基于土箱模拟的花岗岩红壤优先流研究

摘要

优先流(Preferential flow)是水分通过土壤中“优先路径”绕过土壤基质快速穿透到深层的一种常见土壤水分运动形式。基于花岗岩发育的特性，近几年也逐渐出现以长江三峡地区为代表针对花岗岩土壤中优先流的研究，其中对其降雨因子或灌溉特性影响方面的研究较多。但少有考虑到花岗岩崩岗物理特性从土壤风化过程导致的优先通道发育程度不同的角度。由于优先流属于非平衡入渗，基于高频监测结合优先流类型及初始含水量来分析优先流与降雨因子之间响应关系的研究对优先流研究具有重要意义和科研价值。
　　以通城县典型的花岗岩母质发育的四种土壤为实验材料，基于花岗岩的物理特性采用“上壤下砂，固上变下”的原理配制优先通道发育程度不同的3个土箱ⅠⅡⅢ，对每个土箱进行了6次不同初始含水量（12.2％-23.6％）和雨强(0.7 mm/min、1.2mm/min)的模拟降雨，时域反射仪(TDR)高频循环监测整个土体不同部位水分动态变化（6 min一次含水量读数）。判断优先流的产生、分析优先流特征（类型、范围、量、程度）以及对水分运移过程的影响（入渗、出流、分布），确立优先流发生及类型的定性分析方法，对优先流面积、量定性分析，研究了在不同条件（通道发育程度、初始含水量、降雨强度）下花岗岩母质土壤中优先流的基本特性、发生规律和对水分运移的影响，主要得出的结果下:
　　(1)土箱红土层性质相同，砂土层砂性大小为土箱Ⅰ＞土箱Ⅱ≈土箱Ⅲ。土箱Ⅰ导水透水能力最强，饱和导水率与孔隙度比值约是土箱Ⅱ和土箱Ⅲ的1.6倍。土箱Ⅱ上层优先通道发育较强，下层发育较弱，因此整体通道的连通性弱。土箱Ⅲ上下土层优先通道发育程度最平均，连通性最强。基于土壤孔隙度、容重、饱和导水率等物理参数综合评价三个土箱的优先通道发育程度及优势由高到低分别是发育程度优的土箱Ⅰ(★★★)、发育程度较优的土箱Ⅲ(★★☆)、发育程度良的土箱Ⅱ(★★)。
　　(2)土体的水分渗透能力和通道连通性决定优先流“快”的特性，降雨总量决定优先流与土壤周围基质发生交换作用程度（反应量）。导水能力最强的土箱Ⅰ优先流发生面积最大，占土体剖面积的75％。土体上层优先通道的导水能力主要影响优先流面积大小，因此土箱Ⅱ优先流面积大于土箱Ⅲ。通道连通性强的土箱Ⅲ优先流量的分布深度最广。土箱Ⅰ平均瞬时补给量（含水量瞬时增量）46.9 m最小，水分穿透性最强，优先流发生剧烈。优先流程度在雨强1.2 mm/min时，随初始含水量的增加而减小;雨强0.7 mm/min时，随初始含水量变化规律呈现双向性。优先流程度随雨强增加的幅度与土箱优先通道发育状况有关。
　　(3)土壤水分增量等值线趋势图（土箱坐标化）表明存在三种形式的优先流:大孔隙流(M)、指流/漏斗流(F)和环绕流(B)。优先流出现概率随土层深度的增加而减少，大孔隙流出现概率最大，集中分布于土层0-40 cm范围的概率为72％，横向延伸比其余两种类型更具有优势。指流/漏斗流和环绕流出现概率相对较小，主要分布在20-60 cm的出现概率为71％和64％，在优先流深度上的扩展更具有优势，影响大孔隙流的向下发展趋势。大孔隙流发生面积最大，随雨强的增大而增大，是其余两类优先流的2.0-2.7倍，通道连通性强增加的幅度越大。小雨强下，大孔隙流量所占比例有所下降，幅度与导水能力有关;环绕流量比例有上升趋势，幅度与通道连通性有关。指流/漏斗流和环绕流在发生强度（优先流量/发生面积）远大于大孔隙流，雨强增大强度差有增加趋势。
　　(4)根据不同深度的水分含量变化时间差，估算湿润锋运移的最快水流速率。雨强1.2 mm/min，估算速率和实测速率大小均为土箱Ⅰ＞土箱Ⅲ＞土箱Ⅱ。实际测量湿润锋速率在大小雨强下均随初始含水量增加而增大，在估算湿润锋速率中，雨强小而初始含水量高的处理出现反常（偏小）。优先流类型对湿润锋运移速率影响由大到小依次是环绕流(B)、指流/漏斗流(F)和大孔隙流(M)。优先流程度越高土壤对入渗水分的吸持量越少。
　　(5)出流特性受优先通道发育状况、初始含水量和降雨因子影响表现的特征不同。出流总量随降雨总量增大而增大，初始出流时间随雨强和初始含水量增大而增快，土箱Ⅰ平均出流最快，其次是土箱Ⅲ、土箱Ⅱ，优先流通道发育越好出流越快。一定范围内，初始出流时间随初始含水量增加而增快，初始含水量过高或过低都影响出流滞后。累积出流量大小比较为土箱Ⅰ＞土箱Ⅲ＞土箱Ⅱ，优先流通道越是发育初始出流时间越快且出流量越大。雨强1.2 mm/min的优先流速率是0.7 mm/min的1.8-4.0倍，优先流通道越是发育的倍值越大。从出流速率与雨强的比值看，土箱Ⅱ中优先流导水能力明显弱于土箱Ⅰ和土箱Ⅲ。
　　(6)优先流发生位置与含水量增值分布对应关系较强，其中大孔隙流(M)附近的水分变化增值最大。含水量增值变化（降雨前后24小时）受雨强影响与优先流程度的响应规律相反，雨强0.7 mm/min时，含水量增值随优先流程度的增加而减小;雨强1.2 mm/min时，含水量增值随优先流程度增加而增加。对三个土箱中优先流程度最高的处理进行统计，优先流发生明显区域是非优先流区域或优先流发生不明显区域的1.8-2.1倍，出现大孔隙流(M)的层次体积含水量变化值为4.1-20.8％，大于指流/漏斗流(F)或环绕流(B)。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 研究背景及意义

1．2 研究概况

1．2．1 优先流概念及分类

1．2．2 优先流特征

1．2．3 优先流影响因子的研究

1．2．4 优先流观测方法与探测技术

1．2．5 花岗岩优先流与花岗岩崩岗侵蚀

1．3 研究目标和内容

2 材料与方法

2．1 技术路线

2．2 采样区概况

2．3 土壤样品采集及土箱装样

2．4 实验设计与处理

2．5 实验装置与设备

2．5．1 实验装置

2．5．2 实验土箱

2．5．3 降水装置

2．6 测定项目与方法

2．6．1 土柱基本物理参数值

2．6．2 土壤含水量测量

2．6．3 降雨入渗过程观测方法

2．6．4 数据处理

3 结果与分析

3．1 土箱土壤性质

3．1．1 土壤物理性质

3．1．2 优先流路径状况

3．2 优先流影响范围及程度

3．2．1 优先流发生面积和反应量的计算

3．2．2 优先流的影响范围及与反应量大小

3．2．3 优先流程度

3．3 优先流发生的类型

3．3．1 优先流类型的判定

3．3．2 优先流类型的剖面分布

3．3．3 不同类型优先流的特征

3．4 优先流对水分入渗吸持的影响

3．4．1 含水量监测估算的入渗锋速率

3．4．2 实际观测的入渗锋速率

3．4．3 优先流类型对湿润锋的影响

3．4．4 优先流对土壤水分吸持量的影响

3．5 优先流对水分出流的影响

3．5．1 出流基本参数特征

3．5．2 累积出流量及变化

3．5．3 优先流速率

3．6 优先流与水分再分布特征

3．6．1 优先流程度对水分再分布的影响

3．6．2 优先流类型对水分分布的影响

4 讨论

4．1 土壤物理性质对花岗岩红壤优先流的影响

4．2 土壤含水量变化与优先流识别的关系

4．3 TDR监测下的湿润锋估算值与实测值的对比

4．4 花岗岩红壤优先流特征

5 结论与展望

5．1 结论

5．1．1 土壤优先流通道发育状况对优先流发生范围的影响

5．1．2 优先流反应量及程度特征

5．1．3 优先流类型特征

5．1．4 优先流对水分入渗吸持的影响

5．1．5 优先流对水分出流的影响

5．1．6 优先流对水分分布的影响

5．2 研究展望

参考文献

致谢