不同厚度礫石覆蓋的潮土入滲過程及模型優選

董 銳，王海波，吳慶濤

(1.中鐵建設集團有限公司，100040，北京；2.西北農林科技大學水土保持研究所，712100，陜西楊凌；3.西北農林科技大學資源環境學院，712100，陜西楊凌)

礫石是指土壤中粒徑>2 mm而小于單個土體(面積<1 m2，深度<2 m)的巖石碎塊[1]，大量研究[2-4]表明土壤礫石覆蓋具有蓄水保墑、防止水土流失和增強土壤水分入滲的作用。梁洪儒等[1]和周蓓蓓等[5]研究表明隨著礫石覆蓋量的增加，土壤入滲能力增強，坡面產流產沙量顯著降低[2]，Yamanaka等[6]研究認為礫石覆蓋土壤有利于水分入滲，增強土壤保水性能；陳士輝等[7]研究表明沙田土壤由于礫石覆蓋土壤水分入滲速率顯著增加；王小燕等[8]通過模擬降雨試驗表明礫石覆蓋能有效減小紫色土坡面徑流量，增大入滲速率；Wang等[9]研究認為覆蓋地表的巖塊能明顯影響坡耕地土壤水文過程，增加入滲和地下徑流。潮土作為我國重要的農業土壤，其面積達267萬hm2[10]，由于近些年人類不科學的生產活動，土壤肥力降低，水土極易流失。為探尋一種改善潮土區水土流失現狀的有效方法，筆者以潮土為研究對象，通過室內一維垂直定水頭入滲試驗研究不同厚度(0、3、6、9和12 cm)礫石覆蓋下潮土水分入滲特征的差異，揭示礫石覆蓋厚度與潮土入滲特征之間的內在聯系，以期為礫石覆蓋應用于生產實際和水土保持等方面提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗土壤取自湖南長沙(E 112°16′43″，N 28°26′31″)，土壤風干后經碾壓和粉碎過2 mm篩后備用。試驗土柱利用內直徑10 cm、高50 cm的有機玻璃管制成，土柱設計裝填高度30 cm。試驗采用馬氏瓶供水，供水水頭控制在5 cm左右。試驗前先在有機玻璃管底部鋪一層濾網，避免試驗過程中土壤顆粒流失，按1.25 g/cm3的密度將土裝入土柱，裝填時按照5 cm每層分次裝入并壓實，使各層土壤分布均勻。土壤壓實后將礫石按照設計厚度(0、3、6、9和12 cm)均勻覆蓋潮土表面，各處理依次簡稱為CK、C3、C6、C9和C12。礫石粒徑為6～15 mm。按照先密后疏的原則觀測記錄馬氏瓶讀數與土柱的濕潤鋒運移距離。試驗時間達到720 min后結束試驗，各處理3次重復。

1.2 模型選擇

為探尋一種模擬礫石覆蓋潮土入滲過程較好的入滲模型，采用Philip、Kostiakov和指數模型進行擬合，各入滲模型如下。

1)Philip模型[11]

f(t)=fc+0.5St-0.5。

(1)

式中：f(t)為入滲速率，mm/min；fc為穩定入滲率，mm/min；S為根據試驗求得的模型參數；t為入滲時間，min。

2)Kostiakov模型[12]

f(t)=at-b。

(2)

式中a和b為入滲參數。

3)指數模型

指數模型源于Horton模型[13]，可簡記為

f(t)=Ne-wt。

(3)

式中N和w為入滲參數。

4)為選取模擬礫石不同厚度覆蓋下潮土水分入滲過程較好的入滲模型，采用相對誤差δ評價入滲模型模擬入滲率與實測入滲率之間的離散程度，計算式如下：

(4)

式中:δ為入滲率相對誤差；fm為模型計算的入滲率，mm/min；fr為實測入滲率，mm/min。