降雨入渗对黄土斜坡土体含水率时空分布特性的影响

薛 强，唐亚明，孙萍萍，毕俊擘

（国土资源部 黄土地质灾害重点实验室／中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安710054）

黄土地区斜坡土体含水率的变化主要由降雨入渗引起［1］。而降雨对土体含水率的影响十分复杂，这种复杂性一方面来自降雨强度、持续时长、间断时长的不确定性；另一方面来自黄土斜坡岩性、微观结构、宏观结构的不确定性，两者的叠加导致降雨入渗速率、入渗深度、土体含水率等呈现出更加复杂的特性［2］。在没有节理裂隙等快速入渗通道的完整黄土坡体条件下，降雨的入渗深度是有限的。张士宇等［3］利用经验方法计算出降雨在路堤边坡的入渗率为27 mm／h，1h降雨的入渗深度为0.4m，2h降雨的入渗深度为0.6m，12h降雨的入渗深度为2.0m。詹良通等［4］通过原位试验的方法得出，降雨入渗对孔隙水压力或吸力、含水率、土压力和变形的影响主要反应在2.0m之内的土层中。郭迎新等［5］通过试验得出，土壤剖面含水率变化规律为双峰型，降雨对土壤含水率主要影响深度在0—30cm土层；降雨前后土壤含水率的变化主要是受到土壤特性、土壤初期含水率和降水影响。

目前，关于降雨入渗对土体含水率影响的相关研究多以人工降雨模拟试验为主［6－10］，缺乏持续的野外实验监测，因此所得结果具有一定的局限性。针对以上问题，本研究选取陕北延安市一个完整黄土斜坡进行了连续4a的降雨及土体含水率定位监测，分析土体含水率相对于降雨的滞后效应，土体含水率随土层深度的时空变异规律，降雨入渗的影响深度及入渗速率，从野外监测的角度对黄土地区降雨入渗对土体含水率影响的时空特性进行了探讨。

1 监测场概况

监测现场位于陕西省延安市宝塔区宝塔山，该地属半湿润半干旱气候，多年平均降雨量在500mm左右，80%的降雨集中在5—9月份。宝塔山地层主要为第四系黄土，上更新统黄土最大厚度为12.5m，中更新统黄土最大厚度为63.6m，黄土平均厚度在20～30m左右。其中上更新统黄土颗粒成份以粉粒为主，结构疏松，大孔隙发育；中更新统黄土颗粒成份中黏粒含量较高，小于0.005mm粒级＞20%，夹数层古土壤及钙质结核层。

监测场地选择在宝塔山西南部的一个自然坡面上，坡度约30°，顺坡向长46m，垂直坡向宽22m，坡体上部为人工修筑宝塔平台，下部为陡坎，监测区域集水区面积约558m2，监测场地内土体完整，未发生滑塌扰动。

2 监测系统布置

监测仪器包括土体含水率监测仪及雨量仪。土体含水率监测选用AQUA-TEL-TDR土壤水分仪，通过测量土壤中的水和其它电介质介电常数之间的差异，采用时域反射测试技术测量土体含水率。雨量监测选用3554WD自动雨量计，采用翻斗式雨量桶。

为了研究降雨量、入渗率、土体含水率在不同深度的变化曲线与规律，采用开挖探井的方式布设含水率测点，在探井的不同深度放置传感器探头。共开挖探井4个，分布于坡体上中下各个部位，单井深度分别为4.0，8.0，3.0和4.0m，各井内不同深度处共安装TDR含水率传感器探头20个，同时，在探井附近安装自动雨量计1个。表1详细列出了不同深度TDR含水率探头的安装位置。

所有监测数据均由数据采集器自动采集，本次采集频率为1次／h，同时通过GPRS网络传输至固定IP地址接收，实现了监测数据实时自动采集、自动传输、自动入库等全自动的监测传输系统。

表1 TDR含水率探头安装位置

3 结果与分析

3.1 土体含水率相对于降雨的滞后效应

土体含水率和降雨监测自2008年10月开始，共计监测时间为4a。图1显示的是由TJ2剖面的9个含水率探头得到的土体含水率的月均值及月累计降雨量随时间变化曲线。由图1可见，土体含水率随降雨量的增大而增大，具有明显的正相关关系，但其增大却有滞后效应，如2009和2010年雨量峰值出现在8月，而含水率峰值却出现在9月。滞后时间与降雨量、降雨持续时间等因素密切相关，本次选取持续降雨达6d的一种天气情况（2010年8月28日至9月26日）的30组数据作滞后效应分析，利用这30d的降雨量与不同深度土体含水率进行相关分析（图2）。结果表明，持续降雨达6d时，在深度为0.2m的测点位置，日降雨量与16d后的土体含水率的相关系数升高到最大值；在深度为1.0m的测点位置，日降雨量与24d后的土体含水率的相关系数最大。

图1 TJ2剖面处土体含水率对降雨量的响应曲线

图2 土体含水率与降雨量的相关系数

3.2 土体含水率随土层深度的时空变化

土体含水率在剖面方向的分布不仅受土体质地、成土母质、容重等自身因素的限制，还受降雨、蒸发、太阳辐射和植被等环境因子的影响［11］。由TJ2剖面的9个含水率探头得到的土体含水率随土层深度的变化分析可知，随土层深度的增加，土体含水率呈现波动型，在0—8.0m土层深度内共有3处波峰点，它们分别位于3.0，5.0和7.0m处。对比2008年10月至2012年4月所监测的剖面土体含水率随土层深度的变化规律可以发现，表层0.2m的土体含水率随时间变化最大，深度为1.0m的土体含水率随时间变化较大，深度在2.0—4.0m的土体含水率随时间变化较小，而5.0m及以下深度的土体含水率基本不随时间的变化而变化。值得注意的是，在不同的测定时间，剖面土体含水率随土层深度的变化规律基本上是一致的。土体含水率的时间稳定性是指在任意时间内，在一个试验地中对不同的土体水分测点所测得的土体含水率，大者仍大，小者仍小。由于土体水分的空间分布在很大的程度上取决于土体结构，而土体结构是一个相对稳定的因素［11－12］。同理，对 TJ1，TJ3和TJ4剖面土体含水率做同样的分析，它们也具有这样的特征。由此表明，宝塔山坡体剖面土体含水率随土层深度的变化规律具有时间稳定性。

3.3 降雨入渗的影响深度

本研究所指影响深度是指降雨入渗在一定时间内造成土体含水率升高的土层厚度，即降雨入渗至地表以下一定深度的土层厚度。在陕北黄土地区，降雨是土体水分的主要影响因素，斜坡土体中的含水率对降雨入渗的反应具有空间上的差异性。其中深度为0.2 m的测点其含水率对降雨入渗的反应最大；深度为1.0 m的测点反应较大；深度在2.0—4.0m的测点其含水率对降雨入渗的反应较小；深度为5.0m及以下的各测点含水率不随降雨量的变化而变化。

3.3.1 日降雨量对土体含水率的影响深度 陕北地区年内降雨主要分布在5—9月份，因此对2009年8月26日至9月26日之间的日降雨量与土体含水率进行统计分析（图3）。结果表明，当日降雨量达到10mm时，降雨入渗造成表层0.2m的土体含水率小幅增加，但具有滞后性，滞后约2d；当日降雨量达到50mm时，降雨入渗造成1.0m以上土层中的含水率显著增加，其中0.2m处滞后1d，1.0m 处滞后3d，对2.0m及以下深度土层中的含水率的影响较小。3.3.2 累计降雨量对土体含水率的影响深度

图3 日降雨量与含水率变化曲线（2008年）

（1）根据2009年5月15日至12月25日的实际监测数据，统计分析10d累计降雨量与土体含水率的关系（图4）。由图4可以发现，10d累计降雨量达到70mm时，降雨入渗造成表层0.2m的土体含水率小幅增加；10d累计降雨量达到140mm时，降雨入渗造成1.0m以上土层中的含水率显著增加，对2.0m及以下深度土层中的含水率的影响较小。

（2）根据2009年5月20日至12月20日的实际监测数据，统计分析15d累计降雨量与土体含水率的关系（图5）。由图5可以发现，15d累计降雨量达到190mm时，降雨入渗造成1.0m以上土层中的含水率显著增加，对2.0m及以下深度土层中的含水率的影响较小。

图4 10d累计降雨量与含水率变化曲线（2009年）

3.4 降雨入渗速率

从4a的监测过程看，由于雨季较短而干燥期较长，各个探井各个深度的TDR传感器多数处于稳定状态，即保持一定的含水率不变，当出现一个足够大的降雨量后，传感器所量测的含水率在一定滞后期后即发生变化，通过观察一定深度传感器含水率开始升高的时刻，即可判断地表降雨入渗到此深度所用的时间，这样根据渗透距离和所需时间，即可计算出渗透速率的大小。

图5 15d累计降雨量与含水率变化曲线（2009年）

图6为2009年9月5日01：00—2009年9月18日23：00每小时降雨量与浅层土体含水率的监测曲线。

图6 土体含水率对小时降雨量的响应曲线（2009年9月）

由图6可以看出，从小时降雨量达到10.4mm开始，5h后深度0.2m处的传感器探测到含水率开始升高，由此可得出0.0～0.2m段的入渗速率为0.04m／h。接下来，由0.2m 入渗至1.0m 的用时为18h，可知该段的入渗速率为0.033m／h。由此可见，当土体性质、降雨量、降雨持续时间等因素一定时，降雨入渗速率随着土层深度的增加而减小。经回归分析得出：

式中：θ——土体体积含水率（%）；h——开始降雨之后经历的时间（h）。

4 结论

（1）斜坡土体中的含水率对降雨入渗的反应具有时间上的滞后性与空间上的差异性。当持续降雨达7d时，地表以下0.2m处土体含水率相对于日降雨量的滞后时间为16d，在地表以下1.0m处土体含水率相对于日降雨量的滞后时间为25d。同时，随土层深度的增加，土体含水率呈现波动型规律，其变化具有时间稳定性。

（2）当日降雨量达到10mm或10d累计降雨量达到70mm时，降雨入渗对土体含水率的影响深度小于1.0m；当日降雨量达到50mm或10d累计降雨量达到140mm时，降雨入渗对土体含水率的影响深度小于2.0m。

（3）当小时降雨量达到10.4mm时，降雨入渗至0.2m的入渗速率为0.04m／h，由0.2m入渗至1.0 m的入渗速率为0.033m／h。当土体性质、降雨量、降雨持续时间等因素一定时，降雨入渗速率随着土层深度的增加而减小。

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