大孔隙分布对坡地产汇流及溶质运移的影响

张小娜，冯 杰

（1.南京信息工程大学 水文气象学院，江苏 南京210044；2.中国水利水电科学研究院 水资源研究所，北京100044）

由于土壤的收缩和膨胀，土壤中可溶性物质的溶解，冻融的循环交替以及耕种等物理过程以及蚯蚓和啮齿动物活动，植物根系的生长等生物过程的作用导致土壤中普遍存在大孔隙［1－2］。土壤大孔隙的存在，使得进入土壤中的水及溶质绕过大部分土壤基质，经过大孔隙快速达到土壤深处或地下水中。土壤水分及其溶质通过土壤大孔隙的快速非均匀流，称为大孔隙流。大孔隙及大孔隙流的存在，增加了土壤的通气性，改变了坡地径流的形成过程和不同径流成分的比例，从而对坡地产汇流产生影响［3－4］。工业和生活“三废”若不合理弃置，将有可能进入土壤中，经过大孔隙污染地下水。因此开展土壤大孔隙及影响研究有助于判断合理的废物处置方法，防止造成地下水污染，危害人类健康［5－6］。鉴于试验和理论条件限制，我国对大孔隙的及其影响研究起步较晚，虽在土壤大孔隙结构、大孔隙流的特征、土壤大孔隙对坡地产汇流及溶质运移的影响、土壤大孔隙对饱和水力传导度的影响、土壤大孔隙对坡面水动力学参数等方面有一定的研究［7－15］，但尚且还不够深入，有待进一步研究。譬如大孔隙分布对坡地产汇流和溶质运移影响方面的研究还鲜有报道。因此，本文拟通过室内土槽人工降雨试验，分析两种大孔隙分布条件下坡地产汇流和溶质运移的过程。

1 材料和方法

1.1 土样分析

试验土样取自南京郊区栖霞区东阳镇，为准确模拟田间的实际状况，采用分层法取土。采用吸管法测土样中的黏粒、粉粒和砂粒的组成得出土壤颗粒级配（表1）。按照美国农业部制的土壤质地三级分类法，该试验土样属于粉砂壤土。

表1 土壤颗粒级配

1.2 试验土槽

试验在河海大学水文水资源与水利工程国家重点实验室降雨试验大厅内进行，试验土槽规格详见表2，土槽采用分层法填土。在填土过程中，分别在距槽底10，30，50cm深处，距离坡脚50，95和135cm处埋入了频域反射测量仪（frequency domain reflectometry，FDR）探头（共9个）测定土壤含水量。土槽开设了地表出流和地下径流的出口，其位置分别在土槽西壁中间位置处距土槽底60cm处，距土槽底0cm处。

1.3 试验方法

地面径流采用三角堰测量法，地下径流采用称重法测流，土壤容积含水量由FDR测量，坡面流速的测定采用示踪法，水样中的Br－，NH＋4和NO－3浓度，测量采用的方法分别为电极法、纳氏试剂光度法和酚二黄酸光度法。

降雨前，由FDR先测知土槽中土壤各层容积含水量。然后将14.88g KBr，7.334g（NH4）2SO4共同溶解于水中，配制成2 000ml溶液，降雨前均匀洒入土槽中。降雨采用人工模拟降雨，在2007年9月15日和2007年10月6日分别对该土槽进行降雨试验，且两次降雨试验前，土槽中土壤各层容积含水量和土壤中溶质浓度相差较小。两次降雨过程相同，历时90min，降雨累计量为223mm，且两次降雨试验过程中土槽中均设置有人工大孔隙，大孔隙孔径均为8mm。人工大孔隙的制作方法是用直径为8mm，带有深度刻度的不锈钢杆小心插入已经设定好的位置。插入到设定深度再小心拔出。不同之处在于，两次降雨前，土槽的人造大孔隙密度不同。2007年10月6日的试验是在对2007年9月15日土壤中大孔隙加密的基础上进行的。

表2 试验土槽规格

2 结果与分析

为了方便起见，将大孔隙未加密型土槽记为槽1，把大孔隙加密型土槽记为槽2。计算可知，槽1的坡面面大孔隙度为19%，槽2的坡面面大孔隙度为57%；槽1的容积大孔隙度为0.095%，槽2的容积大孔隙度为0.285%。所有图的时间均以降雨开始时刻为零时刻。

2.1 土壤容积含水量

研究发现，大孔隙的加密，改变了土壤的空间结构，直接影响着土壤水分运动的特征，其中主要表现在以下两个方面：（1）土壤各层含水量的增加幅度相对偏小。表3列出了两槽中各层土壤含水量具体增加的幅度值；（2）降雨期间，各层土壤受降雨影响快慢的先后次序发生改变，其中下层土壤受影响的速度加快。以编号为1，2，3的FDR探头所埋深的剖面处各层土壤含水量为例，研究两槽在降雨期间的土壤含水量变化，研究结果发现，槽1各层土壤受降雨影响快慢的先后次序为：上层＞中层＞下层，其中土壤含水量开始发生明显变化的时刻分别为18，60，92min，而槽2中的先后顺序则为：上层＞下层＞中层，明显变化的时刻分别为30，66，153min。说明大孔隙的加密，使得通过大孔隙优先运移到土壤下层的水量相应增大，与土壤基质相互作用的降水相应减少且使得大孔隙流穿透过程中机械弥散和分子扩散的作用相对减弱，非平衡管道流的支配的地位相对增强，较多的水流沿土壤大孔隙形成的管道迅速穿透水体，出现优先穿透。

表3 各层土壤容积含水量幅度变化

2.2 坡面流速

两槽的坡面流速过程如图1所示。从图1可以看出，两槽流速变化形状基本相似，随时间呈波状分布且降雨前期的变化幅度都较后期的变化幅度大，但计算得到，整个降雨过程中，槽1的坡面平均流速较槽2大，其流速值分别为6.75和6.13cm／s。两者相差0.62cm／s。槽1平均坡面流速大于槽2是因为一方面降雨首先填满大孔隙，槽2中的孔隙度较大，导致槽2的地面径流量相对较小，在相同的过水面积下，导致流速偏小［9］；另一方面，大孔隙加密导致槽2局部坡度突变，糙率增大，致使流速减小。

图1 试验土槽坡面流速变化

2.3 出流过程

2.3.1 地面径流过程 两试验土槽的地面径流过程如图2所示。从图2可看出，槽1略早于槽2产生地面径流且槽1的地面径流总量大于槽2的地面径流量。降雨历时52min前，两槽的地面径流过程相差较大，槽2地面径流流量明显小于槽1。但降雨历时52min后，两者的地面径流过程几乎重合。原因是降雨历时52min之前，槽2中存在大孔隙较多，所以降落的雨水被大孔隙拦蓄的量相应较多，所以降雨初期，槽2的地面汇流量要小于槽1。降雨历时52min后，可能槽1和槽2土壤大孔隙中蓄水量已达到最大，降落的雨水在两槽中的下渗量相差不大，所以地面径流过程几乎重合。

2.3.2 地下径流过程 以降雨开始时刻为零时刻，槽1在125.17min观测到地下径流，槽2在109.6min观测到地下径流。槽1的地下径流总量为0.117 2m3，占降雨总量的11.021%。槽2地下径流量为0.226 9m3，占降雨总量的19.16%，两槽的地下径流过程如图3所示。由图3可以看出，相对槽1，槽2地下水出流总量较大且峰现时刻较早。其中槽2的出流量是槽1的1.936倍。这说明大孔隙加密型土槽的地下水的响应速度较快。大孔隙加密型土槽中孔隙度大，孔隙度的增大增加了降雨的入渗量。

图2 试验土槽坡面径流过程

图3 试验土槽地下径流过程

2.4 溶质运移

2.4.1 溴离子 溴离子为非吸附性离子即保守离子，在土槽中仅作迁移运动，不发生吸附和转化。采用非吸附性离子的主要目的是用来标记土壤大孔隙流产生的过程及其水分运动的规律。从图4中可以看出：（1）在地面径流中，两槽的溴离子浓度总体变化趋势一致即离子浓度随时间逐渐减小，不同点是降雨前期，槽1地面径流中的溴离子浓度高于槽2地面径流的离子浓度，且两者浓度差值随时间逐渐减少；（2）在地下径流初期，槽2的离子浓度明显大于槽1，但两者差值随着时间逐渐减少。地下径流后期，两者的离子浓度相差不大。这是由于槽2存在较多的大孔隙快速通道，相对槽1来说较多的溴离子在水流的携带下快速穿透土体运移至土壤底层，所以导致地下水出流中溴离子浓度较高，地面径流中的溴离子浓度偏低。

图4 试验土槽坡面溴离子浓度变化

2.4.2 铵根离子和硝酸根离子浓度变化 与溴离子不同，铵根离子在土壤中迁移转化非常复杂，土壤对铵根离子的吸附性很强，铵根离子的转化性亦很强。从图5可知，槽1地面径流中的铵根离子浓度明显高于槽2地面径流中，但两者整体上都呈现递减趋势；槽1地下径流中的铵根离子浓度在出流前期偏高，其值在34～25mg／L之间，地下水出流80min后，浓度降至3mg／L以下，而槽2地下径流中的铵根离子浓度变化不大，在0～6.9mg／L之间。这是由于槽2中大孔隙加密使得土壤中孔隙密度增大，土壤空气中含氧量增大，铵根离子硝化作用增强，较多铵根离子在运移到地下中已被转换成亚硝酸根离子或硝酸根离子，所以在地下水出流中，槽2的铵根离子浓度偏低。同时由于槽2中大孔隙加密使得较多的铵根离子可以通过大孔隙快速通道运移到地下中，使得槽2中地面径流中铵根离子浓度偏低。

图5 铵根离子浓度变化曲线

比较图5和图6，地下径流中，硝酸根离子的浓度远高于铵根离子浓度。槽1地下径流中的硝酸根离子和铵根离子的最大值分别为476.6和33.6mg／L，槽2的分别为328.45和6.91mg／L。说明铵根离子在土槽很难迁移，很快就发生吸附和转化。在降雨过程中，槽1地面径流中硝酸根离子浓度高于槽2地面径流中的离子浓度。原因是在人工降雨作用下，降雨前期施放在土壤表层大孔隙周围的（NH4）2SO4会被水体携带直接通过大孔隙快速向土壤中迁移，大孔隙加密型土槽中溶质下渗量大，所以槽1地表出流中所含的 （NH4）2SO4相对较多，在好氧条件下，转化为硝酸根离子的相应也较多。地下水出流前期，槽2地下径流中的硝酸根离子浓度较槽1大，但前者的离子浓度随时间逐渐减小，后者则随时间呈现逐渐增大的趋势，地下水出流后期槽1地下径流中的硝酸根离子浓度较槽2大。这是由于：（1）槽2中大孔隙的加密，使土壤中孔隙度增大，地下水出流前期较多的（NH4）2SO4绕过土壤基质，沿着这些大孔隙快速运移至地下；（2）槽2深层土壤中存在较多的通气大孔隙，氧气量较多，易于硝化作用的发生；（3）大孔隙的加密，使槽2水分蓄量较大，土壤含水量增大，土壤含水量的增大会导致反硝化作用增强。所以地下水出流前期，槽2地下径流中由（NH4）2SO4消化作用形成的硝酸根离子浓度较大，出流后期浓度较小。

3 结论

（1）降雨期间，土壤中大孔隙密度的增加，改变了各层土壤含水量受降雨影响的快慢的先后次序，其中下层土壤受影响的速度加快。且土壤中大孔隙的加密，使各层的土壤含水量增加幅度相对偏小。

（2）两槽的坡面流速变化形状基本相似，随时间呈波状分布且降雨前期的变化幅度都较后期的变化幅度大。但整个降雨过程中，大孔隙未加密型土槽的坡面平均流速是大孔隙加密型土槽的1.1倍。

图6 试验土槽坡面硝酸根离子浓度变化

（3）降雨历时52min前，两槽的地面径流过程相差较大，大孔隙加密型土槽的地面径流流量明显大于大孔隙未加密型土槽。但降雨历时52min后，两者的地面径流过程几乎重合。大孔隙加密型土槽的地下水出流时间早于大孔隙未加密型地面水出流时间且出流总量是其1.94倍。

（4）相对于大孔隙未加密型土槽，在地面径流中，大孔隙加密型土槽中溴离子浓度、铵根离子浓度和硝酸根离子浓度都普遍偏小；在地下径流前期，大孔隙加密型土槽中的铵根离子浓度偏小且变化幅度较小，但溴离子浓度、硝酸根离子浓度偏大。

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