崩岗土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数分析_杨茂进.pdf

收稿日期：修回日期：基金项目：国家自然科学基金“水热耦合效应下崩壁土壤抗剪强度变化特征与机制研究”（）；福建省水利科技项目“崩岗崩壁防塌生态治理技术研发与示范”（）；福建农林大学科技创新专项基金“不同形态氧化铁对崩岗土壤抗剪强度影响的微观机制研究”（）。第一作者简介：杨茂进（），男，硕士研究生，从事土壤侵蚀与治理研究。：。通信作者：黄炎和（），男，教授，博士生导师，从事土壤侵蚀与治理研究。：。：崩岗土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数分析杨茂进，张 越，施梦璐，杨雨珂，黄炎和（福建农林大学资源与环境学院，福建 福州）摘要：为探究崩岗土壤宽吸力范围（）土壤水力学特性，以崩壁红土层、砂土层和碎屑层土壤为研究对象，采用压力膜仪法和滤纸法测定崩壁不同土层土壤的持水能力，用传统 模型（传统 模型）和修正 模型（修正 模型）对土壤水分特征曲线进行拟合分析。结果表明：采用压力膜仪法和滤纸法测定的持水曲线存在交点，相交后两种方法的持水曲线趋于重合，联合两种测定方法可以获得宽吸力范围的土壤水分特征曲线。在宽吸力范围内，低吸力阶段（），砂土层土壤的持水能力高于红土层和碎屑层土壤，而在高吸力阶段（），开放科学标识码（码）红土层土壤持水能力最高。崩壁各土层土壤水分特征曲线采用传统 模型和修正 模型拟合程度均较高，均方根误差均低于 ，纳什效率系数值和相关系数分别大于 和 ，且修正 模型更适合描述宽吸力范围崩壁土壤水分特征曲线。红土层、砂土层和碎屑层土壤水分特征曲线的残余值分别为：（对应含水率为）、（对应含水率为）和 （对应含水率为）。相对于传统 模型，采用分段函数的形式（以残余值为拐点）更适合描述宽吸力范围崩岗土壤的非饱和导水率。关键词：崩岗；压力膜法；滤纸法；土壤水分特征曲线；模型评价；非饱和导水率中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：（），（），（），（），（），（），（），（）：；森林与环境学报，（）：第 卷 第 期 年 月崩岗是指在水力和重力的综合作用下山坡土石体受破坏和冲刷而发生崩塌的侵蚀现象，崩岗的发生造成了大量的水土流失和物质迁移，形成淹没农田、淤积山塘等灾害。在崩岗侵蚀过程中崩壁的稳定性直接关系到崩岗侵蚀的严重程度及崩岗面积，崩壁的稳定性与土壤含水率密切相关，土壤含水率的变化会影响崩壁土壤的抗剪强度和自重，进而影响崩岗侵蚀发育。因此，研究崩壁不同土层土壤水力学特性对揭示崩岗的发展过程具有重要意义。目前土壤水分特征曲线的测定方法主要有张力计法、压力膜仪法、离心机法和滤纸法等。单一的土壤基质吸力测定方法难以准确测定土壤宽吸力范围的水分特征曲线，而宽吸力范围内土壤水分特征曲线的获取往往需要多种不同的试验方法相配合。关于宽吸力范围土壤水分特征曲线的描述，已有研究表明，在残余阶段，土壤中的毛细水不再连通，吸附水的薄膜流动主导非饱和土的水分运动特性。传统的土壤水分特征曲线函数只适用于描述毛细阶段内的持水和渗透特性，忽略了残余阶段内吸附水的运动特征。引入修正参数（），建立 （）水分特征曲线模型，将只能描述毛细阶段的持水函数扩展到全吸力范围。但是，宽吸力范围的水分特征曲线函数模型仍在探索中，且存在一些需要解决的问题：中土壤水分特征曲线的残余值的确定通常人为设定在，这增加了高吸力段内水分特征曲线预测的不确定性。在崩岗土壤水力学特性研究中，多位学者采用压力膜仪法分析崩壁各土层土壤水分特征曲线，发现随着土层深度的增加，土壤水分特征曲线的斜率逐渐增大，而土壤持水能力呈减弱趋势，。同时，研究表明 （）模型和 模型描述崩岗土壤水分特征曲线效果均较好。然而，关于崩岗土壤水分特征曲线的研究，基本上吸力都是小于 条件下进行的。崩岗区多处于亚热带地区，高温多雨，干湿季节交替明显，在干燥气候条件下崩壁土壤的含水率很低，对应非常高的基质吸力。因此，预测分析崩壁的稳定性必须获得宽吸力范围内崩岗土壤的水分特征曲线。鉴于此，本研究采用压力膜仪法（吸力测定范围 ）和滤纸法（吸力测定范围 ）分别测定福建省安溪县崩岗 个土层（红土层、砂土层和碎屑层）的土壤水分特征曲线，然后联合两种方法各自的测定区间，结合 获得宽吸力（）范围下 个土层的土壤水分特征曲线，再以数据拟合分析获得的土壤水分特征曲线的残余值为拐点，采用分段函数的形式推导出崩岗各土层宽吸力范围土壤的非饱和渗透系数解析式，研究结果可为分析宽吸力范围内崩岗区土壤水力学特性提供参考。研究区概况与研究方法 研究区概况研究区位于福建省安溪县龙门镇洋坑小流域（，），该区属亚热带季风气候，夏季高温多雨，雨季集中于 月，年平均降水量 ，年平均气温 。该区土壤母岩以中粗粒花岗岩为主，在高温多雨的作用下，岩石风化形成深厚的风化壳，风化壳结构性差，抗蚀能力弱。据 年崩岗现状调查数据显示，福建省安溪县共有崩岗 处，其中洋坑小流域共有崩岗 处，密度高达 处 ，是安溪县崩岗平均分布密度的 倍，在中国南方地区具有典型性和代表性。样品采集与处理选取研究区内 处具有代表性的活动性崩岗，分别采集红土层、砂土层和碎屑层土样，每一层采集 土壤，并将 处崩岗的同一层土壤充分混匀，带回实验室自然风干，去除各土层植物根系等物质，过 筛后分成两份备用。一份制作重塑土柱样品，用于测定土壤水分特征曲线，另一份用于崩岗各土层土壤基本理化性质测定。土壤 值、土壤机械组成、有机质含量和土壤容重的测定方法见参考文献，土壤饱和导水率（）采用恒定水头法测定，研究区崩岗 个土层土壤基本理化性质如表 所示。森 林 与 环 境 学 报第 卷表 崩岗 个土层土壤基本理化性质 土层 有机质含量 （）饱和导水率（）土壤容重 （）值组成 砂粒粉粒黏粒质地红土层 粉壤 砂土层 壤土 碎屑层 砂壤 土壤水分特征曲线测定 压力膜仪法 采用标准圆形环刀（环刀高 ，直径 ）将粒径 以下的土壤参照野外容重制备土样，每个层次 次重复，压力膜仪（，美国）设定 等 个吸力段，测定温度为 。其具体操作步骤见参考文献。滤纸法 用 滤纸法对土壤水分特征曲线进行测定，具体分为 个步骤：第 步，进行滤纸总吸力的率定，即建立滤纸总吸力与含水率的关系。第 步，进行土样总吸力的测定：将滤纸和土样放在一个封闭容器中达到平衡状态时，根据滤纸的平衡含水率，可通过已知的滤纸率定曲线（滤纸的平衡含水率和吸力之间的关系曲线）求得平衡后滤纸的吸力值，从而得出土样在该状态下的吸力值，每一个含水率下，土样的吸力重复测定 次。根据室温 条件下国产“双圈”牌定量滤纸的率定曲线，其中质量含水率为 时为率定曲线的转折点，相应率定方程如公式（）。（）式中：为基质吸力（）；为质量含水率（）。数据处理与统计 土壤水分特征曲线拟合采用传统 模型（传统 模型）和修正 模型（修正 模型）进行土壤水分特征曲线拟合，传统 模型表达公式如下：（）()（）式中：为饱和含水率（）；为残余含水率（）；为与进气值有关的参数；、为与曲线形状有关的参数，。修正 模型表达公式如下：（）()（）式中：()()为修正因子，为与残余含水率相应的基质吸力（）。土壤当量孔径计算 土壤的孔隙状况是影响土壤水分特征曲线的重要因素，基于毛管理论，当量孔径是与一定的土壤水能量值（或土壤水吸力）相当的均匀圆孔的直径，则当量孔径（）与基质吸力（）的关系用公式（）表示：（）式中：表示水的表面张力系数，常温下一般为 ；若 的单位为，当量直径 单位为 时，则 和 的关系可以用 表示，由公式（）可求得任何当量孔径范围的占比情况，根据吸力范围将等效孔径分为 种孔径：土壤空隙（）、大孔径（）、中孔径（）、小孔 径（）、微 孔 径（）和 极 微 孔 径（）。第 期杨茂进，等：崩岗土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数分析 宽吸力范围土壤非饱和导水率计算宽吸力范围非饱和土壤的水分运动形式可以根据残余值（）分为两个阶段：即毛细水运动阶段和薄膜流动阶段，所以宽吸力范围土壤的水分运动可以用两段函数来描述，毛细水运动阶段（）的非饱和导水率（）采用传统 模型计算：（）（）（）（）式中：为土壤非饱和导水率（）；为土壤饱和导水率（）。薄膜流动阶段（），若动力黏滞系数恒定，则双对数坐标系下，非饱和渗透系数与吸力的次方成正比，即 可以采用公式（）计算：()（）式中：是基质吸力为 处的非饱和导水率（），由于该点位于毛细水与薄膜水的分界点，因此，可以通过毛细水运动阶段的非饱和导水率函数求出。模型评价指标采用均方根误差（，）、纳什效率系数（，）和决定系数（，）评价不同模型的拟合效果，相应表达式如下：（）（）()（）（），()()()（）式中：为土壤含水率实测值（）；为土壤含水率模型拟合值（）；为实测值个数；为土壤含水率实测值的平均值；为协方差；为方差。采用 软件进行数据处理，利用 软件进行传统 模型、修正 模型土壤水分特征曲线拟合，采用 软件制图。结果与分析 不同方法测定崩岗土壤的水分特征曲线差异压力膜仪法和滤纸法测定的土壤水分特征曲线差异显著（图），当 时，崩岗各土层滤纸法测定的持水能力明显高于压力膜仪法。随着含水率的降低，在 吸力范围内，两种方法测定的土壤水分特征曲线分别在红土层土壤基质吸力 、质量含水率，砂土层土壤基质吸力、质量含水率，碎屑层土壤基质吸力 、质量含水率 处有交点；在交点后两种方法测定的土壤水分特征曲线趋于重合。整体上，在低吸力阶段，两种测定的土壤水分特征曲线差异较大，随着吸力的增大，差异逐渐减小。个土层均挑选压力膜仪法所测定的 范围实测值，大于 范围选取滤纸法实测值。选择这两个区间的数据组成的各土层土壤水分特征曲线连接较为平滑，说明压力膜仪法和滤纸法联合测定的土壤水分特征曲线是连续的，可以用来分析宽吸力范围崩岗土壤水分特征曲线。在宽吸力范围内，当 时，红土层土壤水分特征曲线的下降速率显著小于砂土层和碎屑层土壤，在高吸力阶段（），土壤持水能力主要依靠毛细管力和土壤颗粒的吸附力。红土层比砂土层和碎屑层土壤具有更高的黏粒含量，对水的吸附能力更强。因此，在高吸力阶段，红土层比砂土层土壤具有更高的持水能力，而碎屑层土壤的持水能力最低。以上结果表明，利用压力膜仪法低吸力段数据和滤纸法高吸力段数据来联合测定崩壁土壤宽吸力范围内水分特征曲线是可行的。森 林 与 环 境 学 报第 卷图 不同方法测定的崩壁各土层土壤水分特征曲线 宽吸力范围崩岗土壤的水分特征曲线分析采用传统 模型和修正 模型对崩壁 个土层土壤的水分特征曲线进行拟合分析，结果（图）表明，崩壁各土层土壤水分特征曲线整体变化趋势基本一致，各土层土壤持水能力随吸力的增大呈规律性变化，基质吸力越大，质量含水率越小，但不同基质吸力条件下各土层土壤含水率的减小速率不同，且各土层两个模型在低吸力阶段的拟合曲线较为接近。当基质吸力小于 时，各土层土壤含水率随着基质吸力的增大迅速下降，曲线斜率大，其中砂土层土壤含水率最高，但随着基质吸力的增大，含水率降低速率大于红土层土壤；当基质吸力大于 时，随着基质吸力的增大，不同土层土壤含水率减小速率增大，其中碎屑层含水率减小最急剧，而红土层含水率减小相对缓慢，含水率最大。随着基质吸力进一步增大，当基质吸力大于 时，各土层土壤含水率的减小速率均随吸力的增大逐渐趋于稳定。总体上，崩壁剖面土层的持水能力差异显著，表现为红土层砂土层碎屑层。图 宽吸力范围崩壁土壤水分特征曲线 第 期杨茂进，等：崩岗土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数分析 宽吸力范围各模型评价指标和土壤水分特征曲线方程拟合参数如表 所示，不同土层采用传统 模型和修正 模型拟合程度均较高，均低于，值和 均大于 和，但是修正 模型的 值均小于传统 模型，而 值和 均大于传统 模型，说明修正 模型拟合宽吸力范围内崩岗土壤水分特征曲线的效果优于传统 模型。通过拟合的土壤水分特征曲线进一步分析崩岗土壤的水力学参数，发现传统 模型和修正 模型拟合得到饱和含水率和残余含水率接近，主要差异是、和 三个参数。分析修正 模型拟合得到的参数可以发现，红土层土壤的饱和含水率和 值高于砂土层和碎屑层土壤，和 值均随土层深度的增加而增大，红土层土壤 和 值最小。参数 的大小受土壤孔隙的影响，越大则土体孔隙分布越均匀。本研究中参数 呈现出随着深度的增加而增大的趋势，说明随着土层深度的增加，土体中孔隙分布均匀程度有增大的趋势。表 宽吸力范围各模型评价指标和土壤水分特征曲线方程拟合参数 土层 模型模型评价指标 拟合参数 红土层 传统 模型 修正 模型 砂土层 传统 模型 修正 模型 碎屑层 传统 模型 修正 模型 进一步通过修正 模型，分别计算了 个土层土壤的孔隙分布状况（表），可以发现，红土层土壤中极微孔隙最多，远远高于其他区间孔隙的分布数量，而砂土层和碎屑层土壤中各个区间的孔隙分布相对均匀，这也验证了 个土层土壤水力学参数 的变化规律。表 崩岗各土层土壤孔隙分布情况 当量孔径 红土层孔隙占比 砂土层孔隙占比 碎屑层孔隙占比 宽吸力范围崩岗土壤的非饱和导水率通过公式（）拟合可知，红土层、砂土层和碎屑层土壤的 值分别为：、和 ，个土层土壤 值对应的含水率分别是：、和，红土层土壤的 值显著大于砂土层和碎屑层土壤，分别将 个土层的 值代入公式（）和（），可以计算出残余区的非饱和导水率，从而获得宽吸力范围内崩岗土壤的非饱和导水率函数（见公式、和）。森 林 与 环 境 学 报第 卷红土层：()()()（）|（）砂土层：()()()（）|（）碎屑层：()()()（）|（）从图 可知，当各土层土壤的 时，采用传统 模型计算 个土层残余区非饱和导水率均低于分段函数模型的结果，说明在残余区内，吸附水的薄膜流动主导土体的非饱和渗透特性，传统 模型已不再适用。因此，本研究提出的非饱和导水率函数，可以更加准确地描述崩壁土壤的水分运动规律，从而提高崩壁稳定性分析的精度。此外，利用分段函数模型可以发现，各土层在相同含水率条件下的非饱和导水率（）呈现碎屑层砂土层红土层的趋势。图 宽吸力范围崩岗土壤的非饱和导水率与预测曲线 讨论与结论在宽吸力范围，滤纸法和压力膜仪法测定的土壤水分特征曲线存在交点，两条曲线在交点前，同一 第 期杨茂进，等：崩岗土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数分析含水率条件下滤纸法测定的吸力值显著高于压力膜仪法，相交后两种方法测定的曲线趋于重合。究其原因，滤纸法主要以滤纸质量的变化来推算土样的基质吸力公式（），在低吸力阶段（），滤纸的率定曲线斜率较大，滤纸质量的微小变化都有可能造成较大的随机误差，导致滤纸法在测定高含水率土壤的基质吸力时准确度较低。在高吸力阶段（），滤纸法和压力膜仪法测定的土壤水分特征曲线相似。在整个宽吸力范围，修正 模型对崩壁各土层土壤水分特征曲线的拟合程度优于传统 模型。这主要是因为当土体中的含水率降低到残余值后，即土壤中的水从受毛细作用转变到受吸附力作用时，土壤中的液相开始变得不再连续。传统 模型无法描述土壤在吸附水阶段的持水特性，加入修正因子后，修正 模型可以更加准确地描述宽吸力范围崩岗土壤水分特征曲线。在宽吸力范围内，砂土层和碎屑层的土壤水分特征曲线斜率大于红土层，当土壤含水率相同时，红土层土壤的非饱和导水率小于砂土层和碎屑层。前人研究表明，崩岗各土层土壤饱和导水率的差异主要受到颗粒组成的影响。在低吸力阶段，土壤孔隙中水的连通性较好，水分容易从导水好的大孔隙排出。碎屑层土壤的砂粒含量高，土壤大孔隙较多，因此，碎屑层土壤的持水能力较低，其非饱和导水率较大。在高吸力阶段，土壤水分保持以黏粒的吸附作用为主，当土壤黏粒含量增加时，土壤黏粒晶格表面上可与水分子的羟基形成氢键的氧原子数量增加，进而增加了土壤对水分的吸附作用，。土壤对水分的束缚作用增强，会降低水分在土壤中的运动性。红土层黏粒含量最高，红土层土壤的非饱和导水率小于砂土层和碎屑层土壤。综上所述，利用修正 模型对崩岗土壤水分特征曲线进行描述，以红土层、砂土层和碎屑层土壤的残余值参数为拐点，采用分段函数计算崩岗土壤的非饱和导水率，可以预测不同气候条件下崩岗区域土壤水分运动的规律。由于碎屑层的非饱和导水率显著高于砂土层和红土层，应考虑降低水分通过碎屑层入渗进入崩壁土体，从而提高崩壁的稳定性，该研究对花岗岩区崩岗的防治具有指导意义。参考文献 ，：，：，：翟俊瑞，谢云，李晶，等 不同侵蚀强度黑土的土壤水分特征曲线模拟 水土保持学报，（）：程东会，常琛朝，钱康，等 考虑薄膜水的利用介质粒度分布获取水土特征曲线的方法 水科学进展，（）：，（）：（），（）：，（）：，（）：，（）：，（）：程子捷，张海东，蒋芳市，等 安溪县花岗岩崩岗土体水分特征曲线及其影响因素 水土保持学报，（）：，森 林 与 环 境 学 报第 卷 ，：辜婧瑶，阳邦戈，魏玉杰，等 崩岗不同土层土壤水力学特性差异性分析 水土保持学报，（）：郑勤敏，王祖梅，黄奕铭，等 东南崩岗侵蚀区崩壁土壤岩土特性的空间分异特征 森林与环境学报，（）：姚毓菲，邵明安 测定时间对定水头法土壤饱和导水率的影响 土壤通报，（）：（）：，：，：李燕，李同录，李萍，等 全吸力范围非饱和持水函数和渗透性函数的预测模型 工程地质学报，：，（）：，（）：，：，（）：，（）（），（）：，（）：黄婉霞，邓羽松，谢福倩，等 花岗岩崩岗不同部位土壤饱和导水率特征及其影响因素 应用生态学报，（）：孙福海，肖波，李胜龙，等 黄土高原藓类生物结皮对表层土壤水分运动参数的影响 农业工程学报，（）：尚熳廷，张建云，刘九夫，等 大孔隙对土壤比水容重及非饱和导水率影响的实验研究 灌溉排水学报，（）：（责任编辑：温凤英）第 期杨茂进，等：崩岗土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数分析