土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土入渗性能的影响.docx
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土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土入渗性能的影响
土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土入渗性能的影响
2009年4月
7
（2）:
卜6
中国水土保持科学
ScienceofSoilandWaterConservation
Vo1.7No.2
Apr.2009
土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土入渗性能的影响
刘汗,雷廷武,赵军
（1.中国农业大学水利与土木工程学院现代精细农业系统综合研究重点实验室,100083,北京;
2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与早地农业国家重点实验室,712100,陕西杨凌）
摘要为研究初始含水率和降雨强度对土壤入渗性能的影响,采用径流一人流一出流法和双环入渗法测量比较,采
用不同降雨强度（20,40和60mm/h）和3种土壤含水率（2.60%,10.4%和19.5%）进行试验比较.结果表明:
土壤入
渗性能随着降雨强度的增加而降低,随着初始含水率的增加而降低;双环法测量的土壤初始入渗率随着含水率增
加而增加,稳定人渗率则随着含水率的增加而降低.同时,通过Kostiakov,Ho~on和Philip入渗模型对试验结果进行
回归分析,径流一人流一出流法测量结果均优于双环法测量结果,而且Ho~on入渗模型回归结果优于其他人渗模型.
关键词土壤含水率;人渗性能;降雨;双环入渗法;地表结皮
Effectsofinitialsoilwatercontentandrainfallintensityon
Loessinfiltrationcapacity
LiuHan,LeiTingwul-,ZhaoJun
（1.KeyLaboratoryofModemPrecisionAgricultureSystemIntegrationResearch,CollegeofWaterConservancyandCM1Engineering,
ChinaAgriculturalUniversity,100083,Beijing;2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFanningontheLoessPlateau,
InstituteofSoilandWaterConservation,CAS&MWR,712100,Yani"g,Shaanxi:
China）
AbstractTheRun—off-on?
out（ROOO）methodwasusedtomeasuresoilinfiltrabilityinordertoresearchthe
effectsofrainfallintensityandsoilwatercontentonsoilinfihrabilitycomparedwithDoubleRing（DR）
method.Theexperimentsinvolved3soilmoisturecontents（2.6%,10.4%and19.5%）and3rainfallinten-
sities（20,40and60mm/h）.SoilinfihrabilitymeasuredbytheROOOmethoddecreasedwithhigherinitial
soilwatercontentandrainfallintensity.However,theinitialsoilinfihrabilityobtainedbyDRmethodin—
creasedwithhighersoilwatercontent,aswellasthestableinfiltrabilitydecreasedwithhighersoilwatercon—
tent.ThesoilinfihrabilityprocessesmeasuredwiththeROOOmethodgivebetterfittingswithKostiakov,Hor—
tonandPhilipinfihrationmodels,thanthosemeasuredwithdouble—ringinfiltrometer.Moreover,theHorton
infiltrationmodelgivesthebestfittingresultscomparingwithothermodels.
Keywordssoilwatercontent;infiltrability;rainfall;doubleringmethod;surfacecrust
土壤人渗是地表水转化过程中的重要环节,在
水循环过程中具有重要的作用.土壤入渗性能对于
水资源高效利用,农业灌溉和水文环境等领域具有
重要的意义.
土壤水分人渗是水分在土壤内部分布的一个动
态过程,因此,土壤初始含水率的变化必然影响土壤
入渗过程.随着土壤初始含水率的增加,非稳渗阶
段的入渗速率迅速降低,趋于稳定人渗速率的时间
收稿日期:
2008-06—30修回日期:
2oo8—1卜11
项目名称:
国家自然科学基金"黄土区多尺度小流域土壤水蚀动态过程模拟研究"（40635027）;天水籍河重点支流治理项目（二
期）水土保持监测体系建设
第一作者简介:
刘汗（1981一）,男,博士研究生.主要研究方向:
土壤侵蚀及水土保持.E—mail:
lylblh@yahoo.COB.cn.
十责任作者简介:
雷廷武（1958一）,男,博士,教授,博士生导师.主要研究方向:
土壤侵蚀及水土保持.E—mail:
ddragon@pub—
.an
2中国水土保持科学2009矩
缩短….G.B.Bodman等Ⅲ2认为,在人渗初期,随
着土壤含水率的增加,土壤入渗速率减小,随着时间
的延续,含水率对入渗的影响变小,最终可以忽略.
J.D.Eigle等_3的研究表明,土壤结皮对裸地入渗
的影响大大超过其他因素的影响,其减少人渗量可
达80%.降雨动能与降雨强度密切相关,因此,降
雨强度也是影响土壤降雨人渗性能的重要因素.J.
Rubin_4和A.0.Aken等5J的研究表明,不同降雨
强度下,入渗曲线形式是相同的,如果降雨历时足够
长,均质土壤的稳定入渗率,人渗总量与降雨强度无
关,但瞬时人渗速率受降雨强度大小和时间变化影
响较大.国内也有一些不同的研究结果:
随着降雨
强度增大,土壤入渗率和稳定入渗率均有增大的趋
势¨6,但大部分研究都是针对土壤实际人渗率与
降雨强度之间的关系,而对于土壤入渗性能（最大入
渗能力）与降雨强度关系的研究非常少.
双环入渗是常用的土壤入渗测量仪器,可以方
便快速地测量土壤人渗率,具有结构简单,操作简便
和移动方便等特点_8j.由于双环入渗法测量过程中
需要保持环内水位高度稳定一致,因此不适用于坡
地土壤测量.人工降雨法也是较为广泛使用测量土
壤入渗的方法之一.通过模拟天然降雨,测量降雨
量与产流量随时间变化过程,即可计算土壤人渗率
变化过程,具有不受地形限制适应性强的特点,而且
综合考虑了降雨引起土壤侵蚀对土壤人渗过程的影
响;但人工降雨法测量土壤入渗率受降雨强度限
制,只能测量土壤人渗性能小于降雨强度部分.雷
廷武等¨lo_研究了一种测量土壤人渗性能的径流一人
流一出流法,可以方便测量模拟天然降雨条件下,土
壤人渗性能变化全过程.
笔者主要采用径流一人流一出流法,以双环人渗
仪测量结果作为对照,.研究不同土壤含水率和降雨
强度对土壤入渗性能的影响,并通过传统入渗计算
模型回归分析比较研究结果的合理性.
1材料与方法
试验在中国科学院水土保持研究所黄土高原土
壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室的人工降雨大厅
进行.试验土壤为陕西杨凌的黏黄土,土样采自地
表20～30cm土层,土壤颗粒组成如表1所示.
表1试验土壤颗粒组成
Tab.1Particlesizedistributionoftheexperimentalsoil
试验所需初始土壤含水率按田间持水量的百分
比配置,分别为自然风干土,体积含水率为10.4%
（约等于田间持水量的30%）和体积含水率为
19.5%（约等于田间持水量的60%）的土壤.土壤含
水率按要求配置后均用塑料薄膜覆盖密封处理7～
10d,一方面防止土壤表层水分散失,另一方面使土
壤充分熟化,含水率进一步均匀.实验用水平土槽
尺寸为8m×3m×0.5m,按照5cm厚度分层装土,
土层总厚度为25cm,密度为1.3g/cm3,装土时采用
自制钢钉插实,避免传统方法表面打压夯实,破坏表
层土壤结构.装土后用塑料薄膜覆盖进行密闭处
理,翌日进行试验,以使土壤水分进一步均匀,试验
前再次现场快速测定土壤含水率,以确保所配置含
水率符合试验要求.
采用产渗流土壤人渗性能测量仪_10_测定不同
土壤含水率下土壤入渗变化过程,该仪器装置如图
1所示,包括人工模拟降雨装置（图1（a））和下垫面
设置（图1（b））,其中,下垫面分隔设计3个相同尺
寸土槽,相当于3次重复试验.实验过程中记录径
（a】人工降雨装置
（b）F垫面设置
图1径流一入流一出流法测量系统
Fig.1Schematicsystemofthe13in—off-on—outmethod
流在地表随时间推进的过程,代人计算模型得出土
壤人渗性能随时间变化规律.本研究设计了3种不
同的降雨强度,分别为20,40和60mm/h,研究稳定
降雨强度下,不同含水率对土壤入渗性能的影响.
同时采用传统双环入渗法作为对照,双环入渗仪内
第2期刘汗等:
土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土人渗性能的影响
外环直径分别为28和53cm,采用马氏瓶补给内环
水量维持稳定水位,3次重复实验.
2结果与分析
2.1降雨强度对土壤入渗性能影响
在稳定降雨强度下,径流一人流一出流法测量的
土壤入渗性能大于双环入渗法（图2～4）,特别是试
验开始阶段的初始入渗性能.如图2所示,径流一人
流一出流法测量的稳定入渗率远大于双环入渗法,是
双环法测量数值的2—4倍,而随着降雨强度的增大
（图3～4）,稳定人渗率之间的差别逐渐缩小.原因
在于雨滴动能随着降雨强度的增加而增加,而雨滴
动能是土壤表面结皮的重要影响因素,降雨强度增
加使得结皮发育更成熟,导致稳定入渗率大幅下降,
与双环入渗法的差异随之缩小.表2为不同降雨强
度下降雨动能计算列表,对于不同研究地区的不同
计算公式结果均表明,随着降雨强度增大,降雨动能
逐渐增大,但增加趋势逐渐变缓,也就是说降雨动能
增加的趋势小于降雨强度增加趋势.这与不同降雨
强度下土壤入渗性能变化曲线趋势是一致的（图2
～
4）,即降雨强度20mm/h与40mm/h的入渗性能
曲线之间的差异大于降雨强度40mm/h与60mm/h
入渗性能曲线之间的差异,一定程度上说明了径流一
人流一出流法测量结果的合理性.
三
l
瓣
<
图2降雨强度20min/h下土壤入渗性能曲线与
双环法测量比较
Fig.2Comparisonofinfiltrabilitycurvesunder20mm/h
withdoubleringmethod
因此,径流一人流一出流法测量土壤入渗性能随
着降雨强度的增加而逐渐降低,并逐渐趋于稳定;原
因在于随着降雨强度的增加,降雨动能增加趋势变
缓,雨滴对地表的打击扰动能力逐渐达到相对稳定
值,不再随降雨强度增大而线性递增,地表结皮程度
也相应达到稳定.在试验过程中,20mm/h降雨强
度下一直未见有径流出流,说明此工况下土壤稳定
入渗率大于降雨强度,所有降雨及径流完全入渗,而
传统的降雨入渗测量方法对于未产流的情况,很难
测量土壤人渗性能变化过程.
皇
喜
斛
斑
<
时间/l1
图3降雨强度40mm/h下土壤入渗性能曲线与
双环法测量比较
Fig.3Comparisonofinfiltrabilitycurvesunder40mm/h
withdoubleringmethod
昌
.1;{L
<
时间/l1
图4降雨强度60mm/h下土壤入渗性能曲线与
双环法测量比较
Fig.4Comparisonofinfiltrabilitycurvesunder60mm/hwith
doubleringmethod
双环入渗法测量土壤入渗性能小于径流一人流一
出流法测量结果,可能的原因如下:
一方面双环人渗
法在测量开始时,需要向内外环迅速加水造成土壤
快速湿润,土壤颗粒迅速崩解分散,堵塞土壤孔隙通
道,很短时间内就引起土壤表面结皮,土壤人渗性能
随之迅速降低,并且由于双环入渗法为积水人渗在
土壤表面形成水封,使得土壤中的气体无法及时排
出,阻碍了水分的正常人渗;另一方面双环法测量试
验开始阶段,土壤初始人渗性能很高,马氏瓶供水能
力受限于出水口直径和管径,未能及时补给双环入
渗所需水量,为非充分供水人渗.
4中国水土保持科学2009年
K=11.87+8.731ogi
K=29（1—0.72exp（一0.051））
K=36.8（1一O.69exp（一O.0381））
K=28.3（1一O.52exp（一O.0421））
K=27.83+11.551ogl
K=32.98+12.131ogl
23.23
21.32
24.93
21.95
42-86
48.76
25.86
26.17
31.25
25.56
46.33
52.41
27.39W.H.Wischmeier等【"J
27.96L.C.Brown等lJ
34.20A.W.Jayawardena等[]
27.12A.M.VanDiik【j
48.37江忠善等[15针对中国西北地区普通雨型
54.55江忠善等[]针对中国西北地区矩阵型雨型
2.2含水率对土壤入渗性能影响
图2～4径流一人流一出流法测量结果表明,土壤
初始含水率增加时,土壤入渗性能降低速度更快.
对于40mm/h（图3）和60mm/h（图4）降雨强度,随
着降雨强度的增大,土壤含水率对土壤入渗性能的
影响逐渐缩小,土壤入渗性能曲线趋于一致.
径流一人流一出流法土壤初始含水率增加时,土
壤入渗性能降低速度更快,可能的原因是随着土壤
含水率增加,初始土壤水吸力降低,水力梯度逐渐减
小,土壤入渗性能降低速度加快.随着降雨强度的
增大,土壤含水率对土壤入渗性能的影响逐渐缩小,
土壤入渗性能曲线趋于一致.可能的原因是,在较
大降雨强度时,土壤表面结皮对入渗性能的影响占
据主要作用,而含水率对入渗的影响相对处于次要
位置.说明随着降雨强度的增加,含水率的变化对
土壤入渗性能的影响逐渐降低.
用图2～4双环入渗法测量的结果表明,试验初
始阶段土壤初始入渗率随着土壤含水率增加而增
加,稳定人渗率随着土壤含水率的增加而减小.可
能的原因是:
双环人渗法开始测量时,需要向内外环
同时加水,土壤颗粒快速湿润分散,堵塞土壤孔隙引
起地表结皮,严重影响土壤人渗,掩盖了土壤含水率
对入渗性能的影响;因此,在双环人渗初始阶段,地
表结皮状况对入渗的影响大于含水率变化对初始入
渗的影响,尤其是对于含水率较低的干燥土壤
（2.60%）,地表快速湿润时更容易形成结皮.所以,
用双环入渗法测得的土壤初始入渗率随着初始含水
率的降低而降低.对于初始含水率较高的土壤
（10.4%与19.5%）,地表结皮敏感度降低,初始入渗
率之间的差异逐渐缩小.当地表结皮程度相对稳定
后,水力梯度逐渐成为影响人渗的主导因素,初始含
水率较低的土壤水力梯度越大,有利于增加土壤入
渗,双环入渗法测量的稳定入渗率随着含水率降低
而增加.
2.3土壤累积入渗量比较
图5～7比较了双环入渗法和径流一人流一出流
法不同试验状况下的累积人渗量.径流一人流一出流
法的累积入渗量均大于双环法的累积入渗量,特别
是较小降雨强度20mm/h时,径流一人流一出流法累
积入渗量约为同时段双环累积入渗量的2～4倍.
可能的原因是,双环入渗法和径流一入流一出流法测
量过程中不同的湿润速度,引起地表不同程度的结
皮直接影响土壤入渗.双环人渗法在测量开始时,
快速湿润会引起严重的地表结皮,而径流一人流一出
流法对地表土壤颗粒而言,降雨首先起到了预湿润
的作用,而随后的径流逐步湿润;因此,湿润速度与
双环人渗相比较慢,并且土壤孔隙通道中空气随着
降雨持续而逐渐被排出,不会瞬间被压缩形成气泡
直至破裂,从而破坏土壤结构.
第2期刘汗等:
土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土入渗性能的影响5
300
I200
<
鼬{5100
0
●2.6O%,40mm/h
◆lO-4%,40mrn/h
▲19.5%40mm/h
o2.60%,双环人渗法
◇10.4%,双环人渗法
△19.5%,双环入渗法
象22宝
0_20.40.6081.0
时间/h
图6降雨强度40mm/h累积入渗与双环法累积入渗量比较
Fig.6Comparisonofcumulativeinfiltrationunder40mm/h
withdoubleringmethod
300
目200
<
100
●2.6O%.60mm/h
◆10.4%.60mm/h
▲19.5%.60mm/h
O2.60%,双环入渗法
o10.4%,双环人渗法
△19.5%,双环人渗法
罢是窘盒222宝2
时f目/h
图7降雨强度60mm/h累积入渗与双环累积人渗量比较
Fig.7Comparisonofcumulativeinfiltrationunder60mm/h
withdoubleringmethod
线性增加.可能的原因是,由于降雨强度较小,影响
入渗的主导因素为水力梯度,累积入渗量随着土壤
含水率的增加而逐渐降低_1.对于40mm/h（图6）
和60mm/h（图7）较大降雨强度时,降雨动能增加的
同时地表湿润速度加快,由此引起的地表结皮会显
着降低土壤人渗性能,而随着降雨强度递增,地表结
皮程度达到相对稳定状态;因此,随着降雨强度的增
加,含水率对累积人渗量的影响逐渐变小.图5～7
不同降雨强度累积人渗量比较表明,20mm/h降雨
强度累积入渗量远大于40和60mm/h降雨强度,主
要原因是降雨强度增加,雨滴对地表打击夯实能力
增强,使得地表结皮状况更严重,产流转化率迅速提
高,土壤人渗性能降低.尽管20mm/h降雨强度相
比40和60mm/h更小,相同时间内降雨量更少,但
径流一人流一出流法中降雨产流面的上方来水,能够
满足20mm/h降雨强度下为充分供水人渗,表现土
壤的真实人渗性能.
不同含水率状况下,双环人渗法测量累积人渗
量曲线均非常接近（图5）,可能的原因是双环人渗
法测量开始向内外环注水时,快速一致的湿润速度
决定了地表结皮状况的相似性,进一步决定土壤累
积入渗曲线的相似性.当试验后期水力梯度逐渐对
入渗起主导作用时,双环法测量累积入渗量结果表
明,随着土壤含水率的增加而减少.
2.4土壤入渗计算模型回归比较
传统入渗计算模型对不同测量方法试验结果回
归分析（表3）表明,径流一人流～出流法测量数据的
回归计算结果均显着优于双环入渗法测量数据的回
归计算结果,一定程度上说明了径流一人流一出流法
测量不同含水率对土壤入渗性能影响的合理性,均
能够很好的满足经典入渗理论模型描述土壤入渗性
能变化过程.其中,径流一人流一出流法测量结果入
渗模型回归决定系数R为0.940.99.而对于双
环入渗法测量结果,Horton入渗模型回归分析结果
是最好的,回归决定系数为0.97—0.99,明显优
于A.N.K0stiakov[']（0.86<R<0.93）和J.R.
Philip_l副（0.76<R<0.84）入渗模型回归计算结果,
这与M.K.Shukla等_19¨的研究结果是一致的.
3结论与讨论
1）径流一人流一出流法测量结果表明,土壤人渗
性能随着降雨强度的增加而降低,随着含水率的增
加而降低,而且随着降雨强度的增加,含水率变化对
土壤人渗性能的影响逐渐降低.双环入渗法测量结
果表明,初始人渗率随着土壤含水率增加而增加,稳
定人渗率随着土壤含水率的增加而减小;主要原因
是双环人渗仪测量初期地表结皮是影响初始入渗的
主要因素,之后含水率变化引起的水力梯度才逐渐
成为影响人渗的主要因素.解文艳等_20_通过双环
入渗仪野外实验研究土壤含水量对土壤人渗能力的
影响也得出相似的结论.
2）径流一人流一出流法测量的稳定入渗率大于
双环人渗法,20mm/h较小降雨强度时约为双环测
量数值的2～4倍,而随着降雨强度的增大,稳定人
渗率之间的差别逐渐缩小.
3）通过Kostiakov,Horton和Philip入渗计算模型
回归拟合,径流一人流一出流法测量结果回归分析优
于双环入渗法测量结果,Horton入渗模型回归决定
系数优于其他人渗模型.
由于该研究在室内条件下进行实验比较,进一
步可以考虑更为广泛的野外应用研究,为水文水资
源,灌溉管理及土壤侵蚀等相关学科提供参考.
6中国水土保持科学2009年
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