影响山坡土壤入渗速率及路径的染色示踪研究

刘金涛，张文平，宋慧卿，韩小乐

(1.河海大学水文水资源学院，南京 210098；2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098)

0 引 言

在湿润山丘区，通常认为土壤较薄且上覆于基岩不透水层之上，土壤水力渗透性良好，其降雨径流以蓄满产流为主，侧向壤中流是其主要径流成分[1,2]。早期，在此认识基础上，经过理论解析、过程概化发展起来的水文模型，如新安江模型仍然是实际应用最为广泛的水文模型之一[3]。然而，传统水文模型仅关注流域出口的过程，往往采用集总的蓄泄关系式表达产流过程，而忽视对中间过程的概化，显然此类模型不足以揭示和反映水文过程的本质。因此，为概化出合理的、有物理基础的模型框架结构，有必要深入揭示山坡土壤水分运动的路径及过程。示踪技术近年来被广泛应用于水源划分、水流路径识别等领域，示踪得到的信息是常规水文监测数据的补充，已被用于改进模型结构和模拟的内容，如水的组成、年龄等[4-6]。其中，染色示踪法直接在现场采用入渗实验对土壤进行染色，并对所获取的土壤剖面的数字图像进行处理分析，可以得到土壤中水流的快速通道及其分布情况[7,8]。染色示踪法已成为观测和研究土壤水流运动和运移路径的一种较为直接的观测手段[7]。因此，本文将采用染色示踪剂和单环入渗实验的方法，对山坡土壤的渗透性及水流路径进行染色示踪分析，反演山坡土壤快速水流通道及其分布特征，并揭示其影响因素。

1 材料与方法

1.1 实验地点选取

和睦桥实验站地处前浙江省水文局姜湾实验流域的中下游，集水面积1.35 km2，高程在150～600 m，流域内植被以竹子为主，约占总面积的95%，坡度较缓地区，种有较少量茶叶、番茄等作物，山坡较陡处尚有小部分山坡长有灌木丛，高达1 m。目前，该流域设有2个雨量站，5个水位观测堰槽、1个自动气象站和1个强化观测山坡。流域多年平均降水量为1 580 mm，年水面蒸发量为805 mm，年平均气温为14.0 ℃，年平均日照时间在1 579 h左右。本流域基岩属中生代后的火山岩系，土壤类型基本上为生草----草甸土、山地腐殖土和山地石质土。土壤质地以砂土、砂壤土为主。土壤厚度大部分在70～80 cm，在坡脚、沟谷源头及溪流附近有1 m以上的土层。

1.2 入渗与染色实验

单环变水头测量法具有需水量少、设备简易、操作简单、野外携带方便等优点，并且其半径可变，适用于较大尺度测量土壤特性。选取流域内的9个样点进行单环入渗实验，为了便于取水，实验点需尽量沿河道布设(图1)。其中，在样点6的1 m范围内，分别在空地(6a)和竹根(6b)上进行了2次入渗实验，以分析对比植物根系对下渗的影响。在入渗实验的同时，选取其中的4点(分别为2、3、4和9)同时开展染色示踪实验，以分析山坡土壤结构对入渗水流路径的影响。实验选用亮蓝作为染色示踪剂，亮蓝溶于水时呈蓝色，显色性极强，且不易被土壤颗粒所吸附，砂土对亮蓝的吸附系数仅为0.31 mL/g左右。为了获得良好的染色效果，亮蓝浓度定为3 kg/m3[9]。具体实验步骤为：①在实验点空地上，采用TDR测量土壤初始含水量，然后布设直径为30 cm的单环装置，为防止水分渗出，将单环插入土壤约5 cm；②将水(或亮蓝溶液)注入单环装置，使得地表水头为15 cm；③待亮蓝溶液完全渗完，平衡0.5 h后，开挖土壤剖面，记录亮蓝迁移的最大深度和剖面的特征，拍摄每个染色剖面以供图像分析；④拍摄的剖面染色照片经Photoshop软件处理，滤除未染色部分的颜色，把图片转换为黑白图(黑色代表染色区域，白色部分表示未染色的土壤基质)，以tiff格式存储；⑤在ImageTool中运行染色面积统计程序，求得不同深度黑色部分所占的百分比，作图得到其随深度变化的曲线。对于所有的样点，采用改进的Philip方法[10]对实测降水头数据进行分析计算，得到各点的饱和渗透系数。

图1 单环入渗实验点分布Fig.1 The distribution of single-ring infiltration experiment points

2 结果与讨论

表1给出了各点的土壤质地、初始和饱和含水量、入渗历时以及计算出的渗透系数等。从表1中可以看出，沿河道各点的土壤质地以砂壤土、粉壤土为主。各点土壤饱和含水量的均值约为52%，初始土壤均较为湿润且接近田间持水量水平，这表明土壤容易饱和且产生自由水流。计算结果显示，自然山坡的土壤垂向饱和渗透系数介于3.1～204.7 cm/h之间，均值为43.0 cm/h。显然，这些点的干密度值要远小于农田土壤的对应值，而其渗透系数值则要远大于的农田土壤的相关值，同时表明超渗产流较难产生。造成这一现象的原因较多，例如山坡土壤的砾石含量较多，土质疏松，或者土壤中根系、虫洞较多，造成土壤的密度较低，渗透性高的特点。以实验点1点处为例，该点的土壤渗透系数最大，高达204.7 cm/h，这主要是由于该处土层下方砾石较多，土壤较为松散。特别地，在6号点，我们在空地(6a)和竹根(6b)上分别进行了2次渗透实验，结果表明竹根一定程度提供了土壤水快速渗透的通道，从而增大了水流的渗透性。

表1 和睦桥入渗实验样点分析计算成果Tab.1 Analysis and calculation results of the experimental sample points of hemuqiao

以上分析表明，影响土壤渗透性的因素众多，土壤的物理性质及生物因子均起到重要作用。因此，为深入的揭示土壤的渗透性与其内在的快速流路径及土壤物理性质的关系，我们选取4个实验点(表1中2、3、4和9号点)进行了土壤的染色入渗实验，实验结束后对所在点开挖土壤剖面，观测染色分布面积及其比重等信息。所选实验点的土壤厚度较薄，控制在80 cm内，且位于山坡边缘，这样便于开挖。从图2可以看出，2号、3号和4号点的剖面染色图案之间具有明显的相似性，然而不同剖面之间又存在一定程度的变异性。2号和4号点土壤粒径分布类似，均为粉壤土，水流是相对均匀的入渗，湿润锋基本一致。对比2号和4号点土壤质地和染色图案，可发现2号点染色百分比曲线局限于土壤剖面上部且较为规则，染色面积在30 cm剖面以下随着深度的增加迅速减小，而4号点的曲线则向剖面下层延伸。分析显示，两点的土壤质地差异并不大，且两点具有相同的植被覆盖。造成这种差异的主要原因可能在于，4号点土壤初始含水量要远高于2号点的含水量值，因此扣除土壤基质吸收水分后，4号点可以有更多的自由水分参与入渗。

图2 不同试验点土壤染色剖面图案及染色百分比曲线Fig.2 Staining profiles and percentage curves of soil at different test points

通过对比3号和2、4、9号的染色图案及其在剖面不同深度的染色百分比曲线，可以看出后者染色比例在剖面上的分布总体上还是在衰减的，而3号的染色分布与其他点位是不同的，表现为跳跃式的入渗过程。显然，3号点的土体内部必然存在着快速通道，直接将上部的饱和水流引导至深部土壤。亮蓝试剂在9号试点剖面中基本是均匀迁移的，染色部分较为规则，染色锋线基本一致，其最大染色深度只有28 cm左右。造成这种差异的原因在于，3号试验点土壤质地较粗，含砂性较高，土壤本身孔隙较大，加之试验点附近毛竹茂密，土壤中有大量的竹根，增加了土壤的非均质性，亮蓝溶液更易优先通过土壤中的大孔隙进行迁移。因此，在土壤剖面上，亮蓝染色的部分面积多呈现为连续或不连续的分支结构，而非从土壤表面开始均匀地平移染色。在9号实验点，其土体的粉粒较多，结构相对均一，而且试验点附近植被稀少，因此亮蓝染色面积分布相对较为均匀。在图2中可以看出，图2(a)、2(b)和2(c)中的染色部分均有细小的树枝状的亮线，这些亮纹实际为竹根，在染色入渗过程中为水流提供了快速通道。特别地，在图2(b)中我们发现在深部方向20～50 cm、剖面宽度方向10～20 cm间存在一个较粗的亮线，可以推断出此条粗“亮线”(竹根)是引起剖面不规则染色的重要原因。

以上分析了山坡土壤入渗在垂向上的分布规律，为了进一步揭示入渗路径的规律，我们还分析其在侧向上的染色百分比曲线。研究中，选取2号点为研究对象，2号点剖面上砾石含量相对较低，且无粗大的竹根，便于连续开挖。在开挖土壤染色剖面时，按距离单环边缘切线由远逐近的方式每隔5 cm开挖一个剖面并进行拍照和图像解译。因此，在距离单环边缘切线10 cm处至单环边缘的范围内，共开挖了3个剖面，分别对这3剖面进行解译，得到染色百分比曲线分布图(图3)。分析显示，染色部分占剖面面积的比重有随其距单环边缘距离的远近而变化的趋势，在远端(10 cm)，染色面积比重低于2%，而在单元边缘附近(5、0 cm)，染色面积显著增大，染色面积比重亦不超过20%。这表明，在植被较好且土壤疏松的山丘区，土壤初期入渗以垂向为主，这时土壤中根系、虫洞等造成的大孔隙为少量侧向径流提供了通道。

图3 不同试验点土壤染色剖面图案及染色百分比曲线Fig.3 Staining profiles and percentage curves of soil at different test points

3 结 语

本文以湿润地区的典型流域----和睦桥实验流域为研究对象，通过10余点位的入渗实验揭示了山坡土壤入渗速率及路径的变化规律。实验结果显示，和睦桥小流域土壤中由根系、虫洞及砾石造成的大孔隙和优势流现象在河道附近的山坡中是存在的。由于广泛存在着优势流现象，导致土壤渗透性巨大，远远大于常规观测的降雨强度，因此从田间证实了该流域坡面径流的产生以蓄满产流方式为主。具体的实验结果如下。

(1)在短时间内(t<600 s)，染色剂在剖面所占比重超过40%，表明土壤中由根系、虫洞及砾石造成的快速流的通道广泛存在；

(2)山坡土壤干密度介于1.02～1.18 g/cm3，均值1.08 g/cm3，远低于农田土壤的相关数值；

(3)山坡土壤饱和导水率(3.1～204.7 cm/h，均值43.0 cm/h)远高于农田土壤的相关数值，超渗产流较难发生；

(4)在到达不透水层之前，山坡土壤入渗以垂向运动为主，部分侧向的水流主要由大孔隙引发。

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