膨胀性土壤干缩裂隙对入渗产流影响

2023-10-21郑丽萍甘永德王尚涛吴玉帅李润杰

中国农村水利水电 2023年10期

李航，郑丽萍，甘永德，王尚涛，吴玉帅，李润杰，郭立

（1. 青海大学水利电力学院/黄河上游生态保护与高质量发展实验室，青海西宁 810016；2. 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室/水利水电学院，四川成都 610065）

0 引言

在自然条件下，膨胀性土壤吸水膨胀，失水干缩开裂，严重影响土壤的水力特征［1-3］。土壤的干缩裂隙会影响降雨在陆地水文的循环过程，裂隙的存在会加快水分和营养物质的下渗速度，降低灌溉效率，污染地下水［4-6］，对提高我国农业发展和水资源的可持续利用产生不利影响。因此开展膨胀性土壤干缩裂隙对入渗产流的影响研究，可以促进对干缩裂隙土壤水分入渗过程的认识，对我国农业节水和面源污染的防治具有一定的理论指导意义。

土壤膨胀性极大地影响着入渗产流过程，邵丽媛等［7］开展了膨胀性土壤垂向变形对降雨入渗产流的影响试验。司曼菲等［8］研究膨胀性土壤垂向变形对土壤饱和水分运动参数的影响。LEI 等［9］研究了华南地区膨胀土边坡对入渗和产流的影响。刘海滢等［10］通过考虑土壤膨胀性对降雨入渗的影响，应用流域分布式水文模型WEP-L 模型拟合南小河沟流域降雨入渗过程，具有较好的适用性。以上的研究主要集中在土壤的垂向变形，未考虑土壤干缩开裂影响。MCGARRY 等［11］通过研究土壤含水量和土壤形变量之间的关系，提出了描述土壤湿胀干缩变化特征的三直线模型。黄传琴等［12］研究了干湿交替过程中膨胀性土壤的胀缩特性。LIU 等［13，14］针对开裂稻田，研究了其水分入渗速率，并建立简单模型模拟入渗过程，结果阐明了干缩开裂稻田的不饱和水分运动过程。RÖMKENS等［15］提出一个考虑土壤膨胀/收缩/开裂的降雨入渗预测模型。ZHANG 等［16］研究了土壤干缩裂隙几何特征对入渗的影响，提出以表面裂缝面积率作为裂缝对入渗影响程度的表征指标。WEI 等［17］研究了膨胀性土壤在不同的灌溉方式下的裂隙变化和入渗规律，对提高灌溉效率有显著影响。罗莹丽等［18］研究了埂坎裂隙发育程度对土壤入渗性能的影响。土壤干缩裂隙大小与土壤含水量有关，以上研究尚未开展干缩裂隙对入渗产流影响。

本文针对干缩裂隙对入渗产流的影响，开展了室内降雨入渗产流试验，并测定土壤水分运动参数，研究了在不同初始含水量条件下干缩裂隙对入渗产流过程的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本次试验采用青海湖流域常见的膨胀性土壤—栗钙土，土壤经风干后，过（4 mm）筛备用，用环刀法测定干容重、用烘干法测定饱和体积含水量、用定水头法测定饱和导水率、用吸管法测定土壤颗粒组成、用作图法确定液塑限界限含水量［19］，其基本的物理性质如表1所示。

表1 试验土样物理性质Tab.1 Physical properties of test soil samples

1.2 试验方法

膨胀性土壤吸水膨胀，在干缩过程中会产生大量裂隙。为了定量分析干缩裂隙对入渗产流的影响，试验采用3 组不同土壤初始含水量（剖面平均含水量），分别为0.24、0.27、0.31 cm3/cm3（见表2），每组3个重复。

表2 试验土壤初始含水量表Tab.2 Table of initial water content of test soil

本次试验装置由降雨器、变坡钢槽和EM50 土壤水分传感器组成。钢槽的规格为1 m×0.9 m×0.6 m，坡度为5 ℃。降雨器规格为1.8 m×1 m×0.2 m，使用自制针头型降雨器，并采用自吸泵供水，水头保持恒定，雨强保持在0.07 cm/min。土壤经4 mm筛后，按照1.25 g/cm3的土壤容重，以10 cm 为界限，分层装填，土壤下部为纱网和沙层。试验期间，在土壤的中间位置自上到下依次为5、15、25、35 和45 cm 处安装EM50 土壤水分传感器，测定土壤水分动态过程。试验于2021 年7 月至11 月在青海大学理工楼水利大厅进行，试验进行前，向土槽中注入足够水量（土壤达到田间持水量以上，并产生大量壤中流后静置），待其膨胀量达到相应土壤含水量最大膨胀量。然后静置自然风干，达到相应的初始含水量后，开展降雨入渗产流试验。试验开始前采用高清相机拍照，记录表层裂隙分布（图1）。试验过程中，使用降雨器进行人工降雨，每次降雨历时控制在165 min 左右。同时，对地表径流量进行收集、测量。

图1 不同含水量下土壤表面裂隙图Fig.1 Soil surface crack map with different water content

为了便于分析土壤含水量与裂缝特征之间的关系，采用直径为13.8 cm，高度为2.5 cm 的不锈钢盘，在盘中装入土壤（1.25 g/cm3），用刀削平后饱和（0.48 cm3/cm-3）并称重，做3 个重复。将土盘放入温度为105 ℃的烘箱，每隔1 h 对其称重并拍照（见图2），将土壤裂隙图片导入到Photoshop CS6软件中进行校正并二值化处理，使用matlab R2018b 软件将二值图转化为信息矩阵，导出数据，计算膨胀特征曲线、裂隙面积率等，并进行拟合（见图3）。针对钢槽中的土壤表面裂隙照片，为了避免钢槽边壁等影响，取照片中部尺寸为40 cm×40 cm 的部分，采用上述方法计算表面裂隙面积率，并采用matlab R2018b软件提取裂隙骨架计算裂隙线密度（表3）。变坡钢槽中裂隙面积率实测值与拟合值存在差异（图3），原因在于含水量较高的土壤裂隙发育程度低，图片中的裂隙分布不明显，因此在处理时可能会低估裂隙面积。

图2 膨胀性土壤干缩过程Fig.2 Swelling soil shrinkage process

图3 表面裂缝面积率-土壤含水量关系曲线Fig.3 The surface crack ratio per unit area-soil water content relationship curve

表3 表面裂隙形态特征Tab.3 The surface morphological characteristics of crack

（1）表面裂隙面积率。

式中：Rcr为表面裂隙面积率，%；Acr为裂隙总面积，cm2；A为土壤表面总面积，cm2。

（2）线密度。

式中：LA为线密度，cm/cm2。

通过裂隙面积变化，计算土壤收缩特征曲线，并采用三直线模型［11］进行拟合：

式中：v为比容积，cm3/g；U为质量含水量，g/g；r、n、s为土壤收缩特征曲线的斜率；UA、UB、US分别为拐点处质量含水量；a、b、c是经验常数。拟合参数值见表4。

表4 三直线模型拟合参数Tab.4 Trilinear model fitting parameters

2 结果与分析

2.1 土壤水分入渗特征

土壤累积入渗量随时间变化关系如图4 所示。可以看出，土壤累计入渗量均随时间的增大而单调增加。降雨历时165 min 时，不同水分处理间土壤累计入渗量在53.71～80.74 mm 之间，其中最大的为0.24 cm3/cm3，其次是0.27 cm3/cm3，最小的为0.31 cm3/cm3（表5）。说明同一入渗时刻，土壤初始含水量越低，累计入渗量越大。由三直线拟合结果，以及图2结果可知，土壤在干缩过程中，会产生大量干缩裂隙，且裂隙面积随着含水量的减少而增大。裂隙的发育能提高土壤渗透性，增加土壤入渗率与累计入渗量［18］。并且土壤初始含水量越小，基质吸力越大，累计入渗量越大［20］。因此土壤初始含水量越低，土壤裂隙发育程度越高，土壤累计入渗量越大。

图4 土壤累计入渗量随时间变化关系Fig.4 Cumulative infiltration changed over time

表5 不同初始含水量的土壤入渗参数Tab.5 Soil infiltration parameters for different initial water contents

初始入渗率指0～5 min 的平均入渗率，初始含水量为0.24和0.27 cm3/cm3的土壤在0～5 min 内未产生径流，因此取雨强（0.07 cm/min）作为初始入渗率。稳定入渗率为趋于稳定时的入渗速率；平均入渗率为达到稳渗时的累积入渗量与时间的比值。不同初始含水量的土壤入渗特征值见表5。可以看出，不同水分处理间稳定入渗率大小顺序为0.24 cm3/cm3＞0.27 cm3/cm3＞0.31 cm3/cm3，其中含水量为0.24 cm3/cm3的土壤稳渗率较0.27 和0.31 cm3/cm3的土壤分别增加了14.29%、26.19%。平均入渗率的大小顺序为0.24 cm3/cm-3＞0.27 cm3/cm3＞0.31 cm3/cm3，其中含水量为0.24 cm3/cm3的土壤平均入渗率较0.27 和0.31 cm3/cm3的土壤分别增加了24.39%、29.41%。含水量为0.31 cm3/cm3的土壤初始入渗率较0.24 cm3/cm3的土壤下降了27.14%。不同水分处理间的初始入渗率、稳定入渗率以及平均入渗率均表现为0.24 cm3/cm3＞0.27 cm3/cm3＞0.31 cm3/cm3。

2.2 土壤径流强度随时间变化规律

土壤径流强度随时间变化过程见图5，可以看出，初始含水量为0.24、0.27、0.31 cm3/cm3的土壤表面产流时间较降雨滞后57、15、0 min，这是由于坡面土壤裂隙在降雨重新分配中起重要作用，裂隙提高了土壤水分入渗量，减少地表径流量，延缓了地表径流的形成时间［21］。说明土壤初始含水量越小，裂隙发育程度越高，地表产流较降雨滞后时间越长。初始含水量为0.24 cm3/cm3的土壤径流强度在出现产流后25 min 左右开始趋于稳定值，径流强度在0.019～0.027 cm/min 之间变化，但稳定持续时间较短，45 min 后径流强度出现剧烈波动；含水量为0.27 cm3/cm3的土壤径流强度在出现产流后19 min 左右开始趋于稳定值，径流强度在0.037～0.046 cm/min 之间变化，稳定时间持续70 min 左右，之后径流强度出现剧烈波动；初始含水量为0.31 cm3/cm3的土壤径流强度在产流开始0～5 min 内径流强度迅速递增，之后逐渐趋于稳定，径流强度在0.032～0.046 cm/min 之间变化，稳定持续时间150 min 左右。由此可知，随着土壤初始含水量的升高，径流强度趋于稳定的时间越短，且稳定持续时间越长，这种变化趋势与张向炎等［22］研究红壤上的结果一致。在降雨试验后期，初始含水量为0.24和0.27 cm3/cm3的土壤径流强度出现了陡升陡降的趋势。在降雨试验过程中，土壤容易被雨滴击溅侵蚀，溅蚀过程中土壤的干缩裂隙会遭到压实或被溅散的细颗粒土壤封堵而破坏［23］。因此经长时间降雨，土体自身的干缩裂隙和与容器边壁产生的裂隙出现塌落、堵塞、闭合等情况，进而引起径流强度陡升，当堵塞裂隙在降雨径流的冲刷下再次贯通时，则会引起径流强度陡降。

图5 径流强度随时间变化关系Fig.5 The runoff intensity changed over time

2.3 土壤剖面水分动态随时间变化规律

土壤剖面水分动态随时间变化如图6所示，降雨90 min时，初始含水量为0.24 cm3/cm3的土壤在0～10 和30～40 cm 的土层处含水量均出现明显增幅，平均含水量变化率分别为54%和24%，在10～20、20～30 和40～50 cm 的土层处含水量增幅较小，平均含水量变化率分别为10%、1%和9%，此外，平均含水量变化率随深度的增加呈现先下降后上升再下降的趋势，原因在于膨胀性土壤的干缩裂隙会促进优先流的发育，部分土壤水分入渗可绕过土壤基质沿裂隙快速下渗［27］补给深层土壤，导致10～30 cm 的土层处含水量增幅较小，而30～40 cm 处含水量增幅明显，当土壤水分到达裂隙底端时会进一步入渗，此时的含水量增幅程度会随着深度的增加缓慢下降，因此40～50 cm 的土层处含水量增幅较小；初始含水量为0.27 cm3/cm3的土壤在0～10 cm的土层处含水量增幅明显，平均含水量变化率为44%，在10～50 cm 的土层处含水量增幅较小，其中30～40 cm 处平均含水量变化率为5%，由于干缩裂隙发育程度低，优先流强度小，导致在30～40 cm 处含水量增幅小；初始含水量为0.31 cm3/cm3的土壤在0～10 和10～20 cm 的土层处含水量增幅明显，平均含水量变化率分别为32%和24%，原因在于土壤初始含水量高，裂隙发育程度低，且土壤基质吸力小，导致水分入渗能力差，大部分水分入渗只集中在土壤的0～25 cm 处，只有少量水分可以通过裂隙下渗，因此在30～40 cm 的土层处平均含水量变化率只有2%，在40～50 cm 处含水量增幅不明显。降雨165 min 时，初始含水量为0.24和0.27 cm3/cm3的土壤剖面含水量增幅程度基本一致，由于表层0～10 cm 的土壤在90 min 时已达到田间持水量以上，因此土壤含水量在90～165 min 内增幅不明显，在10～50 cm 处，初始含水量为0.24和0.27 cm3/cm3的土壤含水量增幅程度，随着深度的变化逐渐减小；初始含水量为0.31 cm3/cm3的土壤剖面含水量变化不明显。0～165 min 土壤剖面含水量变化率如图7 所示，不同水分处理间土壤剖面含水量增幅最大的为0.24 cm3/cm3，其次是0.27 cm3/cm3，最小的为0.31 cm3/cm3，且平均含水量变化率均随深度的增加呈现先下降后上升再下降的趋势。说明膨胀性土壤的干缩裂隙会促进优先流的形成，土壤初始含水量越低，干缩裂隙发育程度越高，土壤水分对深层土壤的补给能力越强。

图6 土壤剖面水分动态变化图Fig.6 Dynamic variation of water in soil profile

图7 0～165 min土壤剖面含水量变化率Fig.7 0～165 min Rate of change in soil profile water content

3 讨论

膨胀性土壤的干缩裂隙提高了土壤水分入渗的能力，本试验中，初始、稳定、平均入渗率的最大值均出现在初始含水量为0.24 cm3/cm3的土壤上，最小值均在0.31 cm3/cm3的土壤。陈玺等［20］指出土壤初始含水量越小，基质势越小即基质吸力越大，土壤入渗量越大。并且初始含水量越低，土壤的干缩裂隙发育程度越高，裂隙的存在有助于促进优先流的发育，使部分土壤水分绕过土壤基质区，并沿着裂隙快速下渗［24］。因此土壤初始入渗率和平均入渗率可以得到明显提升。LIU等［13］在研究水稻土裂隙中发现，当土壤遇水膨胀导致裂缝闭合后，土壤的稳定入渗率会降低甚至低于未开裂土壤。CHENG 等［25］的研究指出裂隙土的稳定入渗率随着初始含水量的增加而增加，且不受裂隙影响。然而本研究结果表明稳定入渗率会随着裂隙发育程度的提高而增加，这与罗莹丽等［18］的研究结果一致，与上述［13，25］的研究结果存在差异。印家旺等［26］的研究结果表明稳定入渗率与土壤的非毛管孔隙度间呈显著正相关，因此产生差异的原因可能与稳渗阶段土壤内部的非毛管孔隙度有关。段赫等［27］在研究稻田土壤裂隙开闭规律时发现，裂隙的形成和闭合过程之间不可逆，裂隙在增湿后不能完全闭合，并且土壤干燥时间越长，通过增湿闭合的难度越高。GREV［28］的研究结果也表明，即使土壤表面裂隙闭合，仍存在优先流路径。因此，达到稳渗阶段的土壤，其内部裂隙并未完全闭合，仍有裂隙为水分下渗提供通道。所以裂隙发育程度越高，稳定入渗率越大。

土壤剖面水分动态随时间变化规律显示，土壤表层0～15 cm 处主要为基质流作用，15～50 cm 主要为优先流作用，当土壤初始含水量越低时，土壤水分运移表现出明显的优先流特征，说明裂隙能够促进水分入渗。表面裂隙率与累计入渗量具有较好的相关关系，相关系数为0.99，线密度与累计入渗量的相关程度良好，相关系数为0.87。说明表面裂隙面积率和线密度越大，裂隙对入渗的作用越显著，这与张展羽等［29］等的研究一致。另外在降雨历时90 min 时，30～50 cm 深的土层处，初始含水量为0.24 cm3/cm-3的土壤含水量提高了17%，0.27 cm3/cm3的土壤含水量提高了3%；90～180 min 时，30～50 cm 深的土层处，初始含水量为0.24 cm3/cm3的土壤含水量提高了2%，0.27 cm3/cm3的土壤含水量提高了3%。导致初始含水量为0.24 cm3/cm3的土壤在90～165 min 内含水量增幅程度大幅减弱的原因可能是，土壤在自重应力作用下，发生了侧向变形，导致干缩裂隙闭合，并且含水量越大，侧向变形越大。在第90 min，初始含水量为0.24 和0.27 cm3/cm-3的土壤在30～50 cm 深处含水量为0.33和0.32 cm3/cm3。因此在相同的自重力作用下，含水量越高，侧向变形越大，导致土壤水分入渗能力变差。