大孔隙分布對坡地產匯流及溶質運移的影響

張小娜，馮 杰

（1.南京信息工程大學 水文氣象學院，江蘇 南京210044；2.中國水利水電科學研究院 水資源研究所，北京100044）

由于土壤的收縮和膨脹，土壤中可溶性物質的溶解，凍融的循環交替以及耕種等物理過程以及蚯蚓和嚙齒動物活動，植物根系的生長等生物過程的作用導致土壤中普遍存在大孔隙［1－2］。土壤大孔隙的存在，使得進入土壤中的水及溶質繞過大部分土壤基質，經過大孔隙快速達到土壤深處或地下水中。土壤水分及其溶質通過土壤大孔隙的快速非均勻流，稱為大孔隙流。大孔隙及大孔隙流的存在，增加了土壤的通氣性，改變了坡地徑流的形成過程和不同徑流成分的比例，從而對坡地產匯流產生影響［3－4］。工業和生活“三廢”若不合理棄置，將有可能進入土壤中，經過大孔隙污染地下水。因此開展土壤大孔隙及影響研究有助于判斷合理的廢物處置方法，防止造成地下水污染，危害人類健康［5－6］。鑒于試驗和理論條件限制，我國對大孔隙的及其影響研究起步較晚，雖在土壤大孔隙結構、大孔隙流的特征、土壤大孔隙對坡地產匯流及溶質運移的影響、土壤大孔隙對飽和水力傳導度的影響、土壤大孔隙對坡面水動力學參數等方面有一定的研究［7－15］，但尚且還不夠深入，有待進一步研究。譬如大孔隙分布對坡地產匯流和溶質運移影響方面的研究還鮮有報道。因此，本文擬通過室內土槽人工降雨試驗，分析兩種大孔隙分布條件下坡地產匯流和溶質運移的過程。

1 材料和方法

1.1 土樣分析

試驗土樣取自南京郊區棲霞區東陽鎮，為準確模擬田間的實際狀況，采用分層法取土。采用吸管法測土樣中的黏粒、粉粒和砂粒的組成得出土壤顆粒級配（表1）。按照美國農業部制的土壤質地三級分類法，該試驗土樣屬于粉砂壤土。

表1 土壤顆粒級配

1.2 試驗土槽

試驗在河海大學水文水資源與水利工程國家重點實驗室降雨試驗大廳內進行，試驗土槽規格詳見表2，土槽采用分層法填土。在填土過程中，分別在距槽底10，30，50cm深處，距離坡腳50，95和135cm處埋入了頻域反射測量儀（frequency domain reflectometry，FDR）探頭（共9個）測定土壤含水量。土槽開設了地表出流和地下徑流的出口，其位置分別在土槽西壁中間位置處距土槽底60cm處，距土槽底0cm處。

1.3 試驗方法

地面徑流采用三角堰測量法，地下徑流采用稱重法測流，土壤容積含水量由FDR測量，坡面流速的測定采用示蹤法，水樣中的Br－，NH＋4和NO－3濃度，測量采用的方法分別為電極法、納氏試劑光度法和酚二黃酸光度法。

降雨前，由FDR先測知土槽中土壤各層容積含水量。然后將14.88g KBr，7.334g（NH4）2SO4共同溶解于水中，配制成2 000ml溶液，降雨前均勻灑入土槽中。降雨采用人工模擬降雨，在2007年9月15日和2007年10月6日分別對該土槽進行降雨試驗，且兩次降雨試驗前，土槽中土壤各層容積含水量和土壤中溶質濃度相差較小。兩次降雨過程相同，歷時90min，降雨累計量為223mm，且兩次降雨試驗過程中土槽中均設置有人工大孔隙，大孔隙孔徑均為8mm。人工大孔隙的制作方法是用直徑為8mm，帶有深度刻度的不銹鋼桿小心插入已經設定好的位置。插入到設定深度再小心拔出。不同之處在于，兩次降雨前，土槽的人造大孔隙密度不同。2007年10月6日的試驗是在對2007年9月15日土壤中大孔隙加密的基礎上進行的。

表2 試驗土槽規格

2 結果與分析

為了方便起見，將大孔隙未加密型土槽記為槽1，把大孔隙加密型土槽記為槽2。計算可知，槽1的坡面面大孔隙度為19%，槽2的坡面面大孔隙度為57%；槽1的容積大孔隙度為0.095%，槽2的容積大孔隙度為0.285%。所有圖的時間均以降雨開始時刻為零時刻。

2.1 土壤容積含水量

研究發現，大孔隙的加密，改變了土壤的空間結構，直接影響著土壤水分運動的特征，其中主要表現在以下兩個方面：（1）土壤各層含水量的增加幅度相對偏小。表3列出了兩槽中各層土壤含水量具體增加的幅度值；（2）降雨期間，各層土壤受降雨影響快慢的先后次序發生改變，其中下層土壤受影響的速度加快。以編號為1，2，3的FDR探頭所埋深的剖面處各層土壤含水量為例，研究兩槽在降雨期間的土壤含水量變化，研究結果發現，槽1各層土壤受降雨影響快慢的先后次序為：上層＞中層＞下層，其中土壤含水量開始發生明顯變化的時刻分別為18，60，92min，而槽2中的先后順序則為：上層＞下層＞中層，明顯變化的時刻分別為30，66，153min。說明大孔隙的加密，使得通過大孔隙優先運移到土壤下層的水量相應增大，與土壤基質相互作用的降水相應減少且使得大孔隙流穿透過程中機械彌散和分子擴散的作用相對減弱，非平衡管道流的支配的地位相對增強，較多的水流沿土壤大孔隙形成的管道迅速穿透水體，出現優先穿透。

表3 各層土壤容積含水量幅度變化

2.2 坡面流速

兩槽的坡面流速過程如圖1所示。從圖1可以看出，兩槽流速變化形狀基本相似，隨時間呈波狀分布且降雨前期的變化幅度都較后期的變化幅度大，但計算得到，整個降雨過程中，槽1的坡面平均流速較槽2大，其流速值分別為6.75和6.13cm／s。兩者相差0.62cm／s。槽1平均坡面流速大于槽2是因為一方面降雨首先填滿大孔隙，槽2中的孔隙度較大，導致槽2的地面徑流量相對較小，在相同的過水面積下，導致流速偏小［9］；另一方面，大孔隙加密導致槽2局部坡度突變，糙率增大，致使流速減小。

圖1 試驗土槽坡面流速變化

2.3 出流過程

2.3.1 地面徑流過程 兩試驗土槽的地面徑流過程如圖2所示。從圖2可看出，槽1略早于槽2產生地面徑流且槽1的地面徑流總量大于槽2的地面徑流量。降雨歷時52min前，兩槽的地面徑流過程相差較大，槽2地面徑流流量明顯小于槽1。但降雨歷時52min后，兩者的地面徑流過程幾乎重合。原因是降雨歷時52min之前，槽2中存在大孔隙較多，所以降落的雨水被大孔隙攔蓄的量相應較多，所以降雨初期，槽2的地面匯流量要小于槽1。降雨歷時52min后，可能槽1和槽2土壤大孔隙中蓄水量已達到最大，降落的雨水在兩槽中的下滲量相差不大，所以地面徑流過程幾乎重合。

2.3.2 地下徑流過程 以降雨開始時刻為零時刻，槽1在125.17min觀測到地下徑流，槽2在109.6min觀測到地下徑流。槽1的地下徑流總量為0.117 2m3，占降雨總量的11.021%。槽2地下徑流量為0.226 9m3，占降雨總量的19.16%，兩槽的地下徑流過程如圖3所示。由圖3可以看出，相對槽1，槽2地下水出流總量較大且峰現時刻較早。其中槽2的出流量是槽1的1.936倍。這說明大孔隙加密型土槽的地下水的響應速度較快。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滲量。

圖2 試驗土槽坡面徑流過程

圖3 試驗土槽地下徑流過程

2.4 溶質運移

2.4.1 溴離子 溴離子為非吸附性離子即保守離子，在土槽中僅作遷移運動，不發生吸附和轉化。采用非吸附性離子的主要目的是用來標記土壤大孔隙流產生的過程及其水分運動的規律。從圖4中可以看出：（1）在地面徑流中，兩槽的溴離子濃度總體變化趨勢一致即離子濃度隨時間逐漸減小，不同點是降雨前期，槽1地面徑流中的溴離子濃度高于槽2地面徑流的離子濃度，且兩者濃度差值隨時間逐漸減少；（2）在地下徑流初期，槽2的離子濃度明顯大于槽1，但兩者差值隨著時間逐漸減少。地下徑流后期，兩者的離子濃度相差不大。這是由于槽2存在較多的大孔隙快速通道，相對槽1來說較多的溴離子在水流的攜帶下快速穿透土體運移至土壤底層，所以導致地下水出流中溴離子濃度較高，地面徑流中的溴離子濃度偏低。

圖4 試驗土槽坡面溴離子濃度變化

2.4.2 銨根離子和硝酸根離子濃度變化 與溴離子不同，銨根離子在土壤中遷移轉化非常復雜，土壤對銨根離子的吸附性很強，銨根離子的轉化性亦很強。從圖5可知，槽1地面徑流中的銨根離子濃度明顯高于槽2地面徑流中，但兩者整體上都呈現遞減趨勢；槽1地下徑流中的銨根離子濃度在出流前期偏高，其值在34～25mg／L之間，地下水出流80min后，濃度降至3mg／L以下，而槽2地下徑流中的銨根離子濃度變化不大，在0～6.9mg／L之間。這是由于槽2中大孔隙加密使得土壤中孔隙密度增大，土壤空氣中含氧量增大，銨根離子硝化作用增強，較多銨根離子在運移到地下中已被轉換成亞硝酸根離子或硝酸根離子，所以在地下水出流中，槽2的銨根離子濃度偏低。同時由于槽2中大孔隙加密使得較多的銨根離子可以通過大孔隙快速通道運移到地下中，使得槽2中地面徑流中銨根離子濃度偏低。

圖5 銨根離子濃度變化曲線

比較圖5和圖6，地下徑流中，硝酸根離子的濃度遠高于銨根離子濃度。槽1地下徑流中的硝酸根離子和銨根離子的最大值分別為476.6和33.6mg／L，槽2的分別為328.45和6.91mg／L。說明銨根離子在土槽很難遷移，很快就發生吸附和轉化。在降雨過程中，槽1地面徑流中硝酸根離子濃度高于槽2地面徑流中的離子濃度。原因是在人工降雨作用下，降雨前期施放在土壤表層大孔隙周圍的（NH4）2SO4會被水體攜帶直接通過大孔隙快速向土壤中遷移，大孔隙加密型土槽中溶質下滲量大，所以槽1地表出流中所含的 （NH4）2SO4相對較多，在好氧條件下，轉化為硝酸根離子的相應也較多。地下水出流前期，槽2地下徑流中的硝酸根離子濃度較槽1大，但前者的離子濃度隨時間逐漸減小，后者則隨時間呈現逐漸增大的趨勢，地下水出流后期槽1地下徑流中的硝酸根離子濃度較槽2大。這是由于：（1）槽2中大孔隙的加密，使土壤中孔隙度增大，地下水出流前期較多的（NH4）2SO4繞過土壤基質，沿著這些大孔隙快速運移至地下；（2）槽2深層土壤中存在較多的通氣大孔隙，氧氣量較多，易于硝化作用的發生；（3）大孔隙的加密，使槽2水分蓄量較大，土壤含水量增大，土壤含水量的增大會導致反硝化作用增強。所以地下水出流前期，槽2地下徑流中由（NH4）2SO4消化作用形成的硝酸根離子濃度較大，出流后期濃度較小。

3 結論

（1）降雨期間，土壤中大孔隙密度的增加，改變了各層土壤含水量受降雨影響的快慢的先后次序，其中下層土壤受影響的速度加快。且土壤中大孔隙的加密，使各層的土壤含水量增加幅度相對偏小。

（2）兩槽的坡面流速變化形狀基本相似，隨時間呈波狀分布且降雨前期的變化幅度都較后期的變化幅度大。但整個降雨過程中，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。

圖6 試驗土槽坡面硝酸根離子濃度變化

（3）降雨歷時52min前，兩槽的地面徑流過程相差較大，大孔隙加密型土槽的地面徑流流量明顯大于大孔隙未加密型土槽。但降雨歷時52min后，兩者的地面徑流過程幾乎重合。大孔隙加密型土槽的地下水出流時間早于大孔隙未加密型地面水出流時間且出流總量是其1.94倍。

（4）相對于大孔隙未加密型土槽，在地面徑流中，大孔隙加密型土槽中溴離子濃度、銨根離子濃度和硝酸根離子濃度都普遍偏小；在地下徑流前期，大孔隙加密型土槽中的銨根離子濃度偏小且變化幅度較小，但溴離子濃度、硝酸根離子濃度偏大。

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