韓春苗，甘永德，賈仰文，陳 喜，蘇輝東，劉 歡

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2. 中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038； 3. 青海大學省部共建三江源生態(tài)與高原農牧業(yè)國家重點實驗室，青海 西寧 810016；4.北京市水文總站，北京 100058)

0 引 言

土壤水分特征曲線(the water retention curve)是用于表征土壤含水量和土壤基質勢之間關系的曲線[1,2]，是研究多孔介質非飽和帶土壤水分運動的關鍵參數(shù)[3-5]，其能否被準確描述將直接影響到土壤水分運動數(shù)值模型的模擬精度[6]，一直是土壤科學研究中的一個熱點。土壤水分特征曲線會受到土壤質地、孔隙狀況、土壤容重、溫度、土壤的濕脹干縮特性、應力狀態(tài)等因素的影響[7-9]。但是這些因素之間關系復雜，是高度非線性的函數(shù)，很難從理論上分析推求土壤基質勢與土壤含水量之間的關系[10]。土壤水分特征曲線測定的方法主要有張力計法、壓力膜法、離心機法、平衡水汽壓法等[11]，但是這些方法的測量都費時費力，而且土壤本身的時空異質性也導致了測量結果具有很大的不確定性[12]。因此常采用可替代的經驗模型來估計這一土壤水力性質。而在眾多的經驗模型中，VG(van Genuchten)模型[13]是常用的水分特征曲線擬合模型，常被用來擬合土壤水分能量與數(shù)量間的關系[14-18]。但該模型多被應用于均質土壤，對于土石混合介質時，其適用性尚待驗證。

土石山區(qū)土壤中含有大量碎石，即土石混合介質。土石混合介質中的碎石改變了土壤的持水性、導水性和水分有效性[19]。土石混合介質中碎石性質對土壤水分特征曲線的影響因碎石類型、碎石性質、含量比等不同而不同[20]。Montagne[21]等利用壓力膜和壓力板測定了含碎石土壤的持水能力。在低吸力時，粉砂巖吸持的水分比細土少，而高吸力時，粉砂巖吸持的水分比細土要多。Hanson等[22]研究表明碎石粒徑和碎石種類對水分特征曲線的影響不同。馬東豪[23]以鈣結石為研究對象，發(fā)現(xiàn)碎石含量對土石混合介質水分特征曲線的影響較小，同吸力下，細土的持水性隨碎石含量的增加而增加；同碎石含量下，影響土石混合介質的主要因素是碎石粒徑的大小而不是碎石的水力特性。

然而，以往研究中，因取樣的空間變異性及碎石含量﹑物理性質的差異，導致對碎石性質的研究結果并不一致，甚至相互矛盾[24,25]。另外，這些研究常忽略了某些碎石具有一定的透水性和持水性，如本研究中的片麻巖具有一定的透水性和持水性，而石灰?guī)r不具有或很小。這些性質對土壤水分特征曲線的影響的區(qū)別如何，還未展開研究。綜上所述，土石混合介質中碎石的存在極大地改變了土壤基本物理性質，導致其持水性異于均質土壤，土壤水分特征曲線因碎石性質、含量等不同而不同，需要深入研究。基于以往研究不足，本文采用高速離心機，測定了兩種不同巖性碎石(片麻巖和石灰?guī)r)分別在碎石質量比例為0%、10%、20%、30%、40%條件下的土壤水分特征曲線，并運用了RETC軟件的VG模型對土壤水分特征曲線進行了擬合分析，檢驗了模型的適用性，以及參數(shù)穩(wěn)定性。在此基礎上以飽和含水量為土壤關鍵參數(shù)，系統(tǒng)探討了碎石的巖性、含量對土壤持水性的影響。相關研究有助于豐富土石混合介質水分運動理論基礎，并提高土石山區(qū)土壤水分運動模擬精度。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

試驗所用土石混合介質取自我國華北地區(qū)典型的土石山區(qū)的崇陵小流域。崇陵小流域位于河北省保定市易縣境內，屬于北易水的二級支流，流域面積6 km2，海拔85～300 m之間，為一閉合流域。地勢西北高，東南低，地形起伏度不大。流域屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫11.9 ℃，1月份平均氣溫-4.8 ℃，7月份平均氣溫26.2 ℃，多年平均年降水量約641.2 mm。流域巖石主要由片麻巖和石灰?guī)r組成，山丘主要由片麻巖組成，坡度為10°～25°。山嶺主要由石灰?guī)r組成，坡度多在 25°以上。流域內土壤以沙壤土為主，土層厚1～2 m。該流域植被、地形地貌和土壤等自然條件是我國華北土石山區(qū)低山丘陵帶的典型代表。受自然、人類活動等因素影響，土壤內含有碎石，碎石比例0～100%均有分布。

1.2 試驗材料

在試驗區(qū)域采集土石混合介質土樣，包括片麻巖土石混合介質和石灰?guī)r土石混合介質。其中，該地區(qū)片麻巖石質松軟，具有一定導水性和持水性，而石灰?guī)r石質堅硬，其導水性和持水性可忽略不計。取得土樣后，在室內進行風干，剔除樹根等雜質后，過篩(2 mm)，將土壤和碎石分開。將分開的碎石進一步過篩，將較大的碎石(>15 mm)剔除(因離心機所用離心環(huán)較小，很難容納較大粒徑的碎石)。隨后，將得到的碎石進行水洗、風干后，測定其基本物理性質。將分開的土壤風干、過篩(2 mm)后測定土壤基本物理性質，分開后的土壤分別標記為GS(片麻巖對應土壤)和LS(石灰?guī)r對應土壤)。試驗采用烘干法測定其初始質量含水量，采用稱重法測定其干容重，采用定水頭法測定飽和導水率，采用環(huán)刀法測定土壤飽和體積含水量，采用吸管法測定土樣的顆粒組成。分開后的土壤基本物理性質見表1，分開后的碎石基本物理性質見表2。每個樣品測定重復三次。碎石粒徑組成采用篩分法測定，其容重采用排水體積法測定。為了測定片麻巖純石頭時的水分特征參數(shù)，試驗直接采用離心機專用環(huán)刀取得原狀石頭，然后帶回實驗室測定水分特征參數(shù)。

表1 裝填土壤基本物理性質

表2 試驗碎石的物理性質

1.3 試驗設計與水分特征曲線計算方法

根據(jù)土壤剖面調查，考慮設定碎石含量從0.0%到100%變化，但由于碎石質量比例超過50%后，人工已很難將土石均勻混合。因此，試驗設定五個碎石質量比例(Rv，碎石占總質量的比例)，分別為0.0%、10.0%、20.0%、30.0%、40.0%，將片麻巖和石灰石碎石與土壤按照上述5種比例進行均勻混合，形成含有小粒徑碎石的均勻孔隙介質。測得上述5種比例下片麻巖土石混合介質的密度分別為1.40、1.44、1.48、1.52和1.57 g/cm3(質量比自小到大)；石灰?guī)r土石混合介質密度分別為1.40、1.46、1.54、1.63和1.72 g/cm3(質量比自小到大)；純片麻巖密度為1.91 g/cm3。采用離心機測定土樣脫水過程的持水特性，設置12個不同轉速(分別為310、980、1 386、1 961、2 405、2 774、3 101、4 385、6 202、7 596、8 771、9 806 r/min)，離心時間均為90 min，記錄設定吸力下的土壤質量含水量，進而計算不同吸力下的土壤體積含水量，得到片麻巖和石灰?guī)r不同土石比下的水分特征曲線。每個土樣做3次重復實驗。根據(jù)觀測的土石介質脫水階段水分數(shù)據(jù)繪制水分特征曲線，并用RETC軟件的VG模型進行擬合(圖1)，擬合設定4個參數(shù)，并且嘗試了幾個不同的可調參數(shù)初始值組合，以達到全局最優(yōu)。

VG模型[13]是van Genuchten于1980年在Mualem等的模型基礎上提出的土壤水分特征曲線模型:

(1)

式中：θ為土壤含水量；θr為土壤殘余含水量；θs為土壤飽和含水量；h為土壤水吸力；α、n和m為土壤水分特征曲線參數(shù)；m=1-1/n。

圖1 RETC操作界面(輸入：實測土壤水吸力h(Pressure)，實測土壤含水量θ(Thata)；輸出：θr、θs、α和n)

2 結果分析

2.1 不同土石混合比例對土壤含水量的影響

不同碎石含量比對水分特征曲線的影響結果如圖1所示。可以看出，隨著土壤含水量逐漸減小，土壤水吸力的增大。為便于分析土石混合介質碎石性質對水分特征曲線的影響，將土壤水吸力低于100 kPa作為低吸力段和中高吸力端的分界點[10]。在低吸力段，土壤水分主要由大孔隙保持，吸力增加，脫水迅速，曲線陡直；在高吸力階段，土壤水分由小孔隙保持，脫水過程緩慢，曲線平緩。對于兩種碎石處理，相同土壤水吸力條件下，隨著碎石質量比的增大，土壤含水量均逐漸減小。出現(xiàn)這種情況的原因可能是，石灰?guī)r和片麻巖碎石持水能力均小于細土，細土中碎石含量的增加，碎石占據(jù)細土內的孔隙量也隨之增加，導致了土石混合介質整體保水能力降低。上述研究成果與邵明安等[20]得出的結果略有差別，原因可能在其所用的細土和鈣結石理化性質與本實驗所用細土和碎石差別較大。為了量化碎石對土壤曲線的影響，以純土(Rv=0.0%)為對照。在低吸力段，相同土壤水吸力，當碎石比(Rv)分別為10.0%、20.0%、30.0%、40.0%時，片麻巖含水量分別相對低-7.72%、-14.84%、-23.15%、-26.76%，石灰?guī)r含水量分別相對低-12.75%、-19.37%、-24.60%、-30.19%。在高吸力段，相同土壤水吸力，當碎石比(Rv)分別為10.0%、20.0%、30.0%、40.0%時，片麻巖土壤含水量分別相對低-7.80%、-14.17%、-23.04%、-26.99%，石灰?guī)r含水量分別相對低-18.22%、-22.48%、-27.43%。這說明土壤含水量隨碎石的增大而減小，但平均減小幅度小于碎石比例。這一現(xiàn)象的可能解釋是，碎石代替了細土的大小孔隙，但碎石與細土間可能又產生了新的大小孔隙，因此碎石產生的部分效應被新產生的孔隙代替。就不同碎石處理而言，相對于細土，低吸力階段含石灰?guī)r碎石土壤含水量平均降低幅度為-21.73%，小于高吸力階段的-19.96%；片麻巖差別不大，分別為-18.12%和-18.00%。這說明土石混合介質持水能力隨碎石含量的增大而降低，其中含片麻巖碎石土石混合介質的降幅小于石灰?guī)r。原因在于相對于石灰?guī)r，片麻巖具有相對較大的持水性和導水性。相對于含石灰?guī)r碎石的土石混合介質，相同土壤水吸力條件下，含片麻巖碎石的土石混合介質，不僅細土持有一定含水量，碎石也持有一定含水量。

2.2 模型參數(shù)估計及評價分析

2.2.1 VG模型參數(shù)估計

采用RECT軟件的VG模型擬合了片麻巖和石灰?guī)r不同碎石比處理的土壤水分特征曲線擬合誤差比較分析，結果見表2?？梢钥闯?，VG可以較好地擬合土石混合介質不同碎石比水分特征曲線，確定性系數(shù)R2均大于0.998，這說明VG模型描述土石混合介質水分特征曲線是合理的。此外，不同碎石處理間，土壤參與含水量滯留含水量(θr)相差不大，飽和含水量(θs)、α和n值都比無碎石土壤小，這與邵明安等[20]得到的結果相同。

圖2 不同碎石處理條件下土石混合介質水分特征曲線模擬

碎石種類碎石比例/%θrθsαnR2片麻巖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?guī)r00.0520.4340.0581.232 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是土壤進氣值的倒數(shù)，說明含碎石土壤進氣吸力比無碎石土壤大。n值反映水分特征曲線陡峭程度，n值越大，曲線越陡峭，說明含碎石土壤水分特征曲線比無碎石土壤曲線平緩。

2.2.2 飽和含水量與碎石比與參數(shù)關系

土石混合介質中土壤飽和含水量隨碎石質量比的變化關系見圖2。可以看出，土壤飽和含水量隨碎石比例的增大而減小。相同碎石比例下，土壤飽和含水量相對于純土(Rv=0%)，片麻巖持水量平均降低比例分別為-7.59%(Rv=10.0%)、-16.59%(Rv=20.0%)、-23.98%(Rv=30.0%)和-28.30(Rv=40.0%)；石灰?guī)r持水量平均降低比例分別為-13.94%(Rv=10.0%)、-21.48%(Rv=20.0%)、-30.33%(Rv=30.0%)和-34.58(Rv=40.0%)，這一結果說明土壤持水能力隨碎石含量的增大而降低，但含片麻巖碎石土石混合介質降幅小于石灰?guī)r。

土石混合介質中碎石的存在改變了土壤基本物理性質，導致土壤含水量隨碎石質量含量變化成指數(shù)函數(shù)變化[20]，則含石灰?guī)r碎石土壤飽和含水量與碎石質量比例關系采用下式計算：

θ=θsoileb Rv

(4)

由于片麻巖可以持有一定含水量，因此含片麻巖碎石土壤含水量包括細土持有的水量和碎石持有的水量，其含水量是兩者的加權之和，即：

θ=θsoilec Rv+θrocke(1-Rv)+d

(5)

式中：θsoil為細土含水量，采用土石混合介質(Rv=0.0%)時對應飽和含水量；θrock為純碎石含水量，采用片麻巖土石混合介質(Rv=100.0%)時的飽和含水量。b、c、d為參數(shù)，本文分別取-1.160、0.498和-0.645。

土石混合介質中不同碎石比條件下的飽和含水量計算值與實測值間誤差見表3，可以看出，計算值與實測值間決定系數(shù)R2均大于0.970；均方根誤差RMSE均小于0.010。這說明由于片麻巖具有持水性和導水性，含片麻巖土石混合介質飽和含水量不僅與土壤比例有關，也與碎石比例有關，而石灰?guī)r處理只與土壤比例有關。

表3 土壤飽和含水量擬合值與實測值間誤差統(tǒng)計表

圖3 土壤水分特征曲線模型的飽和含水量參數(shù)與碎石比例之間關系

3 結 論

本文以土石混合介質碎石性質對水分特征曲線影響為研究對象，測定了兩種不同巖性碎石(片麻巖和石灰?guī)r)分別在不同碎石質量比例條件下的土壤水分特征曲線，并應用VG(van Genuchten)模型對土壤水分特征曲線進行了擬合分析，得到以下主要結論：

(1)土壤水分特征曲線隨碎石含量的變化而變化，且變化方式與碎石性質有關，具體表現(xiàn)為不同土石比的土石介質的土壤水分曲線隨著土石比Rv增大(相同土壤吸力下)，土壤含水率減小。

(2)相同土壤水吸力，相同碎石比例條件下，含片麻巖碎石土壤含水量降低比例小于石灰?guī)r。

(3)VG模型可以擬合土石混合介質水分特征曲線，但模型參數(shù)隨碎石含量的變化而變化，模型參數(shù)不穩(wěn)定。

(4)含石灰?guī)r碎石的土石混合介質的土壤飽和含水量參數(shù)只與土壤所占比例有關，但含片麻巖碎石土石混合介質的土壤飽和含水量與土壤和碎石各自所占比例均有關。

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