讀數，并同時用相機拍攝土槽中水流運動情況，記錄濕潤鋒位置。

表1 層狀土層序排列方案

1.2 試驗土壤參數

試驗中采用的3種土壤的基本物理性質和水力特性參數如表2所示。

表2 土壤基本物理性質和水力特性參數

其中粒徑分布采用激光粒度儀實測得出，干密度采用環刀烘干法測得，飽和導水率Ks是單位水勢梯度下的飽和土壤水通量，土壤飽和導水率的室內測定方法主要包括常水頭滲透試驗和變水頭滲透試驗兩種，本研究采用常水頭法測定。

常水頭滲透試驗在整個試驗過程中水頭保持不變，土壤的長度為L(cm)，土壤的截面積為A(cm2)，土壤上下水頭差為h(cm)，時段t(min)內流經土壤的水量為V(cm3)。根據達西定律得：

(2)

由以上公式可知，只需要測出某段時間內滲過土樣的水量即可得到飽和導水率。

2 試驗結果與分析

2.1 累積入滲量變化

在試驗中，每2 min記錄一次馬氏瓶讀數，根據馬氏瓶讀數，通過計算得到土槽的累積入滲量。圖2為6種方案下的水分累積入滲情況。

圖2 6種方案的累積入滲量隨時間的變化圖

由圖2可知，土層不同排序使得土壤相同時間內的累積入滲量差別較大。方案3(細砂-壤土-粗砂-壤土)和方案4(粗砂-壤土-細砂-壤土)的累積入滲量較其他方案增加明顯，這說明當表層土為砂土時，能夠顯著增大水分入滲量。對比方案3和方案4，方案3比方案4的入滲量大，這說明上層砂土的粒徑越大，累積入滲量越大。方案1(壤土-細砂-粗砂-壤土)和方案2(壤土-粗砂-細砂-壤土)的入滲量最小，這說明當夾砂層厚度較大時，減滲效果也更加明顯。方案2的累積入滲量大于方案1，說明中間不同砂土的排序也會影響水分入滲。方案5(壤土-細砂-壤土-粗砂)和方案6(壤土-粗砂-壤土-細砂)的入滲量小于方案3和4，大于方案1和2，其中方案2和方案6的累積入滲量隨時間的關系相近。

試驗開始時，6種方案的累積入滲量隨時間均呈非線性變化，方案3、4、5、6大約從30 min開始呈現線性變化，方案1大約從15 min開始呈現線性變化，方案2大約從20 min開始呈現線性變化，表明層狀土能夠將入滲的非線性過程轉化為線性過程，這與王文焰[7]的研究結果一致。

2.2 入滲率變化

根據馬氏瓶讀數可以計算出各時段的入滲率，圖3為6種方案下的土壤入滲率。

圖3 6種方案的入滲率隨時間的變化圖

由圖3可知，入滲開始時，6種方案的入滲率都遠比穩定入滲時的入滲率大。隨著入滲的進行，入滲速率不斷減小且逐漸趨于穩定。不同排序方式下，達到的穩定入滲速率仍有差別。其中方案5(壤土-細砂-壤土-粗砂)的入滲速率大于方案6(壤土-粗砂-壤土-細砂)。方案2(壤土-粗砂-細砂-壤土)和方案6(壤土-粗砂-壤土-細砂)的入滲率隨時間的關系相近。方案4(粗砂-壤土-細砂-壤土)的入滲率較同一時間其他5種方案的入滲率大。方案1(壤土-細砂-粗砂-壤土)和方案3(細砂-壤土-粗砂-壤土)的入滲率波動比較大，這可能是由于土層的排序造成了水流運動的不穩定。

入滲100 min后，入滲率基本穩定。方案4和方案5的穩定入滲率較大，其他4種方案入滲率較小且數值接近。

3 指流試驗結果與分析

試驗使用單反相機記錄了指流的發育過程。每次試驗前，用支架固定相機位置，試驗過程中，每兩分鐘拍攝記錄一次土槽中的水流形態。為了方便觀察，濕潤鋒行進的時間間隔選取為8 min，通過圖像處理將同一方案的不同時間的指流形態繪制于同一張圖中。6種方案的指流形態圖如圖4所示。

圖4(a)中可以看出，濕潤鋒到達第二層細砂上界面前，濕潤鋒穩定、均勻地向下移動，其中有微小的波動可能是由于夯實不均勻造成的。濕潤鋒到達界面時，可以看到圖中相鄰的兩條濕潤鋒略有重合，說明此時界面處，濕潤鋒出現短暫的停滯現象。當濕潤鋒穿過砂土交界面后，濕潤鋒開始變得不穩定，隨后出現指流現象。這說明，上層為壤土下層為砂土的土壤結構，在下層砂土中可能會出現水分的優先流動。當濕潤鋒到達第二層細砂與第三層粗砂交界處時，濕潤鋒再次出現短暫的停滯，隨后產生更加明顯的指流現象。而當濕潤鋒行進到第三層粗砂與第四層壤土的交界處時卻沒有停滯現象，濕潤鋒開始均勻地向下推進。

圖4(b)中可以看出，濕潤鋒到達第二層粗砂上界面前，濕潤鋒穩定、均勻地向下移動，與圖4(a)的運移規律相同。濕潤鋒穿過壤土與粗砂的交界面后，濕潤鋒開始變得非常不穩定，出現指流，且指流形態比圖4(a)中同一位置處的指流形態更加明顯，這說明下層砂土的粒徑大小會影響指流形態的發育，下層砂土粒徑越粗，指流越明顯。直至第三層細砂層，指流現象仍存在。進入下層壤土后，指流消失，濕潤鋒均勻推進。

圖4(c)中，入滲開始時，由于細砂的導水率很大，濕潤鋒迅速到達第一層細砂與第二層壤土的交交界面處，在壤土中，濕潤鋒均勻行進，當濕潤鋒穿過壤土進入粗砂層時，開始出現指流現象，但指流現象不如圖4(b)中粗砂層中的指流顯著。

圖4(d)中濕潤鋒行進過程較為簡單，首先入滲開始時，由于粗砂的導水率很大，水很快充滿粗砂層，濕潤鋒迅速到達粗砂與壤土的交界面處，濕潤鋒在壤土中行進均勻、緩慢，當濕潤鋒進入細砂層中，出現了指流現象。與圖4(a)中細砂層中的指流形態相比，圖4(d)中的指流行進速度更快，這很有可能是由于上層粗砂中充滿了水分，相當于水頭增加導致的。濕潤鋒進入底層壤土后，行進保持均勻。

圖4(e)中濕潤鋒在上層壤土和第二層細砂中的運移規律和圖4(a)中基本相同。濕潤鋒行進至第三層壤土層中后，濕潤鋒穩定、均勻向下移動，入滲較慢。而濕潤鋒進入粗砂層后，又出現了指流現象，這是由于上細下粗的土層結構導致的。

圖4 6種方案的濕潤鋒隨時間的變化圖(虛線為各土層交界面位置)

圖4(f)濕潤鋒在上層壤土和第二層粗砂中的運移規律和圖4(b)中基本相同，其中微小的不同很有可能是由于試驗過程中夯實不均勻等造成的誤差。濕潤鋒行進至第三層壤土層中后，濕潤鋒穩定、均勻向下移動，入滲較慢。與圖4(e)不同的是，濕潤鋒進入細砂層后，未出現指流現象(或是指流現象不明顯)。

4 結 語

通過二維土槽試驗對3種不同土質、4層土層排序下的層狀土進行入滲研究，分析了其入滲率及累計入滲量，同時研究了指流發育形態，得出以下結論。

(1)具有相同厚度、相同土質的土壤，土層排序不同，可導致累積入滲量和入滲率不同，而且指流的形成和發育也出現不同。

(2)表層土質為砂土時能夠顯著增大土壤入滲量，其中表層土質為砂土時的累積入滲量比表層為壤土的累積入滲量多1～6 cm，但穩定入滲率的大小與表層土質是否為砂土關系不大。不同方案中壤土層位置相同時累積入滲量隨時間的變化關系較為接近。

(3)無論是粗砂覆蓋壤土、細砂覆蓋壤土，還是壤土置于頂層，3種情況下壤土層中的濕潤鋒均穩定、均勻向下移動，無指流現象。

(4)上層為壤土下層為砂土的土壤結構，下層沙粒粒徑越粗，砂土中指流現象越明顯。土壤質地的不同也會產生指流現象，但壤土覆蓋同粒徑細砂時，由于所處的土層位置的不同，指流不一定產生。

(5)上層土壤為砂土時，相當于增大入滲水頭，指流的行進速度加快。

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[1] 王雄獅．疏勒河項目區土體構型分類及對鹽堿地改良的影響[J]． 甘肅水利水電技術，1998,(3)：66-69．

[2] Yang M D，Emest K Y. Water balance during evaporation and drainage in cover soils under different water table condition[J]．Advances in Environmental Research，2002，6(4)：505-521.

[3] Colman E A, Bodman G B. Moisture energy conditions during downward entry of water into moist and layered soils[J]. Soil Science Society of America Proceedings, 1945,9(C):3-11.

[4] Fox Y S. One-dimensional infiltration into layered soils[J]. J. Irrigation and Drainage, 1970,43:121-129.

[5] Hill D E, Parlange J Y. Wetting front instability in layered soils[J]. Proceeding of Soil Sci. Soc. Am. 1972,36(5):697-702.

[6] 王文焰，張建豐，汪志榮.黃土中砂層對入滲特性的影響[J]. 巖土工程學報， 1995，17(5):33-41．

[7] 王文焰，張建豐，汪志榮，等.砂層在黃土中的阻水性及減滲性的研究[J]．農業工程學報，1995,(1):104-110．