基于土箱模擬的花崗巖紅壤優(yōu)先流研究.pdf

1、優(yōu)先流(Preferential flow)是水分通過土壤中“優(yōu)先路徑”繞過土壤基質(zhì)快速穿透到深層的一種常見土壤水分運動形式?；诨◢弾r發(fā)育的特性，近幾年也逐漸出現(xiàn)以長江三峽地區(qū)為代表針對花崗巖土壤中優(yōu)先流的研究，其中對其降雨因子或灌溉特性影響方面的研究較多。但少有考慮到花崗巖崩崗物理特性從土壤風化過程導致的優(yōu)先通道發(fā)育程度不同的角度。由于優(yōu)先流屬于非平衡入滲，基于高頻監(jiān)測結(jié)合優(yōu)先流類型及初始含水量來分析優(yōu)先流與降雨因子之間響應關(guān)系的研

2、究對優(yōu)先流研究具有重要意義和科研價值。
　　以通城縣典型的花崗巖母質(zhì)發(fā)育的四種土壤為實驗材料，基于花崗巖的物理特性采用“上壤下砂，固上變下”的原理配制優(yōu)先通道發(fā)育程度不同的3個土箱ⅠⅡⅢ，對每個土箱進行了6次不同初始含水量（12.2％-23.6％）和雨強(0.7 mm/min、1.2mm/min)的模擬降雨，時域反射儀(TDR)高頻循環(huán)監(jiān)測整個土體不同部位水分動態(tài)變化（6 min一次含水量讀數(shù)）。判斷優(yōu)先流的產(chǎn)生、分析優(yōu)先流特征（

3、類型、范圍、量、程度）以及對水分運移過程的影響（入滲、出流、分布），確立優(yōu)先流發(fā)生及類型的定性分析方法，對優(yōu)先流面積、量定性分析，研究了在不同條件（通道發(fā)育程度、初始含水量、降雨強度）下花崗巖母質(zhì)土壤中優(yōu)先流的基本特性、發(fā)生規(guī)律和對水分運移的影響，主要得出的結(jié)果下:
　　(1)土箱紅土層性質(zhì)相同，砂土層砂性大小為土箱Ⅰ＞土箱Ⅱ≈土箱Ⅲ。土箱Ⅰ導水透水能力最強，飽和導水率與孔隙度比值約是土箱Ⅱ和土箱Ⅲ的1.6倍。土箱Ⅱ上層優(yōu)先通道發(fā)

4、育較強，下層發(fā)育較弱，因此整體通道的連通性弱。土箱Ⅲ上下土層優(yōu)先通道發(fā)育程度最平均，連通性最強?；谕寥揽紫抖?、容重、飽和導水率等物理參數(shù)綜合評價三個土箱的優(yōu)先通道發(fā)育程度及優(yōu)勢由高到低分別是發(fā)育程度優(yōu)的土箱Ⅰ(★★★)、發(fā)育程度較優(yōu)的土箱Ⅲ(★★☆)、發(fā)育程度良的土箱Ⅱ(★★)。
　　(2)土體的水分滲透能力和通道連通性決定優(yōu)先流“快”的特性，降雨總量決定優(yōu)先流與土壤周圍基質(zhì)發(fā)生交換作用程度（反應量）。導水能力最強的土箱Ⅰ優(yōu)先流

5、發(fā)生面積最大，占土體剖面積的75％。土體上層優(yōu)先通道的導水能力主要影響優(yōu)先流面積大小，因此土箱Ⅱ優(yōu)先流面積大于土箱Ⅲ。通道連通性強的土箱Ⅲ優(yōu)先流量的分布深度最廣。土箱Ⅰ平均瞬時補給量（含水量瞬時增量）46.9 m最小，水分穿透性最強，優(yōu)先流發(fā)生劇烈。優(yōu)先流程度在雨強1.2 mm/min時，隨初始含水量的增加而減小;雨強0.7 mm/min時，隨初始含水量變化規(guī)律呈現(xiàn)雙向性。優(yōu)先流程度隨雨強增加的幅度與土箱優(yōu)先通道發(fā)育狀況有關(guān)。
　

6、　(3)土壤水分增量等值線趨勢圖（土箱坐標化）表明存在三種形式的優(yōu)先流:大孔隙流(M)、指流/漏斗流(F)和環(huán)繞流(B)。優(yōu)先流出現(xiàn)概率隨土層深度的增加而減少，大孔隙流出現(xiàn)概率最大，集中分布于土層0-40 cm范圍的概率為72％，橫向延伸比其余兩種類型更具有優(yōu)勢。指流/漏斗流和環(huán)繞流出現(xiàn)概率相對較小，主要分布在20-60 cm的出現(xiàn)概率為71％和64％，在優(yōu)先流深度上的擴展更具有優(yōu)勢，影響大孔隙流的向下發(fā)展趨勢。大孔隙流發(fā)生面積最大，隨

7、雨強的增大而增大，是其余兩類優(yōu)先流的2.0-2.7倍，通道連通性強增加的幅度越大。小雨強下，大孔隙流量所占比例有所下降，幅度與導水能力有關(guān);環(huán)繞流量比例有上升趨勢，幅度與通道連通性有關(guān)。指流/漏斗流和環(huán)繞流在發(fā)生強度（優(yōu)先流量/發(fā)生面積）遠大于大孔隙流，雨強增大強度差有增加趨勢。
　　(4)根據(jù)不同深度的水分含量變化時間差，估算濕潤鋒運移的最快水流速率。雨強1.2 mm/min，估算速率和實測速率大小均為土箱Ⅰ＞土箱Ⅲ＞土箱Ⅱ。實

8、際測量濕潤鋒速率在大小雨強下均隨初始含水量增加而增大，在估算濕潤鋒速率中，雨強小而初始含水量高的處理出現(xiàn)反常（偏?。?yōu)先流類型對濕潤鋒運移速率影響由大到小依次是環(huán)繞流(B)、指流/漏斗流(F)和大孔隙流(M)。優(yōu)先流程度越高土壤對入滲水分的吸持量越少。
　　(5)出流特性受優(yōu)先通道發(fā)育狀況、初始含水量和降雨因子影響表現(xiàn)的特征不同。出流總量隨降雨總量增大而增大，初始出流時間隨雨強和初始含水量增大而增快，土箱Ⅰ平均出流最快，其次是土

9、箱Ⅲ、土箱Ⅱ，優(yōu)先流通道發(fā)育越好出流越快。一定范圍內(nèi)，初始出流時間隨初始含水量增加而增快，初始含水量過高或過低都影響出流滯后。累積出流量大小比較為土箱Ⅰ＞土箱Ⅲ＞土箱Ⅱ，優(yōu)先流通道越是發(fā)育初始出流時間越快且出流量越大。雨強1.2 mm/min的優(yōu)先流速率是0.7 mm/min的1.8-4.0倍，優(yōu)先流通道越是發(fā)育的倍值越大。從出流速率與雨強的比值看，土箱Ⅱ中優(yōu)先流導水能力明顯弱于土箱Ⅰ和土箱Ⅲ。
　　(6)優(yōu)先流發(fā)生位置與含水量增

10、值分布對應關(guān)系較強，其中大孔隙流(M)附近的水分變化增值最大。含水量增值變化（降雨前后24小時）受雨強影響與優(yōu)先流程度的響應規(guī)律相反，雨強0.7 mm/min時，含水量增值隨優(yōu)先流程度的增加而減小;雨強1.2 mm/min時，含水量增值隨優(yōu)先流程度增加而增加。對三個土箱中優(yōu)先流程度最高的處理進行統(tǒng)計，優(yōu)先流發(fā)生明顯區(qū)域是非優(yōu)先流區(qū)域或優(yōu)先流發(fā)生不明顯區(qū)域的1.8-2.1倍，出現(xiàn)大孔隙流(M)的層次體積含水量變化值為4.1-20.8％，大