不同负压设置对微型盘式入渗仪测定结皮入渗性能的影响

李建德，王健，徐飞飞，王康宏，杨琴侠，薛冬

不同负压设置对微型盘式入渗仪测定结皮入渗性能的影响

李建德1，王健2*，徐飞飞1，王康宏3，杨琴侠3，薛冬3

（1.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100；3.韩城市水土保持工作站，陕西 韩城 715400）

【目的】定量描述负压设置对微型盘式入渗仪测定结皮入渗性能的影响。【方法】通过人工模拟降雨，以黄土坡面土壤物理结皮为研究对象，采用微型盘式入渗仪进行入渗试验，设置5个负压梯度（1～5 cm），量化不同负压设置对入渗指标测定的影响，同时以定水头法得到的饱和导水率为标准，分析比较基于Wooding模型与Philip模型两种计算方法的准确度。【结果】定水头法具有可重复性与准确性，得到结构结皮饱和导水率为74.00 cm/d，沉积结皮饱和导水率为12.00 cm/d；采用微型盘式入渗仪测定两类结皮的土壤累积入渗量、稳渗速率、吸渗率、导水率等指标，测定结果随仪器负压设置增大而减小；微型盘式入渗仪法测算土壤饱和导水率时，基于Philip模型的计算方法更为准确，但结果随负压设置影响较大，以定水头法得到的饱和导水率为参照，率定van Genuchten参数与，结构结皮分别为0.039与2.72，沉积结皮分别为0.024与2.83。【结论】采用微型盘式入渗仪进行入渗试验时必须考虑不同负压设置对测定结果的影响和仪器给定参数对土壤饱和导水率计算的适用性，以准确描述土壤入渗特性，为土壤侵蚀预报等提供理论依据。

微型盘式入渗仪；结构结皮；沉积结皮；土壤饱和导水率；van Genuchten参数

0 引言

【研究意义】入渗是大气降水、地表水和地下水相互转化的重要环节，决定土壤水分的补给状况[1]。结皮作为土壤表层的一种致密结构，分为结构结皮与沉积结皮[2]，其阻滞水分下渗，造成水土流失[3-7]。因此快速、准确得到结皮土壤的入渗性能，能够及时为降雨产流转化、水土流失预测、水土保持措施布设等提供依据。【研究进展】目前，入渗测定方法众多，依据试验场地位置分为室内测定和田间测定2种类型。室内测定主要为定水头法[8]和变水头法[9]；田间测定主要有单环入渗法[10]、双环入渗法[11]、模拟降雨法[12]、盘式入渗仪法[13]、圭夫仪法[14]等。由于土壤质地、结构、计算方法以及参数选择等方面的原因，研究结论存在较大差异[15-18]。

采用盘式入渗仪测定土壤入渗性能时，水分通过底盘向土壤中呈三维入渗，Wooding方程[19]作为稳态流的入渗模型常被用于饱和导水率的计算。Zhang[20]提出了一种将Philip一维入渗模型[21]与van Genuchten函数[22]相结合的方法，计算简单且结果可靠而被多个学科广泛使用[23-24]。微型盘式入渗仪（Mini disk infiltrometer）[25]是由美国公司研发的一项测定土壤表面水力特性的仪器，其原理是在入渗面提供一个向上的负压水头以阻止大孔隙优先流的产生，从而得到土壤基质的导水性能。因其需水量小，携带方便被广泛使用[26-28]，随着计算模型和方法的改进，除了野外使用，该仪器也应用于室内入渗试验，研究对象包括砂土、壤土、黏土等各种不同质地的均质土壤[29-32]。

以往研究多采用单一负压设置进行入渗试验，而Nathaniel等[33]通过分析微型盘式入渗仪在不同负压吸力下的测量结果，发现土壤入渗性能受负压水头的影响较大，【切入点】结皮作为一种致密的土壤表层结构，传统的入渗测定方法在采样过程中极易破坏土壤表层，从而对测定结果造成较大误差，而微型盘式入渗仪在不破坏土壤表层的情况下能够快速便携地进行入渗试验，因此将该种方法尝试应用于结皮入渗性能的测定。【拟解决的关键问题】本文以黄土坡面土壤物理结皮为研究对象，采用微型盘式入渗仪法与定水头法进行入渗试验，量化不同负压设置对入渗指标测定的影响，以定水头法的结果做参考，比较2种计算方法的准确度，分析微型盘式入渗仪对测定土壤物理结皮入渗性能的适用性。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

杨凌地处陕西省关中平原中西部，渭河以北，三面环水，东以漆水河与武功县接界，西与扶风接壤，南依渭河同周至相望，北有沛水和武功。位于东经107°59′—108°09′，北纬34°14′—34°24′，海拔418.0～540.1 m，地势北高南低，气候类型属暖温带半湿润气候区，四季分明，年平均气温12.9 ℃，极端最高气温42 ℃，最低气温-19.4 ℃，全年无霜期221 d。年均降水量637.6 mm，多集中在7—10月，占多年平均降水量的60%，年平均蒸发量884 mm。

1.2 供试土壤

试验土壤为杨凌塿土表层耕作土，采样深度0～20 cm。土壤的颗粒组成通过吸管法[34]测定，为粉砂壤土（国际制）基本理化性质见表1[35]。土壤自然风干，过1 cm筛备用。

表1 试验土壤理化性质

1.3 试验设计

本次试验在西北农林科技大学水土保持与荒漠化防治实验室进行。试验装置为坡度可调式铁槽（2 m×1 m×0.35 m），槽底打孔，试验设置坡度为3°缓坡。槽内填土深度30 cm，设定土壤体积质量1.30 g/cm3，以5 cm为1层分层填装，层间打毛，实测土壤体积质量为1.25 g/cm3。试验选用等高耕作措施，平行于侵蚀槽短边布置垄沟，垄高10 cm，垄间距30 cm，最终形成垄沟相间的微地形，经降雨后垄部土壤表层承受雨滴打击、土壤结构重组等作用形成结构结皮；沟部土壤表层除了经历前期的降雨打击作用外，还有后期携沙径流的汇集，最终积水下渗和蒸发，泥沙颗粒沉降形成沉积结皮[36-39]，如图1所示。

图1 结构结皮与沉积结皮示意图

采用室内人工模拟降雨法，降雨装置采用摆动下喷式喷头模拟自然降雨，有效降雨面积约为3 m×6 m，降雨均匀度达90%以上。设计雨强为60 mm/h，历时30 min。根据试验测定，模拟降雨雨滴动能达天然降雨的90%以上。降雨结束后形成的结皮类型及分布如图1所示，将侵蚀槽自然静置，采用建大仁科公司研发的土壤温湿度水分传感器实时监测结皮含水率，待土样达到设计含水率10%后开始入渗试验，分别测定3个垄上和3个沟底结皮入渗特征，每条垄沟各设置3个重复。

1.4 测算方法

1.4.1 结皮基本性质

采集距离入渗区域中心10 cm位置处的结皮，自然风干后，用毛刷刷去结皮底部土壤颗粒，采用游标卡尺测量结皮厚度，涂膜法[40]测定结皮体积质量。

1.4.2 微型盘式入渗仪法

选取去离子水为入渗水源，水温25 ℃。采用改进的微型盘式入渗仪（储水室容量由95 mL变为425 mL）进行负压入渗试验，测定前在所选区域土表垫1层50目的石英砂以保证渗透仪底部不锈钢多孔圆盘与土壤充分接触。试验设置5个负压梯度（1～5 cm），每个梯度各设置9个重复。入渗时间10 min，每隔30 s记录1次读数。通过微型盘式入渗仪所测数据推求土壤饱和导水率分别基于以下2种计算模型：

1）Wooding入渗模型

式中：为累积入渗水量(cm3)与累积时间()作回归曲线求得，曲线线性部分斜率即为水流通量；为底盘半径2.25 cm；()为负压水头为时的导水率（cm/d）；是与土壤结构和毛管吸力有关的参数。

在式（1）中，右边第1项为重力势项，第2项为基质势项。当水流呈三维入渗时，仪器向土壤的供水速率取决于压力势、重力势、基质势3种水势的作用。由于微型盘式入渗仪圆盘下的水层极薄，故压力势忽略不计。

土壤导水率()与负压水头之间的关系用Gardner函数[41]描述：

将式（2）代入式（1）即可求出饱和导水率s（cm/d）：

参数可借助于2个负压水头1、2的入渗数据，结合式（1）计算得到：

2）Philip入渗模型

依据Philip模型中的累积入渗量-时间关系：

式中：为累积入渗量（cm）；为入渗时间（s），1是土壤水力传导度相关系数（cm/d）；2是与土壤吸水系数（cm/d0.5）。土壤导水率s（cm/d）采用Zhang[19]提出的计算方法：

式中：和是土壤van Genuchten参数；底盘半径为2.25 cm；为负压水头（cm），计算时取负值。

1.4.3 定水头法

试验选用100 cm3环刀采样，采用定水头法进行正压入渗试验，设计5个水头（1～5 cm），每个水头各9个重复，入渗时间60 min，间隔30 s记录读数。以连续5次读数差值一致视作稳定入渗，取最后10 min入渗数据，结合达西定律与Green-Ampt模型，计算土壤饱和导水率s：

式中：为渗漏量（mL）；为入渗面积（cm2）；为土样高度（cm）；为正压水头（cm）。

1.5 数据分析

土壤累积入渗量和导水率采用多次试验的平均值。利用Excel 2016进行数据处理与绘图，利用SPSS 25软件进行回归分析、独立样本检验、相关性分析等。

2 结果与分析

2.1 结皮基本性质

地势相对较高部位的表层细小颗粒被地表径流携带和下渗水流淋移，大颗粒遗留从而形成表面粗糙的结构结皮；地势相对较低部位由携沙水流汇集形成表面较为光滑的沉积结皮。经人工模拟降雨形成的2类土壤物理结皮基本性质见表2。结构结皮厚度大于沉积结皮，分别为6.58 mm与5.78 mm；结构结皮体积质量小于沉积结皮，分别为1.71、1.75g/cm3。

表2 不同类型结皮基本性质

2.2 定水头法-结皮饱和导水率

土壤饱和导水率作为描述水分运动和溶质运移的水力参数，是反映土壤入渗能力的重要指标。采用定水头法得到5个正压水头下的饱和导水率如图2所示。结构结皮饱和导水率为74.00 cm/d，沉积结皮饱和导水率为12.00 cm/d。2类结皮在不同水头下的饱和导水率平均值、中位数波动很小，其变差系数分别为3.31%与4.67%，结果趋于一致，可知定水头法具有一定的准确性与可重复性[42-43]。

图2 不同正压水头下2类结皮饱和导水率

2.3 微型盘式入渗仪法-结皮饱和入渗特征

2.3.1 土壤累积入渗量分析

累积入渗量是指一定时段内通过单位土壤表面的入渗水量，是衡量土壤入渗能力的重要指标。采用微型盘式入渗仪进行入渗试验，2类结皮在1～5 cm负压设置下的土壤累积入渗量如图3所示，结构结皮土壤10 min累积入渗量依次为4.76、4.26、3.03、2.34、1.83 cm；沉积结皮土壤10 min累积入渗量依次为1.62、1.44、0.85、0.75、0.66 cm，累积入渗量的减小幅度均表现为先增后减直至稳定。由方差分析发现2类结皮累积入渗量的整体变化规律一致，但从数值比较分析得出结构结皮的累积入渗量及其变化幅度都大于沉积结皮。

2.3.2 Wooding模型计算结皮饱和导水率

将5个负压水头（-5～-1 cm）下得到的入渗数据两两组合，借助式（3）计算得到不同水头压力下的土壤饱和导水率，如图4所示，结构结皮在-3 cm和-4 cm水头下得到的饱和导水率最大，为35.84 cm/d；沉积结皮在-1 cm和-2 cm水头下得到的饱和导水率最大，为6.78 cm/d。以定水头法得到的饱和导水率作参考，Wooding模型的计算结果整体偏小，结构结皮与沉积结皮的导水率最大值仅占48.43%与56.50%。

图3 不同水头下结皮累积入渗量

图4 Wooding模型计算土壤饱和导水率

2.3.3 Philip模型计算结皮入渗特征

1）入渗过程模拟

采用微型盘式入渗仪得到土壤入渗过程如图5所示，可知随入渗时间的延长，累积入渗量逐渐增大。2类结皮土壤在入渗初期，不同处理之间的累计入渗量相差较小，负压水头对土壤入渗的影响不太明显，但随入渗过程进行，在25 s后的同一入渗历时，不同负压水头对累积入渗量的影响增强且呈现不同的差异程度，直至600 s土壤入渗结束。由图5可知，随入渗时间延长，入渗曲线斜率都有所增大，且随着负压水头的减小，斜率增长更快。由此可知，随着水头的增大，负压对结皮土壤水分入渗的影响越大。

为定量分析不同负压水头对结皮土壤入渗特征的影响，采用Philip模型进行拟合，结果见表3，决定系数2均在0.99以上，说明拟合精度高。系数1通常认为稳渗速率，系数2为土壤吸渗率。由拟合结果可知，2类结皮土壤稳渗速率与吸渗率均随负压增大而减小，减小程度同样随负压增大呈缩减趋势，且2类结皮吸渗率的减小程度均高于各自稳渗速率的变化，通过相关性分析发现2个参数之间相互独立，说明土壤吸渗特性对负压水头的响应更为敏感。同时对比2类结皮同一负压下的拟合参数，发现结构结皮的稳渗率是沉积结皮的2.80～3.82倍，前者吸渗率是后者的1.16～15.28倍。

2）饱和导水率分析

试验土壤为粉砂壤土（silty loam），根据Carsel等[44]的研究结果，参数取0.02，参数取1.41，结合式（8）—式（10）计算得到不同负压水头下的饱和导水率如图6所示。负压状态下，土壤饱和导水率与压强间呈负相关关系。通过趋势斜率看出结构结皮对负压水头的影响更为敏感，这是由于二者的形成机理不同，沉积结皮较结构结皮结构更为紧密，孔隙分布范围小而均匀，因此随入渗接触面的负压增大表现出小幅减小。饱和导水率因土壤质地、体积质量等影响而不同，但对特定土壤而言是一个定值，显然图6中不同负压水头下的测算得到的导水率差异很大，说明针对结皮而言，直接采用Carsel等[44]的研究成果选取参数，计算结果具有一定偏差。

图5 不同负压条件下2类结皮土壤入渗过程

表3 不同负压设置下2类结皮入渗过程模拟结果

注 **在0.01水平（双侧）上显著相关。

图6 不同压力水头下土壤饱和导水率

3）van Genuchten参数修正

在雨滴打击、径流冲刷等作用下，土壤表层颗粒重新排列组合成一层致密的结皮层，相对于原状土，结皮体积质量增大，孔隙度减小，采用原状土壤颗粒组成确定的van Genuchten参数无法满足要求，需要对其进行修正。以定水头法得到的饱和导水率平均值作参照，根据式（9）、式（10）反算参数、值，结合陈卫金等[45]对2个参数物理意义的解析进行修正，最终得到适用于土壤物理结皮饱和导水率的计算参数，结构结皮分别为0.039与2.72，沉积结皮分别为0.024与2.83，计算出5个负压下饱和导水率与定水头法的结果相同，变差系数分别为2.71%，9.48%。

3 讨论

微型盘式入渗仪的原理在于在入渗表面提供一个向上的负压水头，从而防止大孔隙优先流的产生，得到土壤基质的导水性能。随着负压设置增大，土壤入渗动力减小，入渗通道减少，因此试验土壤累积入渗量、稳定入渗速率、吸渗率等入渗性能指标随之减小，这与Nathaniel等[33]的结果相同。对比两类物理结皮在不同负压下的导水率发现，结构结皮的入渗能力强于沉积结皮，这与已有结论一致[46-49]，且结构结皮对负压设置的响应更为强烈，表现为随负压水头增大，各入渗指标呈显著下降趋势。两类结皮入渗性能差异主要在于形成机理不同，结构结皮是在降雨打击作用下团聚体颗粒分散重组形成的，而沉积结皮除降雨打击外，还经历携沙水流中的细颗粒沉积堵塞土壤孔隙后形成，因此沉积结皮的结构更紧密[50-51]，孔隙大小分布范围窄，入渗性能更差。

采用微型盘式入渗仪得到不同负压水头下的非饱和入渗过程，借助非饱和导水率函数，得到土壤饱和导水率的近似值。由于Wooding模型中的参数由2组入渗数据计算得到，并不存在唯一的参数以满足所有负压水头的饱和导水率计算值趋于一致，因此Wooding模型不适用于微型盘式入渗仪对结皮入渗性能。相比之下，Zhang[20]提出的方法更为简单，尽管该方法的假设存在物理意义缺陷，但却提供了一种有效的计算思路，经常用于从微型盘式入渗仪测量数据推算土壤饱和导水率的近似值[52-53]。

以往研究采用微型盘式入渗仪时多设置为2 cm负压，将该负压下2类结皮的导水率与定水头法得到的结果进行比较，发现存在较大误差。考虑到仪器使用手册中给出的计算参数为均质土壤的研究成果，不适用于土壤物理结皮的导水性能测定。因此若针对不同质地的土壤研究，由于体积质量、孔隙度、初始含水率等的差异，采用单一负压水头设置导致结果本身存在不确定性，同时也影响研究对象之间的对比分析。计算方法给出了不同质地土壤的参数与值，借助van Genuchten函数可得到不同水头压力下的值，结合Philip模型便可通过单一水头下的入渗试验得到较为可靠的土壤饱和导水率，但试验结果得出结构结皮和沉积结皮的饱和导水率均随负压水头的增大呈减小趋势。由于参数来源于美国农业部通过土壤质地估计或试验结果数据[54]，并不完全适用于结皮土壤。Dohnal等[26]发现该方法不适用于质地细腻的土壤，建议参数优化并对公式进行了改进。

负压设置下的土壤水分入渗是一个非饱和入渗过程，因此需要借助非饱和导水率函数估计土壤的饱和导水性能，针对不同质地土壤，其土壤孔隙度等结构明显不同，因此采用同一负压设置得到的不同土壤入渗指标存在较大误差，各土壤入渗性能的比较也并不准确。试验发现Zhang[20]提出的计算方法更能准确得到土壤饱和导水率，但计算结果随负压水头增大而减小，需要对van Genuchten参数进行修正。因此当采用微型盘式入渗仪测定多种类型土壤饱和导水率时，应通过前期试验得出适合特定土壤的参数组，以保证结果的可靠性。

4 结论

1）定水头法具有可重复性与准确性，得到结构结皮饱和导水率为74.00 cm/d，沉积结皮饱和导水率为12.00 cm/d。

2）采用微型盘式入渗仪测定2类结皮的土壤累积入渗量、稳渗速率、吸渗率等指标，结果随仪器负压设置增大而减小。

3）微型盘式入渗仪法测算土壤饱和导水率时，Zhang[20]提出的计算方法更为准确，但结果随负压设置影响较大，对van Genuchten参数与进行修正，结构结皮分别为0.039与2.72，沉积结皮分别为0.024与2.83。

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Effect of Suction in the Infiltrometer on Water Infiltration into Crusted Soils

LI Jiande1, WANG Jian2*, XU Feifei1, WANG Kanghong3, YANG Qinxia3, XUE Dong3

(1. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 3. Hancheng Soil and Water Conservation Workstation, Hancheng 715400, China)

【Objective】Infiltrometer is a device to measure water infiltration into soil and soil hydraulic conductivity. Its performance depends on many factors. This paper aims to study the effect of the negative pressure in it on water infiltration in crusted soil. 【Method】The crusts on the soil surface were created by artificial rainfalls on a loess slope; water infiltration into the soil was measured using a mini disc infiltrometer with the negative pressure in it varying from 1 to 5cm. We also measured saturated hydraulic conductivity of the soil using the constant-head method and then used it as a benchmark to test the results measured from the infiltrometer. Water flow under both methods was described by the Wooding and Philip model. 【Result】The hydraulic conductivity measured using the constant head was more accurate and repeatable. The saturated hydraulic conductivity of the crust and soil matrix was 74.00 cm/d and 12.00 cm/d respectively. The indexes of cumulative water infiltration, steady infiltration rate, infiltration rate and hydraulic conductivity of the crust and soil matrix measured by the infiltrometer decreased with the increase in the negative pressure. Using the saturated hydraulic conductivity measured from the infiltrometer, the Philip model reproduced the infiltration process more accurately, despite the effect of the negative pressure. Fitting the results to the van Genuchten formula revealed that the parameters α and n were 0.039 cm and 2.72 respectively for the crusts, and 0.024 cm and 2.83 respectively for the soil matrix. 【Conclusion】Negative pressure in the infiltrometer affects saturated hydraulic conductivity calculated using the measured data from crusted soil, and should be considered in data analysis.

mini disc infiltrometer; structural crusts; sedimentary crust; saturated hydraulic conductivity; van Genuchten parameter

1672 - 3317（2022）07 - 0078 - 08

S152.7

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022057

李建德, 王健, 徐飞飞, 等. 不同负压设置对微型盘式入渗仪测定结皮入渗性能的影响[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(7): 78-85.

LI Jiande, WANG Jian, XU Feifei, et al. Effect of Suction in the Infiltrometer on Water Infiltration into Crusted Soils[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(7): 78-85.

2022-01-26

国家自然科学基金项目（41771308）

李建德（1998-），男。硕士研究生，主要从事土壤侵蚀方面研究。E-mail: L632895613@163.com

王健（1973-），男。教授，博士生导师，主要从事土壤侵蚀与流域管理方面研究。E-mail: wangjian@nwsuaf.edu.cn

责任编辑：赵宇龙