层状土层序排列对水分运移影响的室内土槽试验

许尊秋，毛晓敏，陈 帅

(中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083)

在自然界中，由于水文、地质、气象和生物过程的相互作用，土壤剖面往往呈现出不同土质交错分布的层状结构。研究表明，土壤垂向剖面中不同土质的排列组合呈现出的层状结构对土壤水、肥、气热等肥力因素和水盐运移有制约和调节作用[1，2]。两相邻土层可能是粒径较大的粗质土覆盖粒径较小的细质土，或者是粒径较小的细质土覆盖粒径较大的粗质土。Colman和Bodman(1945年)的试验结果表明，无论是细质土覆盖粗质土，还是粗质土覆盖细质土，土壤都可看作是均质的，并且入渗过程由细质土来控制[2]。Fox[3]假定入渗过程中的水头损失是由粗、细土壤水头损失之和，按照各层土壤厚度和导水系数,推求整个土壤的平均导水系数,并利用平均导水系数计算土壤入渗过程。Hill and Parlange[5]指出如细砂覆盖粗砂，当湿润锋穿过细、粗砂交界面时，湿润锋变为指流且入渗率变为常数，同时水分在重力势和细砂表面积水的压力势作用下向下运动。王文焰等[6]对砂土夹层情况下的黄土入渗机制进行了室内模拟试验研究，并证明了当湿润锋穿过土砂交界面后，入渗率变为常数。

除此之外，粗细相邻的土壤层状结构，特别是土壤水力相差很大的层状土壤，也为指流的发生创造了条件，指流可能使得养分、污染物等可溶性物质快速抵达深层土壤甚至地下水，加快深层土壤和地下水的污染进程。普遍认为，层状土壤中细质土覆盖粗质土时更容易发生指流。此外其他条件也有可能会产生指流，如：土壤入渗过程中湿润锋受到空气阻力；入渗结束后土壤水分再分布的过程；斥水性的粗质土壤等。目前针对指流的影响研究主要是对夹层埋深、土壤质地、层状土厚度等的研究，多是针对两种土壤质地的层状结构，多种质地层状土及其土层排序对土壤水分运动影响的研究相对较少。

因此，本研究进行了室内土槽试验，试验采用了壤土、细砂土和粗砂土3种不同土质，研究4层土层不同土质排序方式下层状土的入渗及指流发育情况。

1 材料与方法

1.1 试验方法及步骤

试验为室内二维土槽薄层积水入渗试验。试验采用3种土壤，包括1种壤土和2种砂土。壤土取自中国农业大学上庄试验站，2种砂土是粒径分别为1～2和3～5 mm的石英砂，命名1～2 mm石英砂为细砂，3～5 mm石英砂为粗砂。

试验中，壤土的设计干密度为1.45 g/cm3，初始体积含水率为10%，细砂土的设计干密度为1.55 g/cm3，初始体积含水率为0%，粗砂土的设计干密度为1.56 g/cm3，初始体积含水率为0%。上边界条件为薄层积水，积水水头为1 cm，下边界条件为自由排水，记录不同层序层状土的水分入渗情况，并利用亮蓝染料示踪观察不同层序层状土中的指流发育过程。

试验所使用土槽的长、高、宽分别为50、60、2 cm，实验装置见图1。试验装置主要为供水装置和入渗装置两部分。供水装置为马氏瓶，入渗装置为透明的有机玻璃土槽，土槽底部和两侧均设有排气孔，土槽底部垫有小孔隙钢丝网防止土粒渗漏。

图1 二维土槽染色示踪试验装置图(单位：cm)

由图1可知，试验土层设置为4层，每层厚度为10 cm，其中两层采用完全相同的壤土，另外两层分别采用细砂土和粗砂土，试验中根据不同的方案采用不同的土层排列方式，本研究共有6种方案，具体试验方案见表1。

试验前，先将壤土风干，过2 mm孔径的网筛。再按照设计初始体积含水率10%均匀喷洒一定量的水，将配好含水率的壤土密封，静置24 h。再将配好的壤土和自然状态下的石英砂按照设计容重分层装入试验土槽中，壤土每层装入厚度2 cm，石英砂每层装入厚度5 cm。每次装入壤土和石英砂后，利用压实器进行压实，并层间打毛，保证装填均匀。不同土质交界面处放置染色剂以便观察指流形态。土槽装填完成后，调整马氏瓶高度，使马氏瓶出口高出土槽中土壤表面1 cm，试验前关闭水管2，保证水管1不漏水的情况下将水管1穿进土槽中，再瞬间往土槽中加入1 cm深的水，同时打开水管2，保证土槽在恒定水头1 cm情况下开始入渗。试验中用单反相机记录土槽入渗过程，并保证一次试验中相机位置不变。试验过程中每隔一定时间记录马氏瓶读数，并同时用相机拍摄土槽中水流运动情况，记录湿润锋位置。

表1 层状土层序排列方案

1.2 试验土壤参数

试验中采用的3种土壤的基本物理性质和水力特性参数如表2所示。

表2 土壤基本物理性质和水力特性参数

其中粒径分布采用激光粒度仪实测得出，干密度采用环刀烘干法测得，饱和导水率Ks是单位水势梯度下的饱和土壤水通量，土壤饱和导水率的室内测定方法主要包括常水头渗透试验和变水头渗透试验两种，本研究采用常水头法测定。

常水头渗透试验在整个试验过程中水头保持不变，土壤的长度为L(cm)，土壤的截面积为A(cm2)，土壤上下水头差为h(cm)，时段t(min)内流经土壤的水量为V(cm3)。根据达西定律得：

(2)

由以上公式可知，只需要测出某段时间内渗过土样的水量即可得到饱和导水率。

2 试验结果与分析

2.1 累积入渗量变化

在试验中，每2 min记录一次马氏瓶读数，根据马氏瓶读数，通过计算得到土槽的累积入渗量。图2为6种方案下的水分累积入渗情况。

图2 6种方案的累积入渗量随时间的变化图

由图2可知，土层不同排序使得土壤相同时间内的累积入渗量差别较大。方案3(细砂-壤土-粗砂-壤土)和方案4(粗砂-壤土-细砂-壤土)的累积入渗量较其他方案增加明显，这说明当表层土为砂土时，能够显著增大水分入渗量。对比方案3和方案4，方案3比方案4的入渗量大，这说明上层砂土的粒径越大，累积入渗量越大。方案1(壤土-细砂-粗砂-壤土)和方案2(壤土-粗砂-细砂-壤土)的入渗量最小，这说明当夹砂层厚度较大时，减渗效果也更加明显。方案2的累积入渗量大于方案1，说明中间不同砂土的排序也会影响水分入渗。方案5(壤土-细砂-壤土-粗砂)和方案6(壤土-粗砂-壤土-细砂)的入渗量小于方案3和4，大于方案1和2，其中方案2和方案6的累积入渗量随时间的关系相近。

试验开始时，6种方案的累积入渗量随时间均呈非线性变化，方案3、4、5、6大约从30 min开始呈现线性变化，方案1大约从15 min开始呈现线性变化，方案2大约从20 min开始呈现线性变化，表明层状土能够将入渗的非线性过程转化为线性过程，这与王文焰[7]的研究结果一致。

2.2 入渗率变化

根据马氏瓶读数可以计算出各时段的入渗率，图3为6种方案下的土壤入渗率。

图3 6种方案的入渗率随时间的变化图

由图3可知，入渗开始时，6种方案的入渗率都远比稳定入渗时的入渗率大。随着入渗的进行，入渗速率不断减小且逐渐趋于稳定。不同排序方式下，达到的稳定入渗速率仍有差别。其中方案5(壤土-细砂-壤土-粗砂)的入渗速率大于方案6(壤土-粗砂-壤土-细砂)。方案2(壤土-粗砂-细砂-壤土)和方案6(壤土-粗砂-壤土-细砂)的入渗率随时间的关系相近。方案4(粗砂-壤土-细砂-壤土)的入渗率较同一时间其他5种方案的入渗率大。方案1(壤土-细砂-粗砂-壤土)和方案3(细砂-壤土-粗砂-壤土)的入渗率波动比较大，这可能是由于土层的排序造成了水流运动的不稳定。

入渗100 min后，入渗率基本稳定。方案4和方案5的稳定入渗率较大，其他4种方案入渗率较小且数值接近。

3 指流试验结果与分析

试验使用单反相机记录了指流的发育过程。每次试验前，用支架固定相机位置，试验过程中，每两分钟拍摄记录一次土槽中的水流形态。为了方便观察，湿润锋行进的时间间隔选取为8 min，通过图像处理将同一方案的不同时间的指流形态绘制于同一张图中。6种方案的指流形态图如图4所示。

图4(a)中可以看出，湿润锋到达第二层细砂上界面前，湿润锋稳定、均匀地向下移动，其中有微小的波动可能是由于夯实不均匀造成的。湿润锋到达界面时，可以看到图中相邻的两条湿润锋略有重合，说明此时界面处，湿润锋出现短暂的停滞现象。当湿润锋穿过砂土交界面后，湿润锋开始变得不稳定，随后出现指流现象。这说明，上层为壤土下层为砂土的土壤结构，在下层砂土中可能会出现水分的优先流动。当湿润锋到达第二层细砂与第三层粗砂交界处时，湿润锋再次出现短暂的停滞，随后产生更加明显的指流现象。而当湿润锋行进到第三层粗砂与第四层壤土的交界处时却没有停滞现象，湿润锋开始均匀地向下推进。

图4(b)中可以看出，湿润锋到达第二层粗砂上界面前，湿润锋稳定、均匀地向下移动，与图4(a)的运移规律相同。湿润锋穿过壤土与粗砂的交界面后，湿润锋开始变得非常不稳定，出现指流，且指流形态比图4(a)中同一位置处的指流形态更加明显，这说明下层砂土的粒径大小会影响指流形态的发育，下层砂土粒径越粗，指流越明显。直至第三层细砂层，指流现象仍存在。进入下层壤土后，指流消失，湿润锋均匀推进。

图4(c)中，入渗开始时，由于细砂的导水率很大，湿润锋迅速到达第一层细砂与第二层壤土的交交界面处，在壤土中，湿润锋均匀行进，当湿润锋穿过壤土进入粗砂层时，开始出现指流现象，但指流现象不如图4(b)中粗砂层中的指流显著。

图4(d)中湿润锋行进过程较为简单，首先入渗开始时，由于粗砂的导水率很大，水很快充满粗砂层，湿润锋迅速到达粗砂与壤土的交界面处，湿润锋在壤土中行进均匀、缓慢，当湿润锋进入细砂层中，出现了指流现象。与图4(a)中细砂层中的指流形态相比，图4(d)中的指流行进速度更快，这很有可能是由于上层粗砂中充满了水分，相当于水头增加导致的。湿润锋进入底层壤土后，行进保持均匀。

图4(e)中湿润锋在上层壤土和第二层细砂中的运移规律和图4(a)中基本相同。湿润锋行进至第三层壤土层中后，湿润锋稳定、均匀向下移动，入渗较慢。而湿润锋进入粗砂层后，又出现了指流现象，这是由于上细下粗的土层结构导致的。

图4 6种方案的湿润锋随时间的变化图(虚线为各土层交界面位置)

图4(f)湿润锋在上层壤土和第二层粗砂中的运移规律和图4(b)中基本相同，其中微小的不同很有可能是由于试验过程中夯实不均匀等造成的误差。湿润锋行进至第三层壤土层中后，湿润锋稳定、均匀向下移动，入渗较慢。与图4(e)不同的是，湿润锋进入细砂层后，未出现指流现象(或是指流现象不明显)。

4 结 语

通过二维土槽试验对3种不同土质、4层土层排序下的层状土进行入渗研究，分析了其入渗率及累计入渗量，同时研究了指流发育形态，得出以下结论。

(1)具有相同厚度、相同土质的土壤，土层排序不同，可导致累积入渗量和入渗率不同，而且指流的形成和发育也出现不同。

(2)表层土质为砂土时能够显著增大土壤入渗量，其中表层土质为砂土时的累积入渗量比表层为壤土的累积入渗量多1～6 cm，但稳定入渗率的大小与表层土质是否为砂土关系不大。不同方案中壤土层位置相同时累积入渗量随时间的变化关系较为接近。

(3)无论是粗砂覆盖壤土、细砂覆盖壤土，还是壤土置于顶层，3种情况下壤土层中的湿润锋均稳定、均匀向下移动，无指流现象。

(4)上层为壤土下层为砂土的土壤结构，下层沙粒粒径越粗，砂土中指流现象越明显。土壤质地的不同也会产生指流现象，但壤土覆盖同粒径细砂时，由于所处的土层位置的不同，指流不一定产生。

(5)上层土壤为砂土时，相当于增大入渗水头，指流的行进速度加快。

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[1] 王雄狮．疏勒河项目区土体构型分类及对盐碱地改良的影响[J]． 甘肃水利水电技术，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，张建丰，汪志荣.黄土中砂层对入渗特性的影响[J]. 岩土工程学报， 1995，17(5):33-41．

[7] 王文焰，张建丰，汪志荣，等.砂层在黄土中的阻水性及减渗性的研究[J]．农业工程学报，1995,(1):104-110．