天然花崗巖殘積土大孔隙水分遷移特征的染色示蹤試驗(yàn)

蔡沛辰，闕云，李顯

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

花崗巖殘積土主要分布于我國東南沿海地區(qū)，具有孔隙比大、擾動性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]. 除自身存在孔隙外，受動植物孔隙、土壤干濕、凍融循環(huán)等影響，使土壤內(nèi)分布著許多大孔隙，且大孔隙的存在導(dǎo)致水流繞過大部分基質(zhì)土壤，快速到達(dá)土壤深層，即產(chǎn)生大孔隙流[2]，并常伴有邊坡失穩(wěn)、滲透變形等不利影響. 因此，揭示天然邊坡土體內(nèi)大孔隙水分遷移特征對預(yù)防災(zāi)害發(fā)生具有重要意義.

目前，大孔隙流的研究方法主要有數(shù)值模擬和宏觀試驗(yàn)兩種. 在數(shù)值模擬研究方面，如吳繼強(qiáng)[3]采用Hydrus2D軟件模擬了不同深度大孔隙土壤水分滲流情況； Stump等[4]采用Hydrus1D和DM模擬降雨條件下大孔隙土柱的水分運(yùn)移，得出了優(yōu)先流對出流通量的貢獻(xiàn)率. 雖然數(shù)值模擬研究方法可以對大孔隙滲流機(jī)理進(jìn)行研究，但模擬結(jié)果可信度仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證，同時(shí)數(shù)值模擬研究大都有假設(shè)條件，與真正的大孔隙水分運(yùn)移存在一定差距[5]. 近年來，宏觀試驗(yàn)在大孔隙流方面的研究主要集中于土壤水分穿透曲線(breakthrough curve，BTC)、滲透儀和染色示蹤等方法. 如： ① 基于土壤水分穿透曲線. Li等[6]通過研究人造大孔隙土體的穿透曲線，表明細(xì)質(zhì)結(jié)構(gòu)土壤更易發(fā)生優(yōu)先流. ② 基于滲透儀法. Cey等[7]嘗試將張力入滲儀與染色示蹤結(jié)合起來，發(fā)現(xiàn)了-3 cm進(jìn)水壓力是產(chǎn)生大孔隙流的臨界水頭. ③ 基于染色示蹤方法. Wang等[8]分別采用亮藍(lán)和淀粉-碘化鉀染劑研究了土壤大孔隙流水分遷移情況； 曾強(qiáng)等[9]研究了不同植被區(qū)域土體剖面大孔隙流分布范圍及分化程度； 呂捷等[10]研究了降雨條件下邊坡土體內(nèi)大孔隙優(yōu)勢流的空間響應(yīng)規(guī)律. 綜上所述，目前土體內(nèi)部孔隙水分遷移特征研究方法中最為直接、廣泛的是染色示蹤法，該方法優(yōu)點(diǎn)在于能夠直觀展現(xiàn)水分在孔隙中的滲流路徑[11-12]. 上述相關(guān)研究已取得了豐碩成果，但多側(cè)重于室內(nèi)大孔隙滲流的研究，一方面所采用的原狀土柱或重塑土代表性低且取樣、運(yùn)輸過程勢必產(chǎn)生擾動，特別是擾動性強(qiáng)的花崗巖殘積土，會致使試驗(yàn)精度欠佳； 另一方面，試驗(yàn)所用土柱長度有限，與實(shí)際孔隙結(jié)構(gòu)有一定差異，對實(shí)踐不能起到很好的指導(dǎo)意義.

鑒于此，本研究以天然坡地花崗巖殘積土為對象，借助亮藍(lán)染色劑開展大孔隙水分遷移入滲試驗(yàn)，觀察原生態(tài)土體大孔隙發(fā)育節(jié)理特征及水分入滲情況，直觀展現(xiàn)各剖面孔隙區(qū)域內(nèi)的水分滲流分布情況，并分析大孔隙滲流特征. 該研究可為土體大孔隙水分遷移數(shù)值模擬中孔隙與基質(zhì)域的邊界條件設(shè)定提供借鑒，并可進(jìn)一步豐富沖刷型滑坡理論基礎(chǔ)并預(yù)防災(zāi)害產(chǎn)生.

1 試驗(yàn)與圖像處理

1.1 試驗(yàn)場地

圖1 試驗(yàn)場地Fig.1 Field sampling

試驗(yàn)場地選取福州市閩侯縣某地植被茂密的花崗巖殘積土坡，位于我國東南沿海地帶，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，雨量充沛，年平均降雨量800 mm以上[13]，試驗(yàn)區(qū)坡地表層含有雜草，坡度較緩，對表層以下40 cm范圍內(nèi)含大孔隙發(fā)育帶的土體大孔隙水分遷移特征進(jìn)行研究. 試驗(yàn)現(xiàn)場如圖1所示. 為防止殘積土大孔隙發(fā)育的空間變異性對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，選取間隔10 m以上的兩處場地同時(shí)進(jìn)行染色示蹤試驗(yàn). 此外，對所選場地的土體進(jìn)行基本土工試驗(yàn)，結(jié)果如表1、2所示.

表1 基本物理參數(shù)

表2 粒度分布

1.2 試驗(yàn)方法

圖2 試驗(yàn)區(qū)域挖掘Fig.2 Excavation of test area

染色示蹤法是常用于研究土壤水分遷移的方法[14]，具有快速、廉價(jià)、能準(zhǔn)確顯示水分滲流路徑等優(yōu)點(diǎn). 如圖2所示為試驗(yàn)區(qū)域挖掘現(xiàn)場，試驗(yàn)前，將兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)域位置周圍的土挖出，保留核心部分土體，然后將中間預(yù)留的土體用削土刀慢慢削成尺寸為15 cm×15 cm×40 cm. 試驗(yàn)采用壓力式噴壺將染色劑噴淋在土體的表面，考慮到在噴淋過程中染色溶液可能外溢、試樣表面低凹處可能出現(xiàn)積水等情況影響試驗(yàn)結(jié)果，在試驗(yàn)開始前采用小鏟清理上層土壤，使其略低于表層2 cm，并進(jìn)行整平.

噴灑開始前對周圍土樣進(jìn)行試噴，以確定最終試驗(yàn)所采用的噴灑強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，試噴結(jié)果如圖3所示，最終確定以36 mL·min-1的噴灑強(qiáng)度對試樣表面進(jìn)行均勻噴灑. 整個(gè)噴淋過程持續(xù)時(shí)間為30 min，并控制土體表面不出現(xiàn)積水，待噴淋結(jié)束后用防水和隔熱材料包裹試驗(yàn)區(qū)，靜置24 h后每隔3 cm切一個(gè)剖面，剖面切分示意圖如圖4所示. 每個(gè)試驗(yàn)區(qū)獲得4張剖面圖像，每個(gè)剖面切分后采用高精度攝像機(jī)對剖面進(jìn)行拍照，得到剖面圖像. 其中，試驗(yàn)所用高亮藍(lán)染色劑質(zhì)量濃度為4 g·L-1.

圖3 試噴結(jié)果示意圖Fig.3 Schematic diagram of test spray results

圖4 剖面切分圖(單位： cm)Fig.4 Section cut diagram(unit: cm)

1.3 圖像處理

為方便后期對染色面積進(jìn)行計(jì)算分析，需對獲取的剖面圖像進(jìn)行處理. 先通過Photoshop軟件對圖像拍攝過程中產(chǎn)生的偏斜、雜色及邊緣變形等問題進(jìn)行處理，再將調(diào)整后的剖面圖像導(dǎo)入ImageJ軟件，在Threshold工具中調(diào)出圖像的HIS曲線，通過選定不同的HIS曲線閾值，最終將圖像分割為孔隙和土壤基質(zhì)，其中黑色表示染色路徑，白色表示土壤基質(zhì). 結(jié)果如圖5所示.

(a) 試驗(yàn)區(qū)1

(b)試驗(yàn)區(qū)2

1.4 計(jì)算理論

試驗(yàn)區(qū)剖面的土壤染色面積比可揭示水分沿入滲方向的優(yōu)勢孔道連通性和分布情況. 依據(jù)Janssen等[15]定義的土壤染色面積比，剖面染色面積占剖面總面積的百分比如下式所示.

式中：SR為剖面中染色的面積，cm2；S為剖面總面積，cm2； SAR為土壤染色面積比.

借助ImageJ軟件中color threshold和total area功能，根據(jù)土壤染色面積比的含義分別統(tǒng)計(jì)不同剖面的染色情況.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對不同試驗(yàn)區(qū)原生態(tài)土體染色結(jié)果計(jì)算分析，可獲得花崗巖殘積土大孔隙優(yōu)勢滲流特性，詳細(xì)分析如下. 為方便描述，將試驗(yàn)區(qū)1的剖面2定義為#1-2，其他剖面類似.

圖6為試驗(yàn)區(qū)1和試驗(yàn)區(qū)2的等分剖面圖，其中箭頭代表水分遷移方向，從圖中可以得到如下結(jié)論.

1) 亮藍(lán)溶液能很好地對土壤孔隙水分遷移進(jìn)行跟蹤，兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)表層染色面積占比都達(dá)到總?cè)旧娣e的80%以上，分析原因是土體表層孔隙分布較均勻、土質(zhì)較松散，水分主要以均質(zhì)流形式下滲.

2) 各試驗(yàn)區(qū)剖面的染色面積均呈現(xiàn)出隨入滲深度的增大而減小的趨勢，同時(shí)，試驗(yàn)區(qū)1和試驗(yàn)區(qū)2中部分剖面較深處位置出現(xiàn)了眾多點(diǎn)狀染色土壤(圖中紅色圓圈部分)，表明水分在滲流過程中繞過了大部分基質(zhì)土壤，從大孔隙通道中滲入到土壤深處，充分體現(xiàn)了優(yōu)勢流特征.

3) #1-2、#1-3、#1-4中大孔隙流通道分布方向各異，存在高度的不均勻性，但以垂直、傾斜方向?yàn)橹鳎捎诖罂紫锻ǖ啦⒉惶貏e明顯，致使水分無法快速滲流而是向周圍基質(zhì)緩慢擴(kuò)散，即大孔隙流與基質(zhì)域間相互作用異常顯著. 其他剖面大孔隙通道較為明顯，但水分并非完全沿大孔隙貫通流入，而是與基質(zhì)之間同樣存在不同程度的水分交互現(xiàn)象.

(a) 試驗(yàn)區(qū)1

(b) 試驗(yàn)區(qū)2

圖7為試驗(yàn)區(qū)1和2的剖面染色面積比變化趨勢圖，每2 cm深度計(jì)算一次土壤染色面積比. 結(jié)合圖6，從中可以看出： 染色區(qū)域主要分布在土體表層，其中試驗(yàn)區(qū)1的4個(gè)剖面0～16 cm土層染色面積比分別為75.1%、85.8%、80.1%、75.8%，試區(qū)2的4個(gè)剖面0～16 cm土層染色面積比分別為90.3%、83.5%、87.2%、76.8%，整體來說，試驗(yàn)區(qū)2的染色面積比大于試驗(yàn)區(qū)1的染色面積比，對比表1土體的孔隙比參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)區(qū)2的孔隙比為0.772，而試驗(yàn)區(qū)1的孔隙比為0.520，表明土體孔隙比越大，進(jìn)行染色試驗(yàn)時(shí)染色面積比越大. 此外，試驗(yàn)區(qū)2的染色區(qū)域主要集中于0～20 cm，而試驗(yàn)區(qū)1的染色區(qū)域集中于0～16 cm，試驗(yàn)區(qū)2的染色集中區(qū)較試驗(yàn)區(qū)1更深，結(jié)合試驗(yàn)區(qū)地貌特點(diǎn)，分析原因是： 試驗(yàn)區(qū)2植被較為茂密且位于樹下，土體內(nèi)部植物根系眾多，致使土體內(nèi)的大孔隙多，大孔隙優(yōu)勢流現(xiàn)象也更為明顯.

(a) 試驗(yàn)區(qū)1

(b) 試樣區(qū)2

3 結(jié)語

借助亮藍(lán)染色溶液開展天然花崗巖殘積土大孔隙水分遷移入滲試驗(yàn)，對原生態(tài)土體內(nèi)部大孔隙分布特征及水分入滲情況進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論： 天然土體表層土質(zhì)松散，孔隙分布較為均勻，水分主要以均質(zhì)流形式下滲. 部分剖面較深位置有眾多點(diǎn)狀染色土壤出現(xiàn)，表明水分在滲流過程中可繞過大部分土壤基質(zhì)，從大孔隙通道滲入土壤深處，充分體現(xiàn)了優(yōu)勢流特征. 但同時(shí)部分大孔隙通道分布方向各異，存在高度不均勻性，使得大孔隙流并非完全沿大孔隙貫通流入土體深層，而是與基質(zhì)域間存在不同程度水分交互現(xiàn)象，其可為土體大孔隙水分遷移數(shù)值仿真中孔隙與基質(zhì)域的邊界條件設(shè)定提供借鑒.

最后，定量化研究不同剖面染色面積比變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)染色面積隨入滲深度呈先增大后減小趨勢，其中水分浸入?yún)^(qū)域主要分布在土體表層，浸入量高達(dá)80%以上.