劉金濤，張文平，宋慧卿，韓小樂(lè)

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098)

0 引 言

在濕潤(rùn)山丘區(qū)，通常認(rèn)為土壤較薄且上覆于基巖不透水層之上，土壤水力滲透性良好，其降雨徑流以蓄滿產(chǎn)流為主，側(cè)向壤中流是其主要徑流成分[1,2]。早期，在此認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)理論解析、過(guò)程概化發(fā)展起來(lái)的水文模型，如新安江模型仍然是實(shí)際應(yīng)用最為廣泛的水文模型之一[3]。然而，傳統(tǒng)水文模型僅關(guān)注流域出口的過(guò)程，往往采用集總的蓄泄關(guān)系式表達(dá)產(chǎn)流過(guò)程，而忽視對(duì)中間過(guò)程的概化，顯然此類(lèi)模型不足以揭示和反映水文過(guò)程的本質(zhì)。因此，為概化出合理的、有物理基礎(chǔ)的模型框架結(jié)構(gòu)，有必要深入揭示山坡土壤水分運(yùn)動(dòng)的路徑及過(guò)程。示蹤技術(shù)近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于水源劃分、水流路徑識(shí)別等領(lǐng)域，示蹤得到的信息是常規(guī)水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，已被用于改進(jìn)模型結(jié)構(gòu)和模擬的內(nèi)容，如水的組成、年齡等[4-6]。其中，染色示蹤法直接在現(xiàn)場(chǎng)采用入滲實(shí)驗(yàn)對(duì)土壤進(jìn)行染色，并對(duì)所獲取的土壤剖面的數(shù)字圖像進(jìn)行處理分析，可以得到土壤中水流的快速通道及其分布情況[7,8]。染色示蹤法已成為觀測(cè)和研究土壤水流運(yùn)動(dòng)和運(yùn)移路徑的一種較為直接的觀測(cè)手段[7]。因此，本文將采用染色示蹤劑和單環(huán)入滲實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)山坡土壤的滲透性及水流路徑進(jìn)行染色示蹤分析，反演山坡土壤快速水流通道及其分布特征，并揭示其影響因素。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選取

和睦橋?qū)嶒?yàn)站地處前浙江省水文局姜灣實(shí)驗(yàn)流域的中下游，集水面積1.35 km2，高程在150～600 m，流域內(nèi)植被以竹子為主，約占總面積的95%，坡度較緩地區(qū)，種有較少量茶葉、番茄等作物，山坡較陡處尚有小部分山坡長(zhǎng)有灌木叢，高達(dá)1 m。目前，該流域設(shè)有2個(gè)雨量站，5個(gè)水位觀測(cè)堰槽、1個(gè)自動(dòng)氣象站和1個(gè)強(qiáng)化觀測(cè)山坡。流域多年平均降水量為1 580 mm，年水面蒸發(fā)量為805 mm，年平均氣溫為14.0 ℃，年平均日照時(shí)間在1 579 h左右。本流域基巖屬中生代后的火山巖系，土壤類(lèi)型基本上為生草----草甸土、山地腐殖土和山地石質(zhì)土。土壤質(zhì)地以砂土、砂壤土為主。土壤厚度大部分在70～80 cm，在坡腳、溝谷源頭及溪流附近有1 m以上的土層。

1.2 入滲與染色實(shí)驗(yàn)

單環(huán)變水頭測(cè)量法具有需水量少、設(shè)備簡(jiǎn)易、操作簡(jiǎn)單、野外攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，并且其半徑可變，適用于較大尺度測(cè)量土壤特性。選取流域內(nèi)的9個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行單環(huán)入滲實(shí)驗(yàn)，為了便于取水，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)需盡量沿河道布設(shè)(圖1)。其中，在樣點(diǎn)6的1 m范圍內(nèi)，分別在空地(6a)和竹根(6b)上進(jìn)行了2次入滲實(shí)驗(yàn)，以分析對(duì)比植物根系對(duì)下滲的影響。在入滲實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，選取其中的4點(diǎn)(分別為2、3、4和9)同時(shí)開(kāi)展染色示蹤實(shí)驗(yàn)，以分析山坡土壤結(jié)構(gòu)對(duì)入滲水流路徑的影響。實(shí)驗(yàn)選用亮藍(lán)作為染色示蹤劑，亮藍(lán)溶于水時(shí)呈藍(lán)色，顯色性極強(qiáng)，且不易被土壤顆粒所吸附，砂土對(duì)亮藍(lán)的吸附系數(shù)僅為0.31 mL/g左右。為了獲得良好的染色效果，亮藍(lán)濃度定為3 kg/m3[9]。具體實(shí)驗(yàn)步驟為：①在實(shí)驗(yàn)點(diǎn)空地上，采用TDR測(cè)量土壤初始含水量，然后布設(shè)直徑為30 cm的單環(huán)裝置，為防止水分滲出，將單環(huán)插入土壤約5 cm；②將水(或亮藍(lán)溶液)注入單環(huán)裝置，使得地表水頭為15 cm；③待亮藍(lán)溶液完全滲完，平衡0.5 h后，開(kāi)挖土壤剖面，記錄亮藍(lán)遷移的最大深度和剖面的特征，拍攝每個(gè)染色剖面以供圖像分析；④拍攝的剖面染色照片經(jīng)Photoshop軟件處理，濾除未染色部分的顏色，把圖片轉(zhuǎn)換為黑白圖(黑色代表染色區(qū)域，白色部分表示未染色的土壤基質(zhì))，以tiff格式存儲(chǔ)；⑤在ImageTool中運(yùn)行染色面積統(tǒng)計(jì)程序，求得不同深度黑色部分所占的百分比，作圖得到其隨深度變化的曲線。對(duì)于所有的樣點(diǎn)，采用改進(jìn)的Philip方法[10]對(duì)實(shí)測(cè)降水頭數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得到各點(diǎn)的飽和滲透系數(shù)。

圖1 單環(huán)入滲實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分布Fig.1 The distribution of single-ring infiltration experiment points

2 結(jié)果與討論

表1給出了各點(diǎn)的土壤質(zhì)地、初始和飽和含水量、入滲歷時(shí)以及計(jì)算出的滲透系數(shù)等。從表1中可以看出，沿河道各點(diǎn)的土壤質(zhì)地以砂壤土、粉壤土為主。各點(diǎn)土壤飽和含水量的均值約為52%，初始土壤均較為濕潤(rùn)且接近田間持水量水平，這表明土壤容易飽和且產(chǎn)生自由水流。計(jì)算結(jié)果顯示，自然山坡的土壤垂向飽和滲透系數(shù)介于3.1～204.7 cm/h之間，均值為43.0 cm/h。顯然，這些點(diǎn)的干密度值要遠(yuǎn)小于農(nóng)田土壤的對(duì)應(yīng)值，而其滲透系數(shù)值則要遠(yuǎn)大于的農(nóng)田土壤的相關(guān)值，同時(shí)表明超滲產(chǎn)流較難產(chǎn)生。造成這一現(xiàn)象的原因較多，例如山坡土壤的礫石含量較多，土質(zhì)疏松，或者土壤中根系、蟲(chóng)洞較多，造成土壤的密度較低，滲透性高的特點(diǎn)。以實(shí)驗(yàn)點(diǎn)1點(diǎn)處為例，該點(diǎn)的土壤滲透系數(shù)最大，高達(dá)204.7 cm/h，這主要是由于該處土層下方礫石較多，土壤較為松散。特別地，在6號(hào)點(diǎn)，我們?cè)诳盏?6a)和竹根(6b)上分別進(jìn)行了2次滲透實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明竹根一定程度提供了土壤水快速滲透的通道，從而增大了水流的滲透性。

表1 和睦橋入滲實(shí)驗(yàn)樣點(diǎn)分析計(jì)算成果Tab.1 Analysis and calculation results of the experimental sample points of hemuqiao

以上分析表明，影響土壤滲透性的因素眾多，土壤的物理性質(zhì)及生物因子均起到重要作用。因此，為深入的揭示土壤的滲透性與其內(nèi)在的快速流路徑及土壤物理性質(zhì)的關(guān)系，我們選取4個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)(表1中2、3、4和9號(hào)點(diǎn))進(jìn)行了土壤的染色入滲實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)所在點(diǎn)開(kāi)挖土壤剖面，觀測(cè)染色分布面積及其比重等信息。所選實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的土壤厚度較薄，控制在80 cm內(nèi)，且位于山坡邊緣，這樣便于開(kāi)挖。從圖2可以看出，2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)點(diǎn)的剖面染色圖案之間具有明顯的相似性，然而不同剖面之間又存在一定程度的變異性。2號(hào)和4號(hào)點(diǎn)土壤粒徑分布類(lèi)似，均為粉壤土，水流是相對(duì)均勻的入滲，濕潤(rùn)鋒基本一致。對(duì)比2號(hào)和4號(hào)點(diǎn)土壤質(zhì)地和染色圖案，可發(fā)現(xiàn)2號(hào)點(diǎn)染色百分比曲線局限于土壤剖面上部且較為規(guī)則，染色面積在30 cm剖面以下隨著深度的增加迅速減小，而4號(hào)點(diǎn)的曲線則向剖面下層延伸。分析顯示，兩點(diǎn)的土壤質(zhì)地差異并不大，且兩點(diǎn)具有相同的植被覆蓋。造成這種差異的主要原因可能在于，4號(hào)點(diǎn)土壤初始含水量要遠(yuǎn)高于2號(hào)點(diǎn)的含水量值，因此扣除土壤基質(zhì)吸收水分后，4號(hào)點(diǎn)可以有更多的自由水分參與入滲。

圖2 不同試驗(yàn)點(diǎn)土壤染色剖面圖案及染色百分比曲線Fig.2 Staining profiles and percentage curves of soil at different test points

通過(guò)對(duì)比3號(hào)和2、4、9號(hào)的染色圖案及其在剖面不同深度的染色百分比曲線，可以看出后者染色比例在剖面上的分布總體上還是在衰減的，而3號(hào)的染色分布與其他點(diǎn)位是不同的，表現(xiàn)為跳躍式的入滲過(guò)程。顯然，3號(hào)點(diǎn)的土體內(nèi)部必然存在著快速通道，直接將上部的飽和水流引導(dǎo)至深部土壤。亮藍(lán)試劑在9號(hào)試點(diǎn)剖面中基本是均勻遷移的，染色部分較為規(guī)則，染色鋒線基本一致，其最大染色深度只有28 cm左右。造成這種差異的原因在于，3號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)土壤質(zhì)地較粗，含砂性較高，土壤本身孔隙較大，加之試驗(yàn)點(diǎn)附近毛竹茂密，土壤中有大量的竹根，增加了土壤的非均質(zhì)性，亮藍(lán)溶液更易優(yōu)先通過(guò)土壤中的大孔隙進(jìn)行遷移。因此，在土壤剖面上，亮藍(lán)染色的部分面積多呈現(xiàn)為連續(xù)或不連續(xù)的分支結(jié)構(gòu)，而非從土壤表面開(kāi)始均勻地平移染色。在9號(hào)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，其土體的粉粒較多，結(jié)構(gòu)相對(duì)均一，而且試驗(yàn)點(diǎn)附近植被稀少，因此亮藍(lán)染色面積分布相對(duì)較為均勻。在圖2中可以看出，圖2(a)、2(b)和2(c)中的染色部分均有細(xì)小的樹(shù)枝狀的亮線，這些亮紋實(shí)際為竹根，在染色入滲過(guò)程中為水流提供了快速通道。特別地，在圖2(b)中我們發(fā)現(xiàn)在深部方向20～50 cm、剖面寬度方向10～20 cm間存在一個(gè)較粗的亮線，可以推斷出此條粗“亮線”(竹根)是引起剖面不規(guī)則染色的重要原因。

以上分析了山坡土壤入滲在垂向上的分布規(guī)律，為了進(jìn)一步揭示入滲路徑的規(guī)律，我們還分析其在側(cè)向上的染色百分比曲線。研究中，選取2號(hào)點(diǎn)為研究對(duì)象，2號(hào)點(diǎn)剖面上礫石含量相對(duì)較低，且無(wú)粗大的竹根，便于連續(xù)開(kāi)挖。在開(kāi)挖土壤染色剖面時(shí)，按距離單環(huán)邊緣切線由遠(yuǎn)逐近的方式每隔5 cm開(kāi)挖一個(gè)剖面并進(jìn)行拍照和圖像解譯。因此，在距離單環(huán)邊緣切線10 cm處至單環(huán)邊緣的范圍內(nèi)，共開(kāi)挖了3個(gè)剖面，分別對(duì)這3剖面進(jìn)行解譯，得到染色百分比曲線分布圖(圖3)。分析顯示，染色部分占剖面面積的比重有隨其距單環(huán)邊緣距離的遠(yuǎn)近而變化的趨勢(shì)，在遠(yuǎn)端(10 cm)，染色面積比重低于2%，而在單元邊緣附近(5、0 cm)，染色面積顯著增大，染色面積比重亦不超過(guò)20%。這表明，在植被較好且土壤疏松的山丘區(qū)，土壤初期入滲以垂向?yàn)橹鳎@時(shí)土壤中根系、蟲(chóng)洞等造成的大孔隙為少量側(cè)向徑流提供了通道。

圖3 不同試驗(yàn)點(diǎn)土壤染色剖面圖案及染色百分比曲線Fig.3 Staining profiles and percentage curves of soil at different test points

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以濕潤(rùn)地區(qū)的典型流域----和睦橋?qū)嶒?yàn)流域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)10余點(diǎn)位的入滲實(shí)驗(yàn)揭示了山坡土壤入滲速率及路徑的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，和睦橋小流域土壤中由根系、蟲(chóng)洞及礫石造成的大孔隙和優(yōu)勢(shì)流現(xiàn)象在河道附近的山坡中是存在的。由于廣泛存在著優(yōu)勢(shì)流現(xiàn)象，導(dǎo)致土壤滲透性巨大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)觀測(cè)的降雨強(qiáng)度，因此從田間證實(shí)了該流域坡面徑流的產(chǎn)生以蓄滿產(chǎn)流方式為主。具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

(1)在短時(shí)間內(nèi)(t<600 s)，染色劑在剖面所占比重超過(guò)40%，表明土壤中由根系、蟲(chóng)洞及礫石造成的快速流的通道廣泛存在；

(2)山坡土壤干密度介于1.02～1.18 g/cm3，均值1.08 g/cm3，遠(yuǎn)低于農(nóng)田土壤的相關(guān)數(shù)值；

(3)山坡土壤飽和導(dǎo)水率(3.1～204.7 cm/h，均值43.0 cm/h)遠(yuǎn)高于農(nóng)田土壤的相關(guān)數(shù)值，超滲產(chǎn)流較難發(fā)生；

(4)在到達(dá)不透水層之前，山坡土壤入滲以垂向運(yùn)動(dòng)為主，部分側(cè)向的水流主要由大孔隙引發(fā)。

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[1] 趙人俊, 莊一鸰.降雨徑流關(guān)系的區(qū)域規(guī)律[J], 華東水利學(xué)院學(xué)報(bào), 1963,(S2):53-68.

[2] Kirkby M. Hillslope runoff processes and models [J]. J. Hydrol., 1988,100(S1-3):315-339.

[3] 劉金濤, 宋慧卿, 張行南,等. 新安江模型理論研究的進(jìn)展與探討[J]. 水文, 2014,34(1):1-5.

[4] McDonnell J J, K Beven. Debates-The future of hydrological sciences: A (common) path forward? A call to action aimed at understanding velocities, celerities, and residence time distributions of the headwater hydrograph[J]. Water Resour. Res., 2014,50(6):5 342-5 350.

[5] McMillan H, D Tetzlaff, M Clark, et al. Do time-variable tracers aid the evaluation of hydrological model structure? A multimodel approach[J]. Water Resour. Res., 2012,48(5):2 109-2 121.

[6] 瞿思敏, 包為民, J J McDonnell, 等. 同位素示蹤劑在流域水文模擬中的應(yīng)用[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2008,19(4):587-596.

[7] 薦圣淇, 趙傳燕, 彭煥華, 等. 利用染色示蹤與圖像處理術(shù)研究根系對(duì)土壤大孔隙的影響[J]. 蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版), 2011,47(5):62-66.

[8] 王 康, 張仁鐸, 王富慶,等. 土壤水分運(yùn)動(dòng)空間變異性尺度效應(yīng)的染色示蹤入滲試驗(yàn)研究[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2007,18(2):158-163.

[9] Flury M, Flühler H, Jury W A, et al. Susceptibility of soils to preferential flow of water: a field study[J]. Water Resources Research, 1994,30(7):1 945-1 954.

[10] 程勤波, 陳 喜, 凌敏華, 等. 變水頭入滲試驗(yàn)推求垂向滲透系數(shù)的計(jì)算方法[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2010,21(1):50-55.