趙嬌娜，徐學(xué)選，李星，張良德，宇苗子

(1.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，100049，北京;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100，陜西楊凌;4.甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，730000，蘭州)

長(zhǎng)武塬區(qū)降雨入滲特征

趙嬌娜1，2，徐學(xué)選1，3?，李星1，3，張良德4，宇苗子1，3

(1.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，100049，北京;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100，陜西楊凌;4.甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，730000，蘭州)

為了深入理解深厚黃土層的降雨入滲機(jī)制，在黃土高原塬區(qū)的長(zhǎng)武試驗(yàn)站，應(yīng)用TDR監(jiān)測(cè)天然降雨下大型土柱土壤含水率的動(dòng)態(tài)變化，并結(jié)合土柱底部出流量測(cè)定數(shù)據(jù)，分析天然降雨的入滲特征。結(jié)果表明:降雨對(duì)土壤含水率的影響主要集中在160 cm深度以上，且隨深度增加而遞減，至240 cm土層降雨峰值信息幾近消失;濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤初始含水率成負(fù)相關(guān)關(guān)系，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度同降雨量和降雨強(qiáng)度正相關(guān);降雨對(duì)300 cm土壤水的補(bǔ)給行為普遍存在，入滲補(bǔ)給以活塞流方式為主;降雨入滲補(bǔ)給土壤水的滯后作用表現(xiàn)出對(duì)100～200 cm土壤水的補(bǔ)給滯后時(shí)間為15～18 d，對(duì)300 cm深度土壤水的補(bǔ)給滯后時(shí)間為30～45 d。研究結(jié)果對(duì)明確黃土塬區(qū)水循環(huán)機(jī)制具有一定參考意義。

降雨入滲;土壤含水率;運(yùn)移速率;出流量;出流速率;長(zhǎng)武塬區(qū)

降雨入滲是雨水進(jìn)入土壤形成土壤水的過(guò)程，它是降水、地表水、土壤水和地下水相互轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要環(huán)節(jié)［1］。它決定著地表徑流量［2］和雨水進(jìn)入土壤的數(shù)量，影響到植物水分的收支［3］，以及地下水資源量的動(dòng)態(tài)變化［4－5］。研究降雨入滲規(guī)律對(duì)于減少地表徑流、增加土壤入滲等方面具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義［6］。尤其是在水土流失嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境惡化的黃土高原地區(qū)［7－8］，對(duì)降雨入滲特征的研究不僅有助于明確黃土的入滲性能，減少?gòu)搅鲹p失，還可以明晰黃土區(qū)的水分循環(huán)特征，為合理利用水資源和搞好生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考依據(jù)。

目前已有大量關(guān)于降雨入滲特征的研究［9－14］。原鵬飛等［15］通過(guò)室內(nèi)和野外模擬降雨入滲試驗(yàn)，揭示了降雨量對(duì)入滲深度和入滲速率的影響;劉賢趙等［16］應(yīng)用坡地水量轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型分析了降雨入滲過(guò)程中滯后作用對(duì)土壤含水率、入滲速率等的影響;朱元駿等［17］在室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)含礫石土壤降雨入滲過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。現(xiàn)有研究多是基于室內(nèi)土柱的人工降雨模擬和數(shù)值模擬研究，而關(guān)于天然降雨在大型土柱的入滲研究相對(duì)較少［18］。筆者選取深度為100～300 cm的大型土柱為對(duì)象，對(duì)天然降雨下土柱底部入滲量和不同深度土壤含水率進(jìn)行長(zhǎng)期原位觀測(cè)，并結(jié)合降雨資料，從降雨入滲深度、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率、降雨入滲補(bǔ)給的滯后時(shí)間等方面分析天然降雨的入滲特征，以期為黃土區(qū)降雨入滲機(jī)制和水文循環(huán)研究提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)布設(shè)在黃土高原溝壑區(qū)的長(zhǎng)武國(guó)家黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站內(nèi)，位于黃土高原中南部E 107°40＇，N 35°12＇，海拔 1 200 m。土壤以黑壚土為主，母質(zhì)為中壤質(zhì)馬蘭黃土，全剖面土質(zhì)均勻疏松，穩(wěn)定入滲率為1.35 mm/min，田間持水量和萎蔫濕度分別為22.4%和9%［19］，土壤密度為1.30 g/cm3，其土壤顆粒組成為:粒徑＞0.05 mm占6.0%，0.05～0.01 mm占52.8%，0.01～0.001 mm占22.7%，＜0.001 mm占18.5%。年均降水584 mm，平均溫度9.1℃，無(wú)霜期171 d，地下水位50～80 m，無(wú)灌溉條件，屬典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。降雨年際間變異大，多年平均降雨量為584.1 mm，最大年降雨量為813.2 mm，最少年降雨量為369.5 mm，降雨主要集中在7—9月，約占全年降雨量的55%以上。

2 材料與方法

試驗(yàn)采用組裝于地下室的大型模擬土柱進(jìn)行。土柱由3組內(nèi)徑為50 cm，高分別為50、100、150、200和300 cm的15個(gè)圓形土柱和截面為50 cm×30 cm、高300 cm的5個(gè)方形土柱組成，共計(jì)20個(gè)。柱子采用鋼筋混凝土制作而成。沿柱身“S”型分布2列垂直間距為10 cm的取樣孔，可進(jìn)行土壤水分取樣和TDR含水率測(cè)定。柱底加一反濾體，其底部設(shè)有排水通道，采用500 mL塑料瓶收集滲漏液。地下室場(chǎng)地根據(jù)大型模擬土柱特征設(shè)計(jì)而成，分東西2排排列，保證柱頂與地面持平。土柱于2000年制作而成，柱體由相同規(guī)格的深度為20、50和100 cm的土柱組裝而成，柱體上下邊緣向外延伸約3 cm，上有圓孔用來(lái)以螺絲固定，20 cm的土柱作為柱底反濾體，制作時(shí)分層回填;供試土壤取自長(zhǎng)武王東溝小流域塬面農(nóng)田0～300 cm土層，去除植物根系等雜質(zhì)后風(fēng)干過(guò)10 mm篩，混勻后按照0～300 cm田間土壤平均密度1.30 g/cm3自下而上分層回填。其方法如下(以深度為300 cm的土柱為例):于地下室先將20 cm土柱固定好，土柱內(nèi)放入混勻的碎石、粗砂混合物作為反濾體，柱頂鋪平;將100 cm土柱放于其上并用螺絲加以固定，使2柱體緊密結(jié)合;之后在柱體內(nèi)分層填裝土壤，每20 cm為一層填裝、壓實(shí)，填裝上層土之前，用刷子刷毛下層土壤表面，以防止土層之間出現(xiàn)分層現(xiàn)象;以此方法在柱體上方再加2個(gè)100 cm的土柱固定好并分層填裝，即制作完成了300 cm的土柱;其他土柱制作方法相同。2000—2008年間多數(shù)年份種植小麥(Triticum aestivumLinn.)，2008—2011年一直為裸地。土壤總孔隙度基本趨于原狀土。

試驗(yàn)于 2011－06－13—09－17期間，對(duì) 300 cm 高的5號(hào)土柱不同深度土壤含水率動(dòng)態(tài)進(jìn)行TDR探針觀測(cè)。由于土柱頂端0～50 cm處有鋼筋混凝土外環(huán)圍護(hù)，各土柱土壤含水率的測(cè)定均在50 cm之下。TDR測(cè)定水分時(shí)間間隔為30 min，試驗(yàn)前用烘干法對(duì)TDR探針進(jìn)行了含水率標(biāo)定。同時(shí)于09－07—10－10進(jìn)行土柱底部降雨出流量的密集測(cè)定，測(cè)定期間用遮雨棚對(duì)所有土柱進(jìn)行頂部遮蓋，避免降雨進(jìn)入土柱，但表面蒸發(fā)仍可進(jìn)行。測(cè)定期間每日2～4次稱(chēng)量土柱底部塑料瓶中滲漏水質(zhì)量，用來(lái)計(jì)算土柱底部的出流速率。降雨數(shù)據(jù)為長(zhǎng)武站氣象觀測(cè)場(chǎng)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 天然降雨下土壤含水量的變化

圖1所示是深度為300 cm的5號(hào)土柱不同深度土壤含水率的動(dòng)態(tài)變化曲線和降雨量與累積降雨量的動(dòng)態(tài)變化曲線。從圖1(a)、(b)和(c)中可以看出，各深度土壤含水率曲線均大致呈現(xiàn)隨時(shí)間升高的趨勢(shì)。7月13日之后60、80、120和160 cm這4條含水率變化曲線均出現(xiàn)了4次較為明顯的波動(dòng)，且其波動(dòng)緊隨累積降雨量的增長(zhǎng)而出現(xiàn)，表明降雨對(duì)60～160 cm深度土壤含水率的影響顯著;從這4條曲線波動(dòng)幅度大小大致可以看出降雨對(duì)60～160 cm土壤含水率的影響隨深度的增加而遞減;240～280 cm深度土壤含水率沒(méi)有明顯的波動(dòng)，這是由于隨著入滲路徑的增大，降雨的峰值信息被不斷削弱的緣故;深層土壤含水率在上部土壤水的下行補(bǔ)充下不斷升高，這種趨勢(shì)說(shuō)明連續(xù)降雨有利于土壤水分向深層運(yùn)移，對(duì)減緩深層土壤的干燥化進(jìn)程有一定意義［20］。

依據(jù)圖1(d)所示累計(jì)降雨量的變化趨勢(shì)可以將測(cè)定期間的降雨分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5個(gè)時(shí)期，具體時(shí)間劃分如表1所示。從圖1(a)、(b)和(c)中可以看出:Ⅰ期內(nèi)各深度土壤含水率變化并不明顯，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ期60 cm以下含水率出現(xiàn)了比較明顯的增長(zhǎng)峰，為了與劃定的降雨時(shí)期相對(duì)應(yīng)，在此分別用峰Ⅱ、峰Ⅲ、峰Ⅳ、峰Ⅴ來(lái)表示4個(gè)增長(zhǎng)峰，見(jiàn)表2。綜合比較表1和表2中5個(gè)時(shí)期總降雨量、時(shí)期內(nèi)日最大降雨量和最大降雨強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，高降雨強(qiáng)度容易引起土壤含水率的突增，例如峰Ⅱ和峰Ⅲ，對(duì)應(yīng)降雨時(shí)期降雨強(qiáng)度分別高達(dá)12.2和11.4 mm/h;降雨強(qiáng)度小但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、降雨量大的降雨，也會(huì)使土壤含水率快速增加，例如峰Ⅳ和峰Ⅴ，其對(duì)應(yīng)降雨時(shí)期內(nèi)日降雨量均高于30 mm;由于6月份氣候干燥、降雨量少、表層土壤干燥，Ⅰ期內(nèi)緩慢的降雨基本上用于補(bǔ)充表層土壤水，加之蒸發(fā)作用的影響，阻礙了雨水向下入滲，所以60 cm深度以下土壤含水率并未出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)。

圖1 不同深度土壤含水率隨降雨量的動(dòng)態(tài)變化Fig．1 Dynamics of soil water content at different soil layers under natural rainfall condition

表1 研究區(qū)不同時(shí)期降雨特征Tab．1 Characteristic of rainfall at different phase in study area

表2 不同時(shí)期降雨入滲濕潤(rùn)鋒運(yùn)移特征Tab．2 Velocity of wetting front in soil column at dif ferent rainfall phase

總體來(lái)看，土壤含水率會(huì)隨降雨量大小的變化而波動(dòng)，越接近地表其波動(dòng)性越明顯，隨著土層深度的增加其波動(dòng)性逐漸減小，特別是接近240 cm深度時(shí)，已很難看出土壤含水率隨一次大的降雨過(guò)程的明顯變化界限;土壤含水率與降雨量和降雨強(qiáng)度關(guān)系密切，當(dāng)日降雨量和降雨強(qiáng)度均較大時(shí)，降雨才會(huì)對(duì)60 cm深度以下土壤水進(jìn)行明顯補(bǔ)給。

3.2 降雨補(bǔ)給下濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移特征

濕潤(rùn)鋒是指水分下滲過(guò)程中，土壤被濕潤(rùn)的先頭部位與相對(duì)較干的土層形成的明顯交界面［21］。當(dāng)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移到達(dá)某一深度時(shí)，該深度土壤含水率會(huì)發(fā)生變化，隨深度增大含水率變化時(shí)間逐漸推后。對(duì)不同深度初始含水率變化時(shí)刻進(jìn)行比較分析，可以大致計(jì)算出降雨入滲過(guò)程中濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速率［22］。本研究針對(duì)含水率曲線出現(xiàn)的4次增長(zhǎng)峰數(shù)據(jù)，分析得出60 cm深度以下濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速率，如表2所示。結(jié)合表1和表2，可以看出降雨強(qiáng)度高達(dá)12.2 mm/h的峰Ⅱ，其60～160 cm土壤含水率幾乎同時(shí)發(fā)生了變化，但由于儀器數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為30 min，即存在約30 min的時(shí)間誤差，由此推測(cè)在30 min內(nèi)水流途徑60 cm下滲至160 cm，由此得出濕潤(rùn)鋒在60～160 cm的運(yùn)移速率≥33.33 mm/min，其他計(jì)算方法相同。

表2所示4個(gè)降雨入滲含水率增長(zhǎng)峰補(bǔ)給階段濕潤(rùn)鋒均達(dá)到了160 cm，因而分別計(jì)算了4個(gè)峰60～160 cm濕潤(rùn)鋒的平均運(yùn)移速率。依據(jù)運(yùn)移速率的大小可以將濕潤(rùn)鋒運(yùn)移過(guò)程分為快速運(yùn)移和緩慢運(yùn)移2種類(lèi)型。快速運(yùn)移型其運(yùn)移速率≥16.67 mm/min，峰Ⅱ和峰Ⅲ屬于這種類(lèi)型;緩慢運(yùn)移型其運(yùn)移速率＜1.0 mm/min，峰Ⅳ和峰Ⅴ屬于此類(lèi)型。比較日降雨量和最大降雨強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，峰Ⅰ和峰Ⅱ?qū)?yīng)的降雨強(qiáng)度均高于10 mm/h，是峰Ⅲ和峰Ⅳ的2～3倍，而日降雨量并沒(méi)有明顯的規(guī)律。應(yīng)用SPSS16.0軟件對(duì)60～160 cm濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率(y)和對(duì)應(yīng)的日降雨量(x1)、最大降雨強(qiáng)度(x2)進(jìn)行了相關(guān)分析(峰Ⅲ的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率取中間值25.0 mm/min)，發(fā)現(xiàn)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率與日降雨量之間沒(méi)有顯著相關(guān)關(guān)系，與降雨強(qiáng)度之間的線性關(guān)系為:y=4.40x1－23.02，R2=0.959(P=0.021 ＜0.05，顯著相關(guān))，說(shuō)明降雨強(qiáng)度與濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率顯著正相關(guān);這是因?yàn)橥寥赖娜霛B能力有限，當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí)，降雨來(lái)不及入滲會(huì)在表層形成積水，在積水壓力下，表層土壤的一些孔隙通道被打開(kāi)，使得降水可以更快地入滲補(bǔ)給下層土壤水，加快了濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速率，因而降雨強(qiáng)度越大濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率越快。

試驗(yàn)中影響濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率的另一個(gè)因素是土壤初始含水率。從表2中可以看出，4次峰對(duì)應(yīng)的60 cm深度土壤初始含水率依次升高，使得其與上部土層之間的土水勢(shì)能梯度逐漸減小，入滲能力降低，影響了水分的繼續(xù)下滲［22］，導(dǎo)致60 cm深度以下土壤水分補(bǔ)給量減少，一定程度上削弱了濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速率;濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率(y)與60 cm土壤初始含水率(x3)的 SPSS線性回歸分析結(jié)果為:y=155.69－9.70x3，R2=0.989(P=0.006＜0.01，極顯著相關(guān))，說(shuō)明60 cm土壤初始含水率與濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與陳洪松等［21］和吳忠東等［23］的研究結(jié)果基本一致。

一般情況下濕潤(rùn)鋒的下行深度與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)［24］，且同等降雨強(qiáng)度條件下，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度隨降雨量的增加而增大［15］。從表2中可以看出，4個(gè)含水率增長(zhǎng)峰對(duì)應(yīng)的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度不同，其中峰Ⅱ和峰Ⅳ濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度為160 cm，峰Ⅲ和峰Ⅴ濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度為240 cm，綜合比較降雨強(qiáng)度、降雨量特征發(fā)現(xiàn)，峰Ⅲ和峰Ⅴ對(duì)應(yīng)的日降雨量均≥32.8 mm，且降雨強(qiáng)度≥6.2 mm，說(shuō)明本試驗(yàn)中濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度受降雨量和降雨強(qiáng)度的共同影響，降雨量和降雨強(qiáng)度都較大的情況下，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度愈深。

綜合以上分析得知:濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速率與降雨強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與60 cm深度初始含水率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移深度受降雨量和降雨強(qiáng)度的共同影響，降雨量和降雨強(qiáng)度越大，越有利于濕潤(rùn)鋒向下運(yùn)移。

3.3 降雨補(bǔ)給后不同深度土柱底部出流量比較

試驗(yàn)于 2011－09－07—10－10 期間對(duì)各土柱出流量進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)33 d的觀測(cè)，測(cè)定期內(nèi)無(wú)降雨進(jìn)入土柱。依據(jù)出流量和測(cè)定時(shí)間，計(jì)算得出了不同土柱底部降雨下滲的總出流量，如表3所示。

從表3可看出:供試的17個(gè)土柱中有11個(gè)土柱底部觀測(cè)到了出流量，其平均出流量以150 cm為最大，土柱深度和出流量關(guān)系并不密切，說(shuō)明降水對(duì)300 cm土壤水的補(bǔ)給行為是普遍存在的，并不隨深度的變化有明顯的區(qū)別。從表3可以看出，對(duì)于同一深度的土柱而言，出流量大小差異很大，其值可分為0、低和高3種類(lèi)型，由于降雨、蒸發(fā)等外界環(huán)境及處理?xiàng)l件一致，因而，出流量的這種差異主要是不同的土壤孔隙狀況造成的。對(duì)供試土柱的前期研究［18］發(fā)現(xiàn)，孔隙的連通狀況決定了土柱出流量的差異，與本研究結(jié)果相吻合。已有研究［25］發(fā)現(xiàn):包氣帶厚度愈大，入滲路徑愈長(zhǎng)，水分全部入滲補(bǔ)給地下水所需時(shí)間愈長(zhǎng)，所以相同的次降雨條件下，相同入滲時(shí)間內(nèi)隨深度增加入滲補(bǔ)給量減小;但對(duì)于多次降雨來(lái)說(shuō)，由于黃土高原降雨入滲補(bǔ)給的滯后性［26－28］，相同時(shí)間不同深度出流量變化規(guī)律發(fā)生了變化(表3)。由于研究區(qū)降雨是土壤水的唯一來(lái)源，依質(zhì)量守恒原理分析，降雨量減去蒸發(fā)損失的差值應(yīng)為土柱含水量變化量與土柱底部出流量之和。以300 cm深度的5號(hào)土柱為例計(jì)算降雨入滲補(bǔ)給300 cm土壤水的最大滯后時(shí)間:9月7日至10月10日測(cè)得其累積出流量為157.5 mm，如若從9月7日向前追溯，至7月31日的降雨量總和為156.0 mm，至7月29日的降雨量為176.2 mm。假設(shè)忽略蒸發(fā)損失和含水量變化量，全部降雨完全滲出土柱，那么觀測(cè)期間測(cè)得的部分滲出水來(lái)源至少可以追溯至7月29日的降雨，即7月29日的降雨大約于9月7日才從土柱底部滲出，時(shí)間間隔為40 d，那么降雨入滲至300 cm深度滯后時(shí)間應(yīng)≥40 d;而深度100、150和200 cm土柱的最大滲出量分別為113.7、121.9和87.9 mm，從9月7日向前追溯降雨量變化，追溯至8月21日、8月20日和8月19日的總降雨量分別為87.2、117.8和125.6 mm，從而由前述方法可知9月7日100、150和200 cm土柱滲出的雨水中大概包含有8月20日、8月19日和8月20日或之前的雨水成分，因而推斷出降雨入滲補(bǔ)給100、150和200 cm土壤水的滯后時(shí)間分別為≥18 d、≥19 d和≥18 d。可以看出:降雨入滲補(bǔ)給200 cm及以上土壤水的滯后時(shí)間十分接近，但是300 cm土壤水補(bǔ)給滯后時(shí)間較長(zhǎng)，后者約是前者的近2倍，其原因應(yīng)該與2 m內(nèi)前期小麥根系對(duì)土壤孔隙的塑造有關(guān);入滲雨水在進(jìn)入200 cm以下土層時(shí)土壤孔隙阻力增大，入滲速率減慢，從而滲出時(shí)間推后。

表3 不同深度土柱底部入滲雨水出流量Tab．3 Amount of seepage water collected at the bottom of soil columns

3.4 降雨入滲補(bǔ)給下雨水出流速率變化特征

依據(jù)觀測(cè)時(shí)間和土柱底部出流量數(shù)據(jù)，計(jì)算得出了降雨在不同深度的出流速率，即將某一時(shí)刻觀測(cè)到的出流雨水的質(zhì)量折合為水的體積，并除以土柱的橫截面積，得到單位面積上入滲雨水的出流量，以cm為單位;然后將其除以本次觀測(cè)與上次觀測(cè)的時(shí)間間隔，就可以得出這個(gè)時(shí)段內(nèi)單位時(shí)間單位面積上雨水在土柱底部的出流速率，以cm/h為單位，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由于前面分析發(fā)現(xiàn)4號(hào)和7號(hào)土柱出流量極小，不足5 mm(表3)，在此對(duì)其出流速率不做分析，同時(shí)選取有代表性的5號(hào)和10號(hào)土柱對(duì)深度300 cm出流速率進(jìn)行分析。

深度為100、150、200和300 cm的土柱最大出流速率分別為8.00 cm/d(圖2(a))、4.04 cm/d(圖2(b))、1.70 cm/d(圖 2(c))和 1.36 cm/d(圖 2(d))，隨著土柱深度的增加，出流速率逐漸減小，這是因?yàn)闈B流路徑越大，下滲水流向下運(yùn)移打通孔隙通道的阻力越大，從而使得出流速率變小，同張光輝等［25］研究結(jié)果一致。

圖2 土柱底部雨水出流速率隨時(shí)間的變化曲線Fig．2 Dynamics of outflow velocity observed at the bottom of soil columns

由前面分析可知，不同深度土壤水接受降雨入滲補(bǔ)給均存在一定的滯后性。研究［29］表明:當(dāng)相鄰降雨時(shí)間間隔較短、地下水水位埋深較大時(shí)，入滲過(guò)程的延遲滯后時(shí)間變長(zhǎng)，此時(shí)多次降雨產(chǎn)生的入滲補(bǔ)給過(guò)程相互疊加，從而使得幾次降雨后在入滲補(bǔ)給過(guò)程中只出現(xiàn)1個(gè)補(bǔ)給高峰。從圖2(a)、(b)和(c)中可以看出，深度為100、150和200 cm的5個(gè)土柱均出現(xiàn)1個(gè)明顯的出流高峰，出流速率峰值分別出現(xiàn)在9月18日、9月18日和9月19日。結(jié)合圖1(b)降雨動(dòng)態(tài)可以發(fā)現(xiàn)9月3日到9月6日，即Ⅴ期有幾次相鄰降雨。如果9月18和19日的出流高峰源于這幾次降雨過(guò)程，則可推出100、150和200 cm深度降雨補(bǔ)給的滯后時(shí)間分別約為15 d、15 d和16 d，這與前面分析得出的18 d滯后時(shí)間較為吻合。圖2(d)中5號(hào)和10號(hào)土柱均出現(xiàn)2個(gè)出流高峰，第1個(gè)峰值同在9月12日，第2個(gè)峰值分別在9月20日和9月22日;由于前面分析得出降雨補(bǔ)給300 cm土壤水的滯后時(shí)間遠(yuǎn)大于200 cm及以上深度，因而在此推測(cè)300 cm土柱的第2個(gè)峰值對(duì)應(yīng)Ⅳ期即8月15日至8月21日的幾次相鄰降雨，第1個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的為Ⅲ期7月26日至7月31日的幾次降雨過(guò)程。依據(jù)峰值出現(xiàn)時(shí)間和對(duì)應(yīng)的降雨日期，可以推出7月26日至7月31日降雨入滲滯后時(shí)間為43～48 d、8月15日至8月21日降雨入滲滯后時(shí)間為30～38 d。

從圖2(a)和(b)中可以看出，2號(hào)和13號(hào)土柱底部出流速率開(kāi)始時(shí)較小，后于9月19日左右出流速率出現(xiàn)迅速增大后又減小的變化過(guò)程，表明降雨主要以活塞式入滲方式［29］對(duì)土壤水進(jìn)行補(bǔ)給。這是因?yàn)榻涤赀M(jìn)入土壤后，在土水勢(shì)梯度的作用下一小部分雨水向下入滲，但受入滲能力的限制，絕大部分雨水會(huì)在土層中匯集形成一定的含水層，在重力作用下以均勻?qū)訝盍鞯姆绞较蛳峦埔?，未到達(dá)土柱底部時(shí)出流速率較小，當(dāng)含水層到達(dá)土柱底部時(shí)出流速率較快增加，含水層水分逐漸從土柱底部出流后，出流速率又開(kāi)始逐漸減小，從而形成了類(lèi)似于活塞推動(dòng)下水分出流的峰值過(guò)程。同時(shí)可以看出12號(hào)(圖2(a))、3號(hào)(圖2(b))和14號(hào)(圖2(c))土柱出流速率均出現(xiàn)了類(lèi)似的峰值變化過(guò)程;由于降雨對(duì)300 cm土壤水補(bǔ)給滯后時(shí)間較長(zhǎng)，所以5號(hào)土柱和10號(hào)土柱中包含2次相鄰的降雨入滲過(guò)程形成的含水層，出現(xiàn)了2次出流速率峰值變化過(guò)程。100～300 cm土柱的這種相似的出流速率特征，說(shuō)明黃土中降雨主要以活塞流形式入滲補(bǔ)給土壤水。

4 結(jié)論

降雨對(duì)土壤含水率的明顯影響主要集中在160 cm深度以上，隨著入滲路徑的增大，降雨的峰值信息被不斷削弱，至240 cm時(shí)已無(wú)明顯峰值信息;降雨量和降雨強(qiáng)度越大，60 cm深度以下土壤含水率對(duì)降雨的響應(yīng)越顯著，推動(dòng)著水分向深層運(yùn)移。

在降雨強(qiáng)度和土壤初始含水率的影響下，60～160 cm土層中濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率差異明顯，運(yùn)移速率隨著降雨強(qiáng)度的增大呈上升趨勢(shì)，隨著60 cm深度初始含水率的升高呈下降趨勢(shì);濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度同降雨量和降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，降雨量和降雨強(qiáng)度越大，越有利于濕潤(rùn)鋒向下運(yùn)移。

降雨對(duì)300 cm深度土壤水的補(bǔ)給行為是普遍存在的，土層厚度愈大，降雨的入滲路徑愈長(zhǎng)，降雨入滲補(bǔ)給滯后時(shí)間越長(zhǎng)。降雨入滲對(duì)100～200 cm土壤水的補(bǔ)給滯后時(shí)間為15～18 d，對(duì)300 cm深度土壤水的補(bǔ)給滯后時(shí)間為30～45 d。深層黃土入滲速率小于0～200 cm土層。

黃土中降雨入滲補(bǔ)給地下水的方式以活塞流入滲補(bǔ)給方式為主，主要體現(xiàn)在出流速率有明顯的峰值存在且峰值過(guò)程有一定的持續(xù)時(shí)間。同時(shí)不同土柱間出滲量存在的顯著差異表明孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)降雨入滲補(bǔ)給影響巨大，其差異產(chǎn)生的機(jī)制仍有待深入研究。

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Characteristic of rainfall infiltration on Changwu Tableland

Zhao Jiaona1，2，Xu Xuexuan1，3，Li Xing1，3，Zhang Liangde4，Yu Miaozi1，3

(1.Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，712100，Yangling，Shaanxi;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，100049，Beijing;3.Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi;4.Gansu Provincial Institute of Hydraulic and Hydroelectric Resesrch，730000，Lanzhou:China)

In order to deeply understand the mechanism of rainfall infiltration in thick soil layer on Loess Plateau，at Changwu experiment station，dynamic of soil water content in a large－scale loess columns was monitored by using TDR(time domain reflectometry)，the amounts of seepage water collected at the bottom of the loess columns was also measured.The results showed that the impact of rainfall on soil water content was mainly concentrated in the depth less than 160 cm，and the impact decreased with depth.In the depth more than 240 cm，the information of rainfall peak almost disappeared.The velocity of wetting front was positively correlated with rain intensity，and negatively correlated with initial soil water content.The depth of wetting front movement was positively correlated with the rainfall and rainfall intensity.Soil water at the depth of 300 cm could be supplied by rainfall，piston flow was the main mechanism of soil water recharge in loess.The time lag of rainfall infiltration recharge to the soil water in 100－200 cm soil layer was about 15－18 d，and the time lag for 300 cm soil layer was about 30－45 d.The results could provide some useful references for understanding the mechanism of water cycle in Loess Tableland.

rainfall infiltration;soil water content;velocity of wetting front;seepage water amount;outflow velocity;Changwu Tableland

2012－03－09

2012－06－06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“黃土丘陵區(qū)小流域大氣降水－土壤水－地下水轉(zhuǎn)化行為機(jī)理研究”(41171421)

趙嬌娜(1986—)，女，碩士研究生。主要研究方向:黃土區(qū)生態(tài)水文。E－mail:zjnsjlm@163.com

?責(zé)任作者簡(jiǎn)介:徐學(xué)選(1966—)，男，研究員，博士。主要研究方向:土壤水分生態(tài)、生態(tài)水文。E－mail:xuxuexuan@nwsuaf.edu.cn

(責(zé)任編輯:程 云)