紫色土典型三角形层状剖面入渗模拟

1、第 2 l 卷 第 3期 2 0 1 0年 5月 水科学进展 advances i n w ater s ci ence vo 1 21。 no 3 ma y，2 01 0 紫色土典型三角形层状剖面入渗模拟 程冬 兵 ，张平仓 ，李亚龙 ，蔡崇法 ( 1 长江科学 院水土保持研究所 ，湖北 武汉4 3 0 0 1 0；2 华 中农业大学资源与环境学院 ，湖北 武汉4 3 0 0 7 0 ) 摘要 ：通过室 内特制的土壤 水分入渗试验装 置 ，分别设 置上粗下细 和上细下 粗两种典 型不同质地 紫色土三 角形 层 状剖 面，探讨典型不规则层 次结构 的土壤入渗特性 。结果显示 ，同一 三角形层状

2、剖面入渗 ，粗质土半剖面的垂直湿 润锋随时间推进速度快 于细质土 。对于粗质 土 ，上细下粗 剖面设置 下其半剖 面的垂直 湿润锋随时 间推进速度快 于 上粗下细 ，但对于细质土 ，两种层状剖面设置下其垂直湿润锋随时间推进速度差异不 明显。无论上粗下细 ，还是上 细下粗 ，两种层状剖面对斜 面湿润锋变化 曲线影响不大。两种层状剖 面入渗 ，湿润锋 、入渗速率与时间均呈极显著 幂函数关系 。建立的紫色土典型三角形层状剖面入渗模型 ，经验证 ，模拟值与实测值具有非常好的一致性 ，且可与 经验模型相互转换 ，模 型参数也具有一定 的物理意义。 关键词 ：土力学 ；紫色 土；三角形层状剖面 ；土壤 入

3、渗 中图分类号 ：s 1 5 2 7 文献标志码 ：a 文章编号 ：1 0 0 1 6 7 9 1 ( 2 0 1 0 ) 0 3 - 0 3 1 5 -06 土壤大都呈现层状结构，这些层状结构都以不 同的方式影响着土壤 的入渗特性 ，近几年随 “ 指流”和 “ 漏斗流”问题研究的深入 ，使人们认识到层状土人渗机制研究的重要性 。规则 的层状结构土壤 ，土体 不同质地的土壤呈水平 ( 或近似水平)层次覆盖 ，即通常人们所说的层状土。 自1 9 4 5年科尔曼等人研究发 现 ，无论细质土覆盖粗质土，还是粗质土覆盖细质土 ，土壤都可看成是均质土 ，并且入渗过程 由细质土 来控制。后来许多学者 ，

4、引通过不 同模式和方法对层状土 的入渗机制和模拟技术进行 了专门的研究 ，并取 得了不少成果。不规则 的层状结构土壤是指土体不同质地的土壤呈不规则形状层次覆盖 ，如在地形地凹处 、 坡 脚处 、或其它 拦挡 作用 ，坡 上 流失土 壤不 断淤积 形成 的沿原坡 面覆 盖 的层 状土 。然而 ， 目前 对于 不规则 的 层状结构土壤入渗特性的研究非常有限。 本研究通过室内特制的土壤水分入渗试验装置 ，分别设置上粗下细和上细下粗两层两种不同质地紫色土 三角形层状剖面 ，探讨典型不规则的层次结构的土壤入渗特性 ，以期为不规则的层状结构土壤水分管理提供 科学依据 ，为研究不规则的层状结构土壤水分运动提

5、供理论参考 。 1 模型建立 由于层状土的入渗特性较为复杂，人们一般从定性角度对某些现象进行解释或利用经验模式进行计算 ， 很难利用达西定理或 r i c h a r d s 方程进行计算。而 g r e e n a m p t 入渗模式成为人们揭示层状土入渗机制和模拟 计算的有力工具 ，并得到了广泛应用 。本研究参考 g r e e n a m p t 模式思路 ，提出紫色土典型不规则层状剖 面人 渗模型 。 基本假定 ：在积水入渗过程 中，任意时刻的土壤湿润锋剖面概化为两部分( 如图 1 所示) ，即饱和区和过 渡区，饱和区入渗可视为一个活塞流过程 ，过度区概化为均一吸力值 。 收稿 日期

6、 ：2 0 0 9 -05 2 6 基金项 目：“ 十一五” 国家科技支撑计划资助项 目 ( 2 0 0 9 b a d c 6 b 0 1 ) ；长江科学 院 中央级公 益性科研 院所基本科 研业务 费专项资金资助项 目 ( y j j 0 9 0 2 t b 0 1 ) 作者简介：程冬兵 ( 1 9 7 9一) ，男 ，江西乐平人 ，博士 ，主要从事水土保持 与土壤水研究 。e - ma i l ：x i a o 2 0 0 5 z h u 1 6 3 c 0 m 通信作者 ：蔡崇法 ，e ma i l ： c f c a i ma i l h z a u e d u c a 3 1 6

7、水科学进展 第 2 l 卷 1 1 上粗 下细 ( c f ) 三 角型层状 剖面入 渗模 型 设积水深度为 ，土层深度为 ，斜 面湿润锋的 位置为 ，坡度为 0 ；粗质土饱和导水率为 k 垂直湿 润锋 为 z 。 ，过 渡 区水 吸力 为 s 过 水 截 面 面积 为 a ， ； 细质土饱和导水率为 垂直湿润锋为 z ，过渡区水 吸力为 ，过水截面面积为 a 。 入渗速率 q的表达式为 g ( + 嘶 + ) ， 当地表积水深度 h很小，或人渗 时间 t 较长 ，式( 1 ) 可 转化 为 g ksl i + ) 1 + z ( 2 ) 1 2 上细下粗 【 f c) 三角型 层状剖 面入渗

8、模 型 入渗速率 q的表达式为 上粗下细 上细下粗 图 l 不同质地 三角形层状剖 面人渗示意图 fi g 1 de s i g n o f s o i l i nfi l t r a t i o n i n t r i a n g u l a r pr o fil e f o r h e t e r o g e n e o u s s o i l s g ( ， + h z+。 。s n， a + z ( + h z+ s fz ， a ： 式中z 。 = l s i n 8 ，当地表积水深度 日很小或入渗时间 t 较长时 ， 式( 3 ) 可转化为 9 ( 1 + ： ( + ) a 。

9、2 试验设计与供试土样 2 1 试验 设计 土壤水分入渗模拟系统( 图 2 ) 包括试验土箱与供水 装置两部分 。试验土箱采用有机玻璃按高 4 0 c m( 其 中 填土至 3 5 c n 1 ) 、 宽 2 5 c m、 厚 6 c m的方形尺寸制成。供 水装置采用马氏瓶 ，可实现在恒定水头下 自动供水。 土样经风干过 2 m m筛 ，按分界线分别设置上粗下 细 和上细下粗 两层 两种 不 同质 地 土壤 三 角 形层 状 剖 面 ， 按设计容重分层均匀装入试验土箱 。在试验过程中，保 持 1 c m恒定水位，秒表计时，根据 由密到疏 的原则 ， 记录入渗时间、湿润锋面和马氏瓶水位。当湿润锋

10、面接 近土箱底部时，结束试验。试验共重复 3次，在 比较实 验数据相近的基础上 ，选取其中一组数据。 2 2供试 土样 供试土样为侏罗纪上统逢莱镇组紫色砂页岩发育的 中性或石灰性紫色土 ，取 自三峡库区秭归县王家桥小流域 。 样 2为砂粘壤 ，其基本理化性质如表 1 。 c m cm ( 3) ( 4 ) 图 2 土壤水分入渗模拟试验装 置 fi g 2 si mul a t i o n d e v i c e o f s o i l i n f i l t r a t i o n 选取两种不种质地紫色土 ，土样 1为壤粘土，土 第 3期 程冬兵 ， 等 ： 紫色土典型三角形层状 剖面人渗模拟

11、 3 1 7 3 结果与分析 3 1 垂直 湿润锋 与时 间的关 系 水分进入土体进而在土体内运动分布的速度与土壤水分所受驱动力及阻力有关 ，即与水力梯度相关。土壤水 分入渗不仅受土壤基质吸力 的作用 ，还受重力 的作用 ，而且随着入渗 时间延 长 ，重 力作用所 占比例逐渐增加 ，直 到成为水分运动的主要驱动力，也就是说，随入渗时间延长，水力梯度趋于 1 ，入渗趋于稳定。如图 3 所示 ，人渗 初期，由于基质吸力为水分运动主要驱动力，水力梯度大，导致单位时间垂直湿润锋推进较快，到入渗稳定时， 由于重力作用逐渐成为主要驱动力 ，水力梯度趋于 l ，致使单位时间垂直湿润锋推进速度也趋于稳定 。

12、c f五 实测值 一一c f五 实测值 l c f f z - 实测值2 ， c f五 实测值 一c f z 实测值l c f z 实测值2 f c五 实测值 一一f c z t 拟合值1 f i c z 拟合值2 f c z 实测值 f ， c五 拟 合值 1 f ， c五 拟 合值2 时 同 1 0 s 图 3 垂直湿润锋与时间关系 曲线 fi g 3 re l a t i v e c ur v e s b e t we e n v e rti c a l we t t i n g f r o nt a nd t i me 土壤水分人渗除与水力梯度相关 ，还与土壤本身性质相关 ，如质地 ，

13、孔隙度等。不同质地土壤 ，由于基 质 作用不 同 ，湿润锋 随时 间变化 过程不 同 ，即湿 润锋推 进速度 不 同。土壤 质地 越粗 ，意 味着土壤 颗粒 问孑 l 隙 也越大 ，大孔隙越有助于水分运动，导致湿润锋推进速度越快 。同一层状剖面入渗设置条件下 ，粗质土半剖 面的垂直 湿润锋 随 时间推进 速度快 于 细质土 。 而且 ，对 于粗 质 土 ，上 细下粗 ( f c ) 剖 面设 置 下其 半 剖 面 的垂直 湿 润 锋 ( z ) 随时 间 推进 速 度 快 于上 粗 下 细 ( c f ) ， 但 对于细 质土 ，两种层 状 剖面差 异不 明显 。 将垂 直湿润锋 与 时间进

14、行经验 模型 拟合 ，发现垂 直 湿润 锋 与时 间呈 极显 著 幂 函数 关 系 ，决 定 系数 均 在 0 9 7以上 。图 3显 示 ，拟合值 与实 测值 均基本 重合 ，拟合 效果均 佳 。相关 拟合参数 见表 2 。 表 2垂 直 湿 润 锋 与 时 间 关 系模 型 拟 合 参 数 ta bl e 2 par a m e t e r s o f r e l at i o ns hi p b e t w e e n ve r t i c a l w e t t i n g f r o nt a nd t i m e 3 2 斜面 湿润锋 与 时间的 关 系 同理 ，如 图 4所示 ，

15、入渗 初期 ，由于基质 吸力 为水分运 动 主要驱 动力 ，水力梯 度大 ，导致 单位 时间斜 面 3 1 8 水科学进展 第 2 1 卷 0 3 5 目 0 3 0 、 0 2 5 瓣 0 图 4 斜 面湿 润锋与时间关系曲线 fi g 4 cur v e be t we e n i n c l i n e we t t i n g fro n t an d t i me 拟合效果均佳。相关拟合参数如表 3 。 湿润锋推进较快，到入渗稳定时 ，由于重力作用逐渐成 为主要 驱动力 ，水 力梯度趋 于 1 ，致使 单 位 时问斜 面 湿 润锋推进速度也趋于稳定。 图4显示 ，两种层状剖面入渗设置

16、的斜面湿润锋随 时间变化 曲线基 本重合 ，说 明不 同层 状剖 面设置对 斜面 湿 润锋影 响不大 。 将斜面湿润锋与时间进行经验模型拟合 ，发现斜 面 湿润锋与时间呈极显著幂 函数关 系，决定系数 均在 0 9 9以上 。 图 4显 示 ，拟 合 值 与实 测 值 均 基 本 重 合 ， 表 3 斜面湿润锋与时间关 系模型拟合参数 ta bl e 3 pa r a me t e r s o f r e l a t i o ns hi p be t we e n i nc l i ne we t t i ng f r o nt a nd t i me 3 3入渗速 率与 时间的关 系 图5和

17、图6显示 ， 人渗初期 ， 由于基质吸力大 ， 为水分运动主要驱动力， 水力梯度大， 单位时间人渗量较大 ， 累积入渗 量和人 渗速率 随时 间变化 曲线较 陡 ， 到人 渗稳定 时 ， 由于重力 作用成 为 主要 驱 动力 ， 水力 梯度 趋 于 1 ， 致使单位时间入渗量也趋于稳定 ， 人渗速率随时间变化曲线较平缓。 图5和图6还显示 ， 上细下粗( f c ) 三角形层状剖面的累积人渗量大于上粗下细( c f ) ，而对于人渗速率， 开始阶段 ， 上细下粗( f c ) 三角形层状剖面大于上粗下细( c f ) ， 随时间延长 ，两者差异愈小，逐渐重合。 正 蠡 图 5 累积人渗 量与时

18、间关系曲线 f i g 5 cur v e be t we e n c u mu l a t i v e i n f i l t r a t i o n a n d t i me 目 0 、 哥 翅 璐 一 图 6 人渗速率与时间关 系曲线 f i g 6 cur v e be t we e n i n f i l t r a t i o n r a t e a n d t i me 将入渗速率与时问进行经验模型拟合 ，发现人渗速率与时间呈极显著幂 函数关 系，决定系数 均在 0 9 9以上。图 6显示 ，拟合值与实测值均基本重合 ，拟合效果均佳。相关拟合参数见表 4 。 表 4 入渗速率与时

19、间关系模型拟合参数 tab l e 4 pa r a me t e r s of r e l a t i on s hi p be t we e n i n f i l t r a t i on r a t e a nd t i me 3 4模 型检 验 由于模型表达式( 2 ) 和式( 4 ) 中 k 。 ： 、 a 。 、 a 、 s i n o为常数项 ， 式( 2 ) 和式( 4 ) 分别可简化为 g l= l+ 卢 l z 1 +7 l z 2 ( 5 ) 第 3期 程冬兵 ， 等 ： 紫色土典型三角形层状剖面入渗模拟 3 1 9 q 2=o l 2+卢 2 l+ 2 z 2 ( 6

20、 ) 式 中 l = k l a l + 2 a 2 ； l =k l a l s f l ； y l = k 2 a 2 s 2 ； 2 =k l a l + k 2 a 2 ； 卢 2 =k l a l s f l s i n 0 ； y 2=k 2 a 2 s f2 。将 各 自实测入渗速率 、垂 直湿润锋 、斜面 湿润锋数据 对式 ( 5 ) 和式( 6 ) 进行拟合 。结果显示 ，拟合入渗速率与实 测入渗速率呈极显著线性关系( 斜率 1 ) ，决定系数 r 均在 0 9 9以上 ，如 图 7所 示 。 土样 1和土样 2拟合 的线 性关 系分别 为 q =0 9 5 1 0一 + 1

21、 9 7 1 0一 zl+ 3 5 41 0 一 z 2 ( r =0 9 9 6 2 ) ( 7 ) q =1 51 1 0一 + 2 7 4 1 0一 l + 4 9 81 0 一 z ， ( r。=0 9 9 7 1 ) ( 8) g 0 、 糌 鲣 一 图7 入渗速率与实测人渗速度拟合关系曲线 fi g 7 re l a t i v e c u r v e s b e t we e n fit t e d i n fil t r a t i o n r a t e a nd o bs e r v e d i nfi l t r a t i o n r a t e 由前 述垂 直湿润 锋

22、与 时间 的模型 表达式 z=a t 、 z=a t ，斜 面 湿润 锋 与时 间 的模 型 表达 式 l：a t 、 l= a t ， 入渗速率与垂直 ( 斜面) 湿润锋模型式 ( 5 ) 和式 ( 6 ) 均可转化为人渗速率与时间的模型表达式 q=a t 、 q=a t +b ， 该模 型与经 验模 型具有 很好 的一致性 ，充分说 明入 渗模 型式 ( 2 ) 和式 ( 4 ) 的可靠 性和 准确性 。 4结 论 ( 1 )同一三角形层状剖面入渗 ，粗质土半剖面的垂直湿润锋 随时间推进速度快于细质土。对于粗质土， 上细下粗剖面设置下其半剖面的垂直湿润锋随时间推进速度快于上粗下细，但对于细

23、质土 ，两种层状剖面差 异不 明显 。无论上 粗下 细 ，还 是上 细下粗 ，两 种剖 面层次对 斜 面湿润锋 变化 曲线 影响不 大 。 ( 2 )两种层状剖面入渗，湿润锋 、入渗速率与时间均呈极显著幂函数关系。 ( 3 )参考 g r e e n - a m p t 入 渗模式 思路 ，建立 了紫 色土 三角 形层 状 剖 面构 造入 渗模 型 ，经 实 测值 验证 ，模 拟值与实测值具有非常好的一致性 ，充分说明建立的入渗模型的可靠性和准确性。同时 ，建立的人渗模型可 与经验模型相互转换 ，具有很好的一致性 ，模型参数也具有一定的物理意义。 参考 文献 ： 1 王全九 ， 邵明安 ， 汪

24、志荣 ， 等 g r e e n a m p t 公式在层状 土人渗模拟计算 中的应用 j 土壤 侵蚀 与水土保持学 报 ， 1 9 9 9 ， 5 ( 4 ) ： 6 6 7 0 ( wa n g q u a n j i u ， s ha o mi n g a n ， wa n g z h i r o n g ，e t a 1 a p p l i c a t i o n o f g r e e n a m p t e q u a t i o n d u r i n g i n fi l t r a t i o n i n l a y e r e d s o i l j j o u r n a

25、 l o f s o i l wa t e r c o n s e r v a t i o n ，1 9 9 9 ， 5 ( 4 ) ： 6 6 - 7 0 ( i n c h i n e s e ) ) 2 冯小香 ，张小峰 ，韦直林 ，等 冲刷漏 斗纵剖 面形态数值模拟技术研究 j 水科学进展 ，2 0 0 8 ，1 9 ( 1 ) ： 1 9 - 2 6 ( f e n g x i a o x i a n g ， z h a n g x i a o f e n g ， we i z h i l i n ，e t a 1 n u m e r i c a l s i m u l a t i

26、o n s t u d y o n l o n g i t u d i n a l p r o t i l e o f s c o u r i n g f u n n e l j a d v a n c e s i n wa t e r s c i e n c e ，2 0 0 8， 1 9( 1 )： 1 9 - 2 6 ( i n ch i n e s e ) ) 3 c o l ma n e a， b o d ma n g b mo i s t u r e a n d e n e r g y c o n d i t i o n s d u r i n g d o w n w a r d

27、e n t r y o f w a t e r i n t o m o i s t a n d l a y e r e d s o i l s j s o i l s c i e n c e s o c i e t y ame r i c a pr o c e e d i n g s ，1 9 4 5，9： 3 1 1 4 f o x y s o n e d i m e n s i o n a l i n f i l t r a t i o n i n t o l a y e r e d s o i l s j j o u r n a l o f i r r i g a t i o n a n

28、 d d r a i n a g e e n g i n e e r i n g ，1 9 7 0 ， 4 3 ： 1 2 1 1 2 9 5 h i l l e l d， b a k e r r s a d e s c r i p t i v e t h e o ry o f fi n g e r i n g d u r i n g i n fi l t r a t i o n i n t o l a y e r e d s o i l s j s o i l s c i e n c e ， 1 9 8 8 ， 1 4 6 ( 1 ) ： 5 1 5 6 6 hi l l d e， p a

29、r l a n g e j y we t t i n g f r o n t i n s t a b i l i t y i n l a y e r e d s o i l s j s o i l s c i e n c e s o c i e t y a m e r i c a p r o c e e d i n g s ，1 9 7 2 ， 3 6 ： 6 9 7 7 0 2 7 王文焰 ，张建丰 ，汪志荣 ，等 黄土中沙层对人渗特性的影响 j 岩 土工程学报 ，1 9 9 5 ，1 7 ( 5 ) ： 3 6 - 4 1 ( wa n g we n y a n ， z h a n g j

30、 i a n f e n g ， wa n g z h i r o n g ， e t a 1 i n fl u e n c e o f s a n d l o e s s o n i n fi l t r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s j c h i n e s e j o u r n a l o f g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g ，1 9 9 5 ，1 7 ( 5 ) ： 3 6 -41 ( i n c h i n e s e ) ) 3 2 0 水科学进展 第 2 1卷 8 王

31、文焰 ，汪志荣 ， 王全九 ， 等 黄土中 g r e e n - a m p t 入渗模 型的改进 与验证 j 水利学报 ， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 3 0 3 4 ( wa n g we n y a n ， wa n g z h i r o n g ， wa n g q u a n j i u ， e t a 1 i m p r o v e m e n t a n d e v a l u a t i o n o f t h e g r e e n a m p t m o d e l i n l o e s s s o i l j j o u r n a l o f h y d r

32、a u l i c e n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 3 0 3 4 ( i n c h i n e s e ) ) 9 刘金涛 ， 梁忠 民 坡地径流入渗 机制对水文模拟的影响分析 j 水科学进展 ， 2 0 0 9 ， 2 0 ( 4 ) ： 4 6 7 - 4 7 2 ( l i u j i n t a o ， l i a n g z h o n g m i n r o l e o f n l n o n p r o c e s s o f o v e r l a n d fl o w o n h y d r o l o g i c a l

33、m o d e l i n g j a d v a n c e s i n wa t e r s c i e n c e ， 2 0 0 9 ， 2 0 ( 4 ) ： 4 6 7 4 7 2 ( i n c h i n e s e ) ) 1 0 g r e e n w h， a mp t g a s t u d i e s o n s o i l p h y s i c s ， fl o w o f a i r a n d w a t e r t h r o u g h s o i l s j j o u r n a l o f a g r i c u l t u r a l s c i

34、e n c e ， 1 9 1 1 ， 4( 1 ) ： 1 2 4 s i mul a t i o n o f i nfil t r a t i o n i n t o t y p i c a l t r i a ng ul a r l a y e r e d p ur p l e s o i l s cheng do n g bi n g ，z hang pi n g c a n g ，l i ya ， l o n g ，cai ch o n g f a ( 1 de p a r t me n t o fs o i l a n d wa t e r c o n s e r v a t i

35、o n，c h a n g fia n g ri v e r s c i e n t ific r e s e a r c h i n s t i t u t e ，wu h a n 4 3 0 01 0，c h i n a； 2 c o l l e g e o f r e s o u r c e a n d e n v i r o n m e n t ， h u a z h o n g a g r i c u l t u r a l u n w e i t y ，wu h a n 4 3 0 0 7 0 ， c h i n a ) ab s t r a c t ： i n fil t r a

36、 t i o n p r o c e s s e s i n t y p i c a l t r i a n g u l a r l a y e r e d p u r p l e s o i l s a r e fir s t i n v e s t i g a t e d u s i n g i n d o o r s o i l i n f i hr a t i o n d e v i c e s th e d e v i c e s a r e d e s i g n e d t o h a v e t wo d i s t i n c t t r i a n g u l a r l

37、a y e r e d s o i l p r o fil e s，wh i c h a r e c o a r s e t o f i n e a n d fi ne t o 。 c o a r s e i n s o i l t e x t u r e s f r o m s u r f a c e t o b o t t o m ex p e r i me nt a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e we t t i n g f r o n t a dv a n c e a p pe a r s t o be f a s t e r i n t

38、he fi r s t h a l f o f t h e l a y e r e d s o i l c o l u mn c o mp a r e d t o t h a t o f t h e s e c o n d h a l f i n t h e c o a r s e - t o - fin e s o i l i n fil t r a t i o n d e v i c e th e o p p o s i t e r e s u l t i s o b t a i n e d wi t h t h e fin e t o - c o a r s e s o i l i n

39、f i l t r a t i o n de v i c e obs e r v a t i o n fro m t h e fi ne t o c o a r s e s o i l i n fil t r a t i o n d e v i c e s h o ws t h a t t h e r a t e o f a d v a n c e o f t he we t t i n g f r o n t i n c r e a s e s mo r e q u i c k l y wi t h t i me i n t h e s e c o n d h a l f o f t h e l a y e r e d s o i l c o l u mn c o mp a r e d t o t ha t o f t he fir s t h a l f i n t h e c o a r s e t o fine s o i l i n fil t r a t i o n de v i