土石混合介质中碎石性质 对土壤水分特征曲线的影响分析

韩春苗，甘永德，贾仰文，陈 喜，苏辉东，刘 欢

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2. 中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038； 3. 青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，青海 西宁 810016；4.北京市水文总站，北京 100058)

0 引 言

土壤水分特征曲线(the water retention curve)是用于表征土壤含水量和土壤基质势之间关系的曲线[1,2]，是研究多孔介质非饱和带土壤水分运动的关键参数[3-5]，其能否被准确描述将直接影响到土壤水分运动数值模型的模拟精度[6]，一直是土壤科学研究中的一个热点。土壤水分特征曲线会受到土壤质地、孔隙状况、土壤容重、温度、土壤的湿胀干缩特性、应力状态等因素的影响[7-9]。但是这些因素之间关系复杂，是高度非线性的函数，很难从理论上分析推求土壤基质势与土壤含水量之间的关系[10]。土壤水分特征曲线测定的方法主要有张力计法、压力膜法、离心机法、平衡水汽压法等[11]，但是这些方法的测量都费时费力，而且土壤本身的时空异质性也导致了测量结果具有很大的不确定性[12]。因此常采用可替代的经验模型来估计这一土壤水力性质。而在众多的经验模型中，VG(van Genuchten)模型[13]是常用的水分特征曲线拟合模型，常被用来拟合土壤水分能量与数量间的关系[14-18]。但该模型多被应用于均质土壤，对于土石混合介质时，其适用性尚待验证。

土石山区土壤中含有大量碎石，即土石混合介质。土石混合介质中的碎石改变了土壤的持水性、导水性和水分有效性[19]。土石混合介质中碎石性质对土壤水分特征曲线的影响因碎石类型、碎石性质、含量比等不同而不同[20]。Montagne[21]等利用压力膜和压力板测定了含碎石土壤的持水能力。在低吸力时，粉砂岩吸持的水分比细土少，而高吸力时，粉砂岩吸持的水分比细土要多。Hanson等[22]研究表明碎石粒径和碎石种类对水分特征曲线的影响不同。马东豪[23]以钙结石为研究对象，发现碎石含量对土石混合介质水分特征曲线的影响较小，同吸力下，细土的持水性随碎石含量的增加而增加；同碎石含量下，影响土石混合介质的主要因素是碎石粒径的大小而不是碎石的水力特性。

然而，以往研究中，因取样的空间变异性及碎石含量﹑物理性质的差异，导致对碎石性质的研究结果并不一致，甚至相互矛盾[24,25]。另外，这些研究常忽略了某些碎石具有一定的透水性和持水性，如本研究中的片麻岩具有一定的透水性和持水性，而石灰岩不具有或很小。这些性质对土壤水分特征曲线的影响的区别如何，还未展开研究。综上所述，土石混合介质中碎石的存在极大地改变了土壤基本物理性质，导致其持水性异于均质土壤，土壤水分特征曲线因碎石性质、含量等不同而不同，需要深入研究。基于以往研究不足，本文采用高速离心机，测定了两种不同岩性碎石(片麻岩和石灰岩)分别在碎石质量比例为0%、10%、20%、30%、40%条件下的土壤水分特征曲线，并运用了RETC软件的VG模型对土壤水分特征曲线进行了拟合分析，检验了模型的适用性，以及参数稳定性。在此基础上以饱和含水量为土壤关键参数，系统探讨了碎石的岩性、含量对土壤持水性的影响。相关研究有助于丰富土石混合介质水分运动理论基础，并提高土石山区土壤水分运动模拟精度。

1 材料与方法

1.1 研究区域

试验所用土石混合介质取自我国华北地区典型的土石山区的崇陵小流域。崇陵小流域位于河北省保定市易县境内，属于北易水的二级支流，流域面积6 km2，海拔85～300 m之间，为一闭合流域。地势西北高，东南低，地形起伏度不大。流域属暖温带大陆性季风气候，年均气温11.9 ℃，1月份平均气温-4.8 ℃，7月份平均气温26.2 ℃，多年平均年降水量约641.2 mm。流域岩石主要由片麻岩和石灰岩组成，山丘主要由片麻岩组成，坡度为10°～25°。山岭主要由石灰岩组成，坡度多在 25°以上。流域内土壤以沙壤土为主，土层厚1～2 m。该流域植被、地形地貌和土壤等自然条件是我国华北土石山区低山丘陵带的典型代表。受自然、人类活动等因素影响，土壤内含有碎石，碎石比例0～100%均有分布。

1.2 试验材料

在试验区域采集土石混合介质土样，包括片麻岩土石混合介质和石灰岩土石混合介质。其中，该地区片麻岩石质松软，具有一定导水性和持水性，而石灰岩石质坚硬，其导水性和持水性可忽略不计。取得土样后，在室内进行风干，剔除树根等杂质后，过筛(2 mm)，将土壤和碎石分开。将分开的碎石进一步过筛，将较大的碎石(>15 mm)剔除(因离心机所用离心环较小，很难容纳较大粒径的碎石)。随后，将得到的碎石进行水洗、风干后，测定其基本物理性质。将分开的土壤风干、过筛(2 mm)后测定土壤基本物理性质，分开后的土壤分别标记为GS(片麻岩对应土壤)和LS(石灰岩对应土壤)。试验采用烘干法测定其初始质量含水量，采用称重法测定其干容重，采用定水头法测定饱和导水率，采用环刀法测定土壤饱和体积含水量，采用吸管法测定土样的颗粒组成。分开后的土壤基本物理性质见表1，分开后的碎石基本物理性质见表2。每个样品测定重复三次。碎石粒径组成采用筛分法测定，其容重采用排水体积法测定。为了测定片麻岩纯石头时的水分特征参数，试验直接采用离心机专用环刀取得原状石头，然后带回实验室测定水分特征参数。

表1 装填土壤基本物理性质

表2 试验碎石的物理性质

1.3 试验设计与水分特征曲线计算方法

根据土壤剖面调查，考虑设定碎石含量从0.0%到100%变化，但由于碎石质量比例超过50%后，人工已很难将土石均匀混合。因此，试验设定五个碎石质量比例(Rv，碎石占总质量的比例)，分别为0.0%、10.0%、20.0%、30.0%、40.0%，将片麻岩和石灰石碎石与土壤按照上述5种比例进行均匀混合，形成含有小粒径碎石的均匀孔隙介质。测得上述5种比例下片麻岩土石混合介质的密度分别为1.40、1.44、1.48、1.52和1.57 g/cm3(质量比自小到大)；石灰岩土石混合介质密度分别为1.40、1.46、1.54、1.63和1.72 g/cm3(质量比自小到大)；纯片麻岩密度为1.91 g/cm3。采用离心机测定土样脱水过程的持水特性，设置12个不同转速(分别为310、980、1 386、1 961、2 405、2 774、3 101、4 385、6 202、7 596、8 771、9 806 r/min)，离心时间均为90 min，记录设定吸力下的土壤质量含水量，进而计算不同吸力下的土壤体积含水量，得到片麻岩和石灰岩不同土石比下的水分特征曲线。每个土样做3次重复实验。根据观测的土石介质脱水阶段水分数据绘制水分特征曲线，并用RETC软件的VG模型进行拟合(图1)，拟合设定4个参数，并且尝试了几个不同的可调参数初始值组合，以达到全局最优。

VG模型[13]是van Genuchten于1980年在Mualem等的模型基础上提出的土壤水分特征曲线模型:

(1)

式中：θ为土壤含水量；θr为土壤残余含水量；θs为土壤饱和含水量；h为土壤水吸力；α、n和m为土壤水分特征曲线参数；m=1-1/n。

图1 RETC操作界面(输入：实测土壤水吸力h(Pressure)，实测土壤含水量θ(Thata)；输出：θr、θs、α和n)

2 结果分析

2.1 不同土石混合比例对土壤含水量的影响

不同碎石含量比对水分特征曲线的影响结果如图1所示。可以看出，随着土壤含水量逐渐减小，土壤水吸力的增大。为便于分析土石混合介质碎石性质对水分特征曲线的影响，将土壤水吸力低于100 kPa作为低吸力段和中高吸力端的分界点[10]。在低吸力段，土壤水分主要由大孔隙保持，吸力增加，脱水迅速，曲线陡直；在高吸力阶段，土壤水分由小孔隙保持，脱水过程缓慢，曲线平缓。对于两种碎石处理，相同土壤水吸力条件下，随着碎石质量比的增大，土壤含水量均逐渐减小。出现这种情况的原因可能是，石灰岩和片麻岩碎石持水能力均小于细土，细土中碎石含量的增加，碎石占据细土内的孔隙量也随之增加，导致了土石混合介质整体保水能力降低。上述研究成果与邵明安等[20]得出的结果略有差别，原因可能在其所用的细土和钙结石理化性质与本实验所用细土和碎石差别较大。为了量化碎石对土壤曲线的影响，以纯土(Rv=0.0%)为对照。在低吸力段，相同土壤水吸力，当碎石比(Rv)分别为10.0%、20.0%、30.0%、40.0%时，片麻岩含水量分别相对低-7.72%、-14.84%、-23.15%、-26.76%，石灰岩含水量分别相对低-12.75%、-19.37%、-24.60%、-30.19%。在高吸力段，相同土壤水吸力，当碎石比(Rv)分别为10.0%、20.0%、30.0%、40.0%时，片麻岩土壤含水量分别相对低-7.80%、-14.17%、-23.04%、-26.99%，石灰岩含水量分别相对低-18.22%、-22.48%、-27.43%。这说明土壤含水量随碎石的增大而减小，但平均减小幅度小于碎石比例。这一现象的可能解释是，碎石代替了细土的大小孔隙，但碎石与细土间可能又产生了新的大小孔隙，因此碎石产生的部分效应被新产生的孔隙代替。就不同碎石处理而言，相对于细土，低吸力阶段含石灰岩碎石土壤含水量平均降低幅度为-21.73%，小于高吸力阶段的-19.96%；片麻岩差别不大，分别为-18.12%和-18.00%。这说明土石混合介质持水能力随碎石含量的增大而降低，其中含片麻岩碎石土石混合介质的降幅小于石灰岩。原因在于相对于石灰岩，片麻岩具有相对较大的持水性和导水性。相对于含石灰岩碎石的土石混合介质，相同土壤水吸力条件下，含片麻岩碎石的土石混合介质，不仅细土持有一定含水量，碎石也持有一定含水量。

2.2 模型参数估计及评价分析

2.2.1 VG模型参数估计

采用RECT软件的VG模型拟合了片麻岩和石灰岩不同碎石比处理的土壤水分特征曲线拟合误差比较分析，结果见表2。可以看出，VG可以较好地拟合土石混合介质不同碎石比水分特征曲线，确定性系数R2均大于0.998，这说明VG模型描述土石混合介质水分特征曲线是合理的。此外，不同碎石处理间，土壤参与含水量滞留含水量(θr)相差不大，饱和含水量(θs)、α和n值都比无碎石土壤小，这与邵明安等[20]得到的结果相同。

图2 不同碎石处理条件下土石混合介质水分特征曲线模拟

碎石种类碎石比例/%θrθsαnR2片麻岩00.0890.3940.0671.3940.998 100.0800.3640.0731.3770.998 200.0700.3280.0741.3450.999300.0590.2990.0861.3230.998400.0540.2820.0691 1.305 0.9981000.0460.2410.0711.5380.998石灰岩00.0520.4340.0581.232 0.999 100.0070.3730.510 1.228 0.998 200.0130.3400.0841.1219 0.997 300.0240.3020.0481.2010.999 400.0280.2840.0551.2030.999

α是土壤进气值的倒数，说明含碎石土壤进气吸力比无碎石土壤大。n值反映水分特征曲线陡峭程度，n值越大，曲线越陡峭，说明含碎石土壤水分特征曲线比无碎石土壤曲线平缓。

2.2.2 饱和含水量与碎石比与参数关系

土石混合介质中土壤饱和含水量随碎石质量比的变化关系见图2。可以看出，土壤饱和含水量随碎石比例的增大而减小。相同碎石比例下，土壤饱和含水量相对于纯土(Rv=0%)，片麻岩持水量平均降低比例分别为-7.59%(Rv=10.0%)、-16.59%(Rv=20.0%)、-23.98%(Rv=30.0%)和-28.30(Rv=40.0%)；石灰岩持水量平均降低比例分别为-13.94%(Rv=10.0%)、-21.48%(Rv=20.0%)、-30.33%(Rv=30.0%)和-34.58(Rv=40.0%)，这一结果说明土壤持水能力随碎石含量的增大而降低，但含片麻岩碎石土石混合介质降幅小于石灰岩。

土石混合介质中碎石的存在改变了土壤基本物理性质，导致土壤含水量随碎石质量含量变化成指数函数变化[20]，则含石灰岩碎石土壤饱和含水量与碎石质量比例关系采用下式计算：

θ=θsoileb Rv

(4)

由于片麻岩可以持有一定含水量，因此含片麻岩碎石土壤含水量包括细土持有的水量和碎石持有的水量，其含水量是两者的加权之和，即：

θ=θsoilec Rv+θrocke(1-Rv)+d

(5)

式中：θsoil为细土含水量，采用土石混合介质(Rv=0.0%)时对应饱和含水量；θrock为纯碎石含水量，采用片麻岩土石混合介质(Rv=100.0%)时的饱和含水量。b、c、d为参数，本文分别取-1.160、0.498和-0.645。

土石混合介质中不同碎石比条件下的饱和含水量计算值与实测值间误差见表3，可以看出，计算值与实测值间决定系数R2均大于0.970；均方根误差RMSE均小于0.010。这说明由于片麻岩具有持水性和导水性，含片麻岩土石混合介质饱和含水量不仅与土壤比例有关，也与碎石比例有关，而石灰岩处理只与土壤比例有关。

表3 土壤饱和含水量拟合值与实测值间误差统计表

图3 土壤水分特征曲线模型的饱和含水量参数与碎石比例之间关系

3 结 论

本文以土石混合介质碎石性质对水分特征曲线影响为研究对象，测定了两种不同岩性碎石(片麻岩和石灰岩)分别在不同碎石质量比例条件下的土壤水分特征曲线，并应用VG(van Genuchten)模型对土壤水分特征曲线进行了拟合分析，得到以下主要结论：

(1)土壤水分特征曲线随碎石含量的变化而变化，且变化方式与碎石性质有关，具体表现为不同土石比的土石介质的土壤水分曲线随着土石比Rv增大(相同土壤吸力下)，土壤含水率减小。

(2)相同土壤水吸力，相同碎石比例条件下，含片麻岩碎石土壤含水量降低比例小于石灰岩。

(3)VG模型可以拟合土石混合介质水分特征曲线，但模型参数随碎石含量的变化而变化，模型参数不稳定。

(4)含石灰岩碎石的土石混合介质的土壤饱和含水量参数只与土壤所占比例有关，但含片麻岩碎石土石混合介质的土壤饱和含水量与土壤和碎石各自所占比例均有关。

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