田间饱和水力传导度量测方法之比较

1、田間飽和水力傳導度量測方法之比較林俐玲 前言 土地利用往往會影響表土或底土的土壤物理性質，進而影響土壤的水分移動情形。目前此問題已廣受矚目，因而發展出電腦模式來分析和推估土壤水分如何從地表進入土壤剖面和污染物的移動。這些模式輸出結果之品質與信賴度乃與輸入的土壤、土地利用和氣候資料有密切的關係。土壤之水力傳導特性已被認為是傳導模式中最重的參數。所以定量的決定土壤水力傳導參數為模式發展者與使用者當前重要的任務之一。 飽和水力傳導度(Saturated hydraulic conductivity, Ks)在很多的水文，排水和非點源污染模式中，為一敏感度很高之參數(Stepheus et al.,

2、1984; Rudra et al., 1985; Jruy, 1987； 林俐玲等，1997)。現地量測水力傳導度的方法很多，其中包括滲漏筒(Bouwer and Jackson, 1974; Kessler and Dosterbean, 1974),定水頭的滲透計和其它滲透計(Philip, 1985; Reynolds and Elrick, 1986; Stephens et al., 1984)。飽和水力傳導度乃由實驗數據再經一維或三維的穩定狀態滲透公式計算之。飽和水力傳導度推估的準確性乃受實驗時達到穩定流程度，和分析時理論和實際限制選擇之影響。本研究之目的為比較利用單筒滲漏計與G

3、uelph滲透計推估茶園現地的飽和水力傳導度。 研究試驗地簡介 本研究試驗地位於南投縣魚池鄉貓欄山之東南，鄰近日月潭，隸屬於行政院農委會茶業改良場魚池分場。試驗地共分為8個樣區，各樣區的大小為長12.43公尺，寬2公尺，平均坡度52。樣區採完全逢機試驗設計，四種處理，二重複。四種處理方法為A：平台階段台面植生覆蓋(BVC)；B：平台階段枯草敷蓋(BSM)；C：平台階段台面淨耕(BCT)和D：裸露對照區(BC)。平台階段上每平方平公尺種植一棵茶樹，其株距為50公分；裸露對照區未種植茶樹。各樣區皆設有逕流收集池(分為內外槽，面積為1.98X0.97m2)，當逕流量過大時將形成溢流，而溢流之部分將通

4、過分水裝置，將十分之一之溢流量流入外槽。 試驗方法與分析步驗 本研究中決定土壤飽和水力傳導度之方法，根據水的流動方式可分為兩大類：(1) 根據一維水流理論的單筒滲漏計法(RI)，和(2)根據三維水流理論的Guelph滲透計法(GP)。 實驗從1997年7月1日開始利用兩種不同儀器測定不同處理試區的飽和水力傳導度。各區之飽和水力傳導度分別於各處理區之上下邊坡量測。茲將兩種量測方法之原理簡述如下。1.單筒滲漏計(RI) 單筒滲漏計為一直徑20公分，深30公分，厚2公釐之圓筒，使用時將筒用機械壓入土中20公分，打入時盡量避免擾動土壤，然後注入水量，並在整個實驗過程中維持5公分的定水頭，如此可維持一維

5、的水流狀態。記錄累積滲透量與時間即可求得滲透率。利用Philips滲透公式分析滲透資料即可決定飽和水力傳導度。 Philip(1957)提出在定水頭狀態下，一維的滲透量與時間指數關係，下列公式將引用於此研究中飽和水力傳導度之計算。 式中I：累積滲透量(cm) A：傳導參數(cm/min) S：吸著力(cm/min1/2) t：滲透開始到結束的時間 A參數為濕潤區穩定狀態滲透率，S參數為滲透的一分力，此乃在滲透初期土壤基質勢能之垂直梯度所引起的。此兩參數與飽和水力傳導度(Ks)成函數關係。而兩參數之值乃由實測數據經曲線套疊公式(1)求得。Ks值為A值乘以2/3求得(Youngs, 1968)2.

6、Guelph滲透計(GP) 利用Guelph滲透計量測田間飽和水力傳導度乃假設不飽和土壤管中為三維穩定狀態滲透流(Reynoeds and Elrick, 1985)。Guelph滲透計包括兩個同心管，內管為空氣注入管，提供空氣，外管貯存測量時所需的水分。外管底部裝置一漏斗式(funnel-shaped)之開關，量測時把內管向上移動，移動的距離決定水頭的大小貯水用的外管大小隨實際的情形而定。在此研究中，穩定流(Q)乃在兩種水柱高度(5.0和10.0cm)下量測。田間飽和水力傳導度(Kfs)和基質勢能乃由下列公式求得(Reynolds and Elrick, 1985)： 式中Q：穩定狀態流量(

7、cm3/min)H：管中水的深度(cm)a：孔之半徑(cm)C：形狀係數(淹沒水面壓力水頭梯度之積分)：基質流束勢能(cm2/min)(Kfs/)：ln(ks)與壓力勢能曲線斜率 以上公式為三維穩定狀態滲透公式之解答，5公分與10公分管中水深之形狀係數C1和C2乃由Elrick et al.(1987)發展出的圖形決定之。由公式(2)可同時解出水力傳導度和基質流速勢能(Elrick et al., 1987)。 利用GP方法量測田間飽和水力傳導度(Kfs)時，由於空氣陷入之影響，其值往往低於飽和水力傳導度，Reynoeds and Elrick (1985)和Stephens et al. (

8、1985)建議將所測得的田間飽和水力傳導度(Kfs)乘以2即為土壤的飽和水力傳導度(Ks)。結果與討論 結果顯示由兩種方法所測得之飽和水力傳導度變化很大。Guelph滲透計之測值範圍較小，從0.428到10.716cm/hr；而單筒滲透筒之測值範圍較大，從0.114到23.622cm/hr。兩種方法所測得之平均飽和水力傳導度分別為滲透筒的5.15cm/hr和Guelph滲透計的4.194cm/hr。兩者比較利用單筒滲透筒所測得之Ks較高，但在統計上並無顯著的差異。滲漏筒法所量測之飽和水力傳導度因不同的水土保持處理，而有顯著的差異，平台階段植生覆蓋處理之飽和水力傳導度最大，其次為平台階段枯草敷蓋

9、，再次為平台階段台面淨耕，而裸露對照區之飽和水力傳導度最小，僅0.682cm/hr，為平台階段覆蓋的6。平台階段植生覆蓋處理區之土壤由於植生根系的生長與腐爛的過程，增加土壤的大孔隙與連續孔隙，所以增加了土壤的導水能力，又因植生的殘株混入土壤亦增加了土壤的有機質而加速土壤水分的吸收，此亦增加飽和水力傳導度的原因之一。而裸露對照區因土壤表面長期受雨滴打擊，土壤分散而阻塞表土的孔隙形成表面結殼(surface crust)而影響土壤的導水能力，降低土壤飽和水力傳導度。Guelph滲透計法量測之飽和水力傳導因其測值變異範圍較小，所以平台階段各處理間無顯著的差異，裸露對照區的飽和水力傳導度仍然偏小。 田

10、間量測之水力傳導度會有如此大的變異並不令人訝異。以往已有很多研究指出水力傳導度是水分流動參數中變化最大的(Gupta et al., 1993)，各種量測方法所涵蓋的面積大小亦會影響量測之大小，本研究中滲漏筒法所涵蓋的面積較Guelph滲透計法大。其變異亦較大。 兩種量測方法另一相異因子為在現場完成一測量測所需的時間，利用滲漏筒法，達到穩定狀態滲透需100分鐘，完成一次量測需2個小時；而Guelph滲透計法達到穩狀態滲透僅需15到20分鐘，完成一次量測僅需1小時。在田間狀況下，土壤水分移動常為多維的(multi-dimensional)，所以正確的水力梯度(hydraulic gradient

11、s)不易獲得。Bouwer(1986)指出利用滲漏筒法不能完全避免側向的水分流動，所以此種量測方法不能真正達到一維的水分流動狀態。又利用Guelph滲透計決定正確的飽和水力傳導度(Ks)乃受C1和C2兩形狀係數之影響，C1與C2乃受Ha(水深和試驗孔大小)之影響。Reynolds and Elrick (1986)指出，錯誤的選擇C1及C2將導致30之誤差。 結論 利用不同量測方法量測田間的土壤飽和水力傳導度其變異很大，在本研究中利用滲漏筒量測之Ks大於利用Guelph滲透計之值，但在統計上無明顯的差異，但利用Guelph滲透計量測所需的時間較短且用水量較少，所以較適合利用於偏遠且水源缺乏的地

12、區，但其儀器的成本較高。所以方法的取決乃基於使用者的需求與現場的狀況。而所需考慮的因子除了正確性外，量測地點的選擇，量測所需的時間和其它的資源應一併考量。在相同的土壤狀況，地表的處理和植生亦為影響水力傳導度的重要因子；在陡坡地上構築平台階段配合植生覆蓋及敷蓋等水土保持措施，可增加飽和水力傳導度，減少坡地的逕流量。 參考文獻 1. 林俐玲、林文英 (1997) , 水蝕推估模式WEPP之評估與驗證，中華水土保持學報，28(2):145-156。2. Bouwer, H., (1986) “Intake rate: Cylinder infiltrometer”. In Methods of So

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