黃土高原區(qū)土石混合介質(zhì)水質(zhì)分溶質(zhì)運(yùn)移試驗(yàn)研究.pdf

1、本文選取黃土高原區(qū)有代表性土石山區(qū)天水、涇陽、銅川采集擾動土樣和原狀土樣；采樣點(diǎn)均處在黃土高原區(qū)質(zhì)地分區(qū)的中壤-Ⅱ帶，其中天水鳳凰山和涇陽的張家山處于黃土高原的中壤-Ⅱ帶南邊緣的西側(cè)和中部，銅川崾峴梁位于中壤-Ⅱ帶的北邊緣。鳳凰山為次生油松林地，土石介質(zhì)中碎石為塊狀中度風(fēng)化分解的變質(zhì)巖；張家山坡面分布不均勻灌草，平均蓋度在20％左右，碎石為密度較大的河灘石和少量鈣結(jié)核的混合物，以橢圓形、扁圓形為主；銅川崾峴梁擾動土采集地為耕作田地，耕作

2、層土體中碎石分布較均勻，原狀土在次生喬灌林地采集，碎石為片狀和塊狀的風(fēng)化程度很高的泥頁巖和粉頁巖碎屑。將土樣中的碎石篩分，對其中的小粒徑的碎石構(gòu)成的土石介質(zhì)的飽和導(dǎo)水率和持水性采用定水頭法和離心機(jī)法進(jìn)行測定；并對土樣進(jìn)行了飽和穩(wěn)態(tài)流條件下的土柱入滲和溶質(zhì)混合置換試驗(yàn)；同時在銅川崾峴梁地表及土體中含有碎石的坡面和神木六道溝分布水蝕鈣結(jié)核的坡面進(jìn)行了野外模擬降雨試驗(yàn)，以研究水分在土石介質(zhì)中的運(yùn)移特征。根據(jù)測定的數(shù)據(jù)分析碎石類型、含量、粒徑對

3、黃土高原區(qū)土石介質(zhì)入滲、導(dǎo)水性質(zhì)、非反應(yīng)性離子置換的影響。得到了以下主要結(jié)論： 1. 小粒徑碎石（2-10mm）對土石介質(zhì)的導(dǎo)水性質(zhì)的影響因碎石類型的不同有較大的差異：中等風(fēng)化程度的塊狀變質(zhì)巖碎屑和河灘石對土壤飽和導(dǎo)水率有增加的作用，前者的作用更明顯；而風(fēng)化程度很高的沉積巖碎屑對土壤飽和導(dǎo)水率有減小的作用。土石介質(zhì)的導(dǎo)水率均隨碎石含量存在一定的變化趨勢，由中壤土(天水)構(gòu)成的介質(zhì)含變質(zhì)巖碎屑和河灘石時隨碎石含量增加導(dǎo)水率先增大后

4、減小，含沉積巖碎屑的則隨碎石含量增加先減小后增大。中壤土(銅川)與風(fēng)化程度低的碎石構(gòu)成的土石介質(zhì)的導(dǎo)水率隨碎石含量增加成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，與風(fēng)化程度高的碎石構(gòu)成的土石介質(zhì)成冪減函數(shù)關(guān)系。 2. 小粒徑的碎石構(gòu)成的土石介質(zhì)的持水性表明：任何吸力下，含碎石的土壤的水分含量低于不含碎石的土壤；通常風(fēng)化程度大的碎石構(gòu)成的土石介質(zhì)的水分含量稍小于細(xì)土的，較小風(fēng)化程度的碎石構(gòu)成的土石介質(zhì)的水分含量明顯低于細(xì)土的。得到滯留含水量隨碎石含量增加而減

5、少，并在碎石含量為25％、35％出現(xiàn)波動； 對于風(fēng)化程度小的碎石，粒徑大的碎石組成的土石介質(zhì)的滯留含水量有小于粒徑小的碎石的趨勢；風(fēng)化程度高的沉積巖碎屑則相反。表征進(jìn)氣吸力大小的水分特征曲線參數(shù)有隨石含量增加而減小的趨勢。 3. 室內(nèi)土柱一維垂直入滲試驗(yàn)表明：黃土高原區(qū)土石介質(zhì)的水分滲透曲線符合Kostiakov 公式，碎石含量高于20％且大粒徑碎石（>10mm）含量超過總碎石質(zhì)量含量1/3 的土石介質(zhì)，則描述效果相對較

6、差。與小粒徑碎石研究結(jié)果相似，塊狀或不規(guī)則形狀的中度變質(zhì)巖有利于水分在土體中的運(yùn)動，得到了土石比與Kostiakov 公式參數(shù)比值的冪函數(shù)關(guān)系，并進(jìn)一步推導(dǎo)出入滲率與時間及土石比兩個變量的雙參數(shù)冪函數(shù)入滲公式。當(dāng)增大河灘石粒徑和使河灘石的碎石組成復(fù)雜，則主要表現(xiàn)為對土體水分運(yùn)動的阻滯作用。片狀為主的風(fēng)化程度較高的沉積巖碎屑對土體入滲率的影響沒有顯示出定量關(guān)系，總體講，沉積巖碎屑不利于水分運(yùn)動。黃土高原區(qū)土石介質(zhì)水分濕潤深度與時間的關(guān)系可

7、以用Philip 垂直入滲方程的形式描述，描述效果很好。2-3mm 塊狀變質(zhì)巖對水分浸潤土體有極顯著的阻滯作用；3-10mm 沉積巖碎屑對土體濕潤鋒的前進(jìn)有阻滯作用；10-30mm 的河灘石不利于濕潤鋒前進(jìn)，30-45mm 的碎石有利于土體的浸潤。 4. 穩(wěn)態(tài)水流條件下，土石比大于1.5 的均一不均質(zhì)的含碎石土壤的穿透曲線與均質(zhì)土壤相似，可以用平衡的CDE 模型描述；土石比小于1.5 的土石介質(zhì)的穿透曲線與結(jié)構(gòu)土壤相似，表現(xiàn)為開

8、始穿透到完全達(dá)到供應(yīng)濃度所需的時間較長，并有早穿透長拖尾的現(xiàn)象；早穿透的特征由土體孔隙流速決定。塊狀變質(zhì)巖碎石粒徑為5mm 為土體溶質(zhì)開始穿透的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，大于5mm 碎石含量高，則開始時間早，反之亦然。大于30mm 河灘石含量高，則溶質(zhì)較早的被監(jiān)測到。土石介質(zhì)的穿透歷時與碎石含量有正相關(guān)關(guān)系，且2-10mm 河灘石含量高則穿透時間短，10-25mm 碎石含量高則穿透時間長。大粒徑的沉積巖碎屑含量高，則溶質(zhì)的彌散作用強(qiáng)。 5. 原狀

9、土柱底部橫截面出流變異顯著：通入水分后任何時段各出流口的出流率變異系數(shù)大于0.6；出流率小的出流量隨時間緩慢的增加，并出現(xiàn)分段現(xiàn)象，達(dá)到穩(wěn)定的時間更長，有的出流口逐漸停止出流；出流率大的出流量隨時間先成冪函數(shù)增加，再以線性函數(shù)增加，達(dá)到穩(wěn)定的時間較短。在穩(wěn)定持續(xù)供水條件下，原狀土柱穿透曲線用兩區(qū)模型描述比平衡的CDE 方程效果好。截面出流口相對濃度的變異系數(shù)隨穿透時間減少，由初始穿透時的變異系數(shù)1.2 左右減小到穿透末期的0.3 左右。

10、 6. 模擬降雨條件下，崾峴梁土石混合介質(zhì)的入滲過程用Horton 入滲公式描述最佳；對六道溝土石混合介質(zhì)入滲過程描述較好的入滲公式是蔣定生入滲公式；六道溝土石混合介質(zhì)入滲過程與土表的碎石覆蓋有顯著的相關(guān)性，地表碎石含量在0.3 以上，土體的入滲過程分段明顯，入滲初期入滲率與時間關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系，后期符合線性關(guān)系。碎石覆蓋有增大土石混合介質(zhì)入滲的趨勢。短時的水分再分布過程表現(xiàn)了排水過程，崾峴梁小區(qū)比六道溝小區(qū)排水快；長時段的水