葛 建， 黃德文，高 旭，湯金華,沈 華

(1.河海大學(xué)土木交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434000；3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074；4.南通職業(yè)大學(xué)建工學(xué)院，江蘇 南通 226001)

【研究意義】土壤水入滲是降水補(bǔ)給地下水的首要環(huán)節(jié)[1]。包氣帶土壤水入滲受降水、植被、蒸發(fā)以及土壤自身持水性能等多種因素影響，其中持水能力對土壤水入滲影響較大[2-4]。自然界中普遍分布著多層土壤的情況，多層土壤的水分運(yùn)動特征不同于均質(zhì)土壤[5]，研究分層土壤的持水性能對水資源綜合利用以及生態(tài)、環(huán)境建設(shè)等具有積極意義，對水資源匱乏的干旱和半干旱地區(qū)尤為如此。發(fā)生降水時，水分將首先使表層土壤孔隙水分飽和，形成的濕潤鋒向下運(yùn)動。降水停止后，飽和土壤孔隙內(nèi)的毛細(xì)懸著水繼續(xù)下滲，入滲過程持續(xù)到當(dāng)飽和孔隙含水率降至田間持水率。田間持水率(Field Capacity)是土壤毛管懸著水達(dá)到最大時土壤所能夠保持的水量[2]，是土體內(nèi)部自由排水停止或降低到忽略不計時的土壤含水率[6]。由于土壤微觀結(jié)構(gòu)的原因，粗質(zhì)土壤的田間持水率低于細(xì)質(zhì)土壤[7-8]。就分層土壤持水性而言，相鄰?fù)翆拥乃μ匦圆町悓ν林鶅?nèi)水分的重分布產(chǎn)生影響。細(xì)顆粒上覆粗顆粒的土柱入滲實驗發(fā)現(xiàn)，由于細(xì)顆粒土的滲透系數(shù)較低，使上覆粗顆粒土的排水速度減慢，提高了粗顆粒土層的持水能力[9]。對于粗顆粒土壤上覆細(xì)顆粒土壤的情況，除提高土柱的持水能力以外，由于粗細(xì)顆粒界面處土壤基質(zhì)吸力相等，當(dāng)上層細(xì)顆粒土壤含水率逐漸加大時，下層粗顆粒土壤的滲透系數(shù)很低，形成阻礙雨水和污染物下滲的毛細(xì)屏障，這在干旱-半干旱地區(qū)的土壤修復(fù)及廢棄物物填埋處理中有著廣泛的應(yīng)用[10]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】為研究分層土壤的持水性能，前人開展了大量研究工作。Miller與Gardner[5]對砂土-砂壤構(gòu)成的分層土柱開展了室內(nèi)入滲試驗，結(jié)果表明相鄰?fù)翆拥耐寥揽紫短卣鞑町悓ν林娜霛B性能有密切聯(lián)系。Whisler和Klute[11]研究了粗、細(xì)質(zhì)地土壤的水力參數(shù)對分層土柱入滲性能的影響，比較發(fā)現(xiàn)田間持水率與滲透系數(shù)的影響效果最明顯。Avanidou和Paleologos[12]對非飽和、非均質(zhì)分層土壤的入滲性能開展了實驗和數(shù)值模擬，指出不同統(tǒng)計模型、土壤水力參數(shù)的空間分布對實驗結(jié)果存在較大影響。甘永德[13]等采用黏土、壤土和砂土研究了雙層土柱的入滲特性，發(fā)現(xiàn)雙層土壤入滲受土壤分層方式?jīng)Q定。Baker和Hille[14]利用砂土上覆壤土的砂箱開展了入滲試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)上層壤土飽和，通過土層界面的水量開始加大時，由于砂土的非均質(zhì)性導(dǎo)致了優(yōu)勢流的產(chǎn)生?？梢娗叭岁P(guān)于分層土壤的研究主要集中在土壤的不同質(zhì)地、粒徑及孔隙大小變化對分層土柱的滲透系數(shù)、含水率等水力參數(shù)的影響[9, 15-17]，對分層土壤保水能力的研究則主要集中在不同土質(zhì)、分層順序及非均質(zhì)性的影響方面[6, 18]，針對土壤分層厚度及分層數(shù)量變化對土壤持水能力影響方面的研究則相對較少。【本研究切入點】本文以我國北方干旱區(qū)常見的細(xì)砂和砂壤土以不同分層厚度和分層數(shù)量進(jìn)行組合，分別設(shè)計了50、25、12.5 cm 3種土壤分層處理(對應(yīng)2、4和8層土結(jié)構(gòu))，與均質(zhì)細(xì)砂和均質(zhì)砂壤的持水能力進(jìn)行比較，【擬解決的關(guān)鍵問題】目的在于了解自然排水條件下，不同質(zhì)地的土壤分層數(shù)量以及分層厚度變化與土柱持水性能的關(guān)系，為干旱-半干旱地區(qū)的水資源保護(hù)以及生態(tài)修復(fù)工作提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗于2016年5月在河海大學(xué)水文與水資源國家重點實驗室進(jìn)行。試驗裝置采用100 mm內(nèi)徑、高度1300 mm的PVC管材，上部開口，底部設(shè)有直徑10 mm均勻排水口(間距20 mm)，以便于土柱排水，試驗用水為自來水。實驗砂壤和細(xì)砂均采自鄂爾多斯盆地的庫布奇沙漠，細(xì)砂粒徑中大于0.075 mm的顆粒占總重量的85 %以上。2種土壤的物理性質(zhì)如表1所示，土壤顆粒組成通過篩分法測定[19]，土質(zhì)分類參照土壤國際制分類標(biāo)準(zhǔn)，2種土壤的田間持水率按照Meyer和Gee提出的砂性土當(dāng)試驗土柱下界面排水速率為0.01 cm/d時的土壤含水率即為田間持水率的方法確定[20]。

試驗用土在烈日下晾曬48 h充分風(fēng)干后碾壓破碎，過2 mm細(xì)篩，去除砂礫、草根等。試驗土柱底部充填10 cm厚、粒徑6～8 mm的礫石層作為反濾層。礫石層上放置10目鋼絲網(wǎng)和透水土工布各1層，防止上層試驗土壤混入下部反濾層。充填土壤前對風(fēng)干砂壤土和細(xì)砂的含水率進(jìn)行測定，得到2種土壤的初始含水率分別為：細(xì)砂=1.45 %、砂壤土=2.36 %。推測砂壤土風(fēng)干后含水率較高的原因是粉粒、粘粒含量以及含鹽量高于細(xì)砂，相應(yīng)的吸濕能力強(qiáng)于細(xì)砂。

試驗土柱根據(jù)土壤分層情況分為5組，同組設(shè)土柱3根，分別由均質(zhì)細(xì)砂、均質(zhì)砂壤土以及分層厚度分別為50、25和12.5 cm的細(xì)砂和砂壤土組合構(gòu)成，土柱分層情況見圖1。裝土?xí)r，按照不同構(gòu)成對土柱進(jìn)行分層填筑，每層用木棍均勻振搗25次，確保填充土壤均勻連續(xù)，土柱長度為100 cm。

1.2 試驗方法

試驗土柱填筑完成后，將土柱置于水槽中3 d，使其完全飽和，在實驗室用稱重法[19]測定2種土樣飽和含水率，換算成體積含水率為：細(xì)砂Ws= 38.6%，砂壤土Ws=42.8 %。將實驗裝置從水槽中移出，土柱底部排水。用有機(jī)玻璃板覆蓋試驗裝置頂部，控制土柱頂部蒸發(fā)。實驗于2016年5月11日上午6: 00開始，歷時120 h。在0、1、2、3、4、6、8、10、12、18、24、30、36、42、48、60、72、84、96、108、120 h進(jìn)行計重(最小讀數(shù)0.1 g)，換算為土柱持水量。

表1 試驗土壤的物理性質(zhì)

圖1 分層砂柱持水性能試驗裝置及分層情況

在土柱排水過程中，由于頂部覆蓋，土柱中多余水分由反濾層排出，為測定對應(yīng)時間的土柱持水量數(shù)據(jù)，在設(shè)定時間對試驗裝置計重(稱量裝置量程為30 kg，精度為0.1 g)。試驗砂柱充填后測得干土+試驗裝置的質(zhì)量m，隨后測得不同時刻的濕土+裝置質(zhì)量m0、m1、m2……m120，其中m0為飽和土柱+裝置質(zhì)量，不同時刻土柱的持水量為：

(1)

式中，ρw為水的容重,α為土柱截面積，Swi單位為mm。

在120 h后立即用取樣器進(jìn)行土壤樣品取樣，取樣間距為10 cm，每根土柱分別得到0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm共10個樣品。所取土樣置于塑料密封袋中，以稱重法測定這些樣品的含水率，得到不同分層處理土柱的含水率剖面。稱重法測得的為質(zhì)量含水率，分析誤差<1 %，主要測試方法如下：首先稱量空鋁質(zhì)取土盒質(zhì)量m1，隨后取30 g左右土樣放入稱量盒中，測得盒與土的質(zhì)量為m2；將土盒置于105～110 ℃烘箱內(nèi)恒溫烘干8 h，測定烘干土樣和取土盒的質(zhì)量m3，則土樣質(zhì)量含水率為：

(2)

折算為體積含水率為：

(3)

式中,ρb和ρw分別為土的容重以及水的密度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土柱持水量變化

細(xì)砂、砂壤土以及50 cm分層的細(xì)砂+砂壤的土柱持水量-時間的關(guān)系(圖2a)，25和12.5 cm 3種分層處理的土柱持水量-時間關(guān)系(圖2b)。土柱排水初期(10 h以前)速度均較快，10 h以后排水速度明顯放緩。其中細(xì)砂排水速度最快，排水量最大，因此120 h持水量僅108 mm，砂壤排水速度最慢，120 h持水量356 mm，3種不同分層處理土柱的持水量介于細(xì)砂和砂壤土之間，總體表現(xiàn)為分層厚度為12.5 cm的土柱持水量>25 cm分層土柱持水量大于50 cm分層土柱持水量。

試驗開始時，3組分層土柱的飽和持水量非常接近(407、404、403 mm)，試驗結(jié)束時12.5 cm分層土柱持水量為246 mm，25 cm分層土柱持水量為225 mm，50 cm分層土柱持水量最低，為214 mm。從試驗最終土柱持水量可見土壤分層數(shù)量越多，土柱的持水量就越大，相應(yīng)的排水速度也較慢。根據(jù)任利東等[21]的研究，土柱內(nèi)部分層處理影響界面處水分入滲的氣體排出，從而提高分層土柱的持水性能。

圖2 不同分層土柱的持水量-時間關(guān)系

2.2 土柱含水率剖面

土柱的不同持水能力不但反映在持水量變化方面，也反映在試驗土柱在120 h時的含水率垂向分布上。不同分層處理土柱在120 h的持水率剖面見圖3，據(jù)圖3a可知，細(xì)砂的含水率明顯低于砂壤土，這是由于細(xì)砂中粘粒和粉粒含量遠(yuǎn)小于砂壤土的原因造成的。在排水實驗完成后(120 h)通過鉆孔取樣分析發(fā)現(xiàn)，在所有試驗土柱中砂柱的持水量最低。細(xì)砂在0～50 cm深度的含水率接近其田間持水率(4.2 %)，但50 cm以下砂柱含水率逐步上升，到90 cm深度含水率仍接近飽和含水率。砂壤土持水量明顯高于細(xì)砂，由于粘粒含量較高，0～30 cm處砂壤的含水率略高于田間持水率13.1 %，30 cm以下含水率明顯增加，剖面底部含水率接近飽和(42.8 %)。試驗還發(fā)現(xiàn)砂壤土柱0 cm剖面含水率大于10 cm處含水率，可能的原因是為防止蒸發(fā)影響，對土柱頂部進(jìn)行了覆蓋。蓋板上凝結(jié)的水汽滴落，加上砂壤土排水速度較慢，造成了剖面頂部土壤含水率偏大。

就分層土柱的含水率剖面而言，本試驗的3種分層處理，即：(50+50)、(25+25)和(12.5+12.5)cm，雖然土柱填充使用的都是一半細(xì)砂、一半砂壤土，但由于土柱分層的差異，這3種情況的含水率剖面存在明顯差異(圖3b～d)。3b圖為(50+50)cm分層土柱的含水率剖面，上層細(xì)砂含水率很低，0～30 cm處基本接近細(xì)砂的田間持水率，30～50 cm細(xì)砂含水率逐漸加大，50 cm以下砂壤部分的含水率明顯較高，土柱底層含水率接近飽和，剖面含水率分布與土壤分層之間呈現(xiàn)出較為明顯的規(guī)律性。

這種土柱含水率與土壤垂向分層情況相符的現(xiàn)象也在圖3c, 3d中得到驗證，圖3c為25 cm間隔的細(xì)砂+砂壤土柱，含水率剖面在0～30、30～50、50～75和75～100 cm分為4段，對應(yīng)的含水率從5 %～15 %增大至28 %～34 %，再下降至6 %～23 %，到底部截面又再次增大到40 %左右。同樣在圖3d中，土壤含水率在0～10、10～25、25～37.5、37.5～50、50～62.5、62.5～85、85～100 cm深度范圍層化明顯，相應(yīng)含水率變化與土壤分層變化的規(guī)律與圖3c吻合。說明了砂壤與細(xì)砂的分層土柱下層的砂壤能夠提高上層細(xì)砂的持水量，且土壤分層數(shù)量對提高土柱持水性能作用明顯。

圖3 分層土柱的含水率剖面(方框中為混合樣)

表2 利用HYDRUS-1D模擬的土壤水力參數(shù)[26]

分層土柱的含水率剖面分析發(fā)現(xiàn)土壤在分層位置的含水率變化明顯，土柱內(nèi)部排水主要集中在細(xì)砂層，細(xì)砂層的含水率整體接近其田間持水率(4.3 %)。相對砂壤層的失水非常有限，砂壤層的含水率均大于其田間持水率(13.1 %)。這是由于不同土壤的保水性能差異造成的，同時土壤界面處上下層土壤的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙內(nèi)部的水-氣界面差異也會引起砂壤土排氣不暢，對砂壤層排水產(chǎn)生阻滯作用[22]，從而提高分層土柱的整體含水率。

在圖3b、c、d可以發(fā)現(xiàn)，由于土柱的分層界面與鉆孔取樣深度不一致，土柱分層越薄，鉆孔時越容易取到不同土壤組成的混合樣。這就導(dǎo)致了圖3b中的40 cm深度、圖3c的20、70 cm以及圖3d的10、20、30、60、70和80 cm處的土壤含水率均一定程度偏離了單純細(xì)砂或砂壤土在相同深度處的含水率。該情況如采用含水率TDR探頭監(jiān)測而非鉆取土樣的方法應(yīng)該可以避免產(chǎn)生類似問題[23]。

3 討 論

3.1 與HYDRUS-1D程序模擬結(jié)果的比較

為進(jìn)一步比較試驗觀察結(jié)果，根據(jù)試驗砂柱的實際分層情況，利用HYDRUS-1D[24]對120 h不同分層處理土柱的含水率進(jìn)行了模擬。HYDRUS-1D模擬采用VGM模型，砂壤和細(xì)砂的水力參數(shù)見表2，上邊界為定流量邊界，下邊界為定水頭邊界，初始條件以水頭值進(jìn)行控制，120 h土柱的含水率模擬值與實測值如圖4。

圖4 HYDRUS-1D模擬的120 h土柱含水率模擬值與實測值

由圖4可知，HYDRUS-1D模擬結(jié)果與室內(nèi)土柱試驗的含水率剖面具有相同變化趨勢，除混合樣含水率與模擬結(jié)果存在差異外，其余實測含水率與模擬值吻合度較好。砂壤和細(xì)砂柱的實測值與模擬值吻合度較高，0～40 cm深度剖面的實測值比模擬值略大以外，40 cm深度以下各剖面的實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)基本吻合。3種不同分層處理土柱的含水率模擬值表現(xiàn)出明顯的層化現(xiàn)象，層化情況與變化趨勢與試驗觀察結(jié)果類似，說明粗質(zhì)土壤上覆細(xì)質(zhì)土壤在分層界面位置存在毛細(xì)屏障作用，提高了分層土柱的持水能力。

從圖4c與圖4d可見，在上層砂壤與下層細(xì)砂界面處，砂壤能夠明顯提高細(xì)砂層的含水率，且越到剖面深處表現(xiàn)越明顯，說明土壤分層數(shù)量的增加，增強(qiáng)了毛細(xì)屏障的作用，因此一定程度提高了分層土柱的含水率，范嚴(yán)偉[25]等對砂夾層土壤降水入滲性能開展類似研究也觀察到了類似的現(xiàn)象，但這種現(xiàn)象對50 cm分層土柱不明顯。

3.2 分層數(shù)量及厚度對土柱含水率變化的影響

室內(nèi)土柱試驗及HYDRUS-1D模擬結(jié)果都說明粗-細(xì)土壤分層界面位置含水率變化非常劇烈，細(xì)砂層的平均含水率為5.2 %，而砂壤的平均含水率為27.4 %，反映了2種不同質(zhì)地土壤自身持水能力的差異，使土柱的排水主要來自粗質(zhì)土壤。另一方面也反映了上覆砂壤層與細(xì)砂層的界面處，重力水流進(jìn)入下層細(xì)砂時受到排氣阻礙的影響，能夠一定程度提高土柱持水能力。隨著土柱分層數(shù)量增加，土柱持水能力提高的效果越明顯，土柱分層厚度對含水率變化有一定影響。

4 結(jié) 論

本文針對干旱地區(qū)常見的“砂夾層土”開展了 5 種不同處理的分層土柱室內(nèi)入滲試驗，研究了試驗土柱的持水量和含水率變化，利用HYDRUS-1D模型對入滲過程的含水率剖面進(jìn)行了模擬比較，得出以下結(jié)論。

(1)粗質(zhì)土壤上覆細(xì)質(zhì)土壤的處理方式在分層界面處的毛細(xì)屏障作用具有降低滲透的效果，能夠提高上層土壤的持水能力。

(2)分層土柱中土壤剖面水分分布不連續(xù)，砂壤層含水率較高，土柱的水分降低主要來自細(xì)砂層。隨著分層數(shù)量的增加，分層界面的毛細(xì)屏障作用增強(qiáng)，使土柱底部細(xì)砂層的含水率增大，提高了土柱的持水能力。

(3)粗-細(xì)質(zhì)地土壤分層處理能夠提高土柱的持水能力，且增加土壤分層數(shù)量有助于提高土柱持水能力，但對土壤分層厚度的臨界值推定，尚有待進(jìn)一步開展相關(guān)研究工作。