土石混合介质水分入渗特性试验研究

土壤中碎石的存在改变了土壤结构和土壤水分运动规律.为研究碎石含量和碎石粒径对土石混合介质水分入渗特性的影响.利用垂直一维积水入渗试验资料对其进行分析.结果表明:土石混合介质的累积入渗量和湿润锋推进速度均小于细土,碎石含量对累积入渗量和湿润锋的影响存在一个转折点.该转折点因粒级不同而不同;碎石含量对含水量剖面的影响表现为含水量随含石量增加而下降;碎石粒径只对混合介质本身的物理特性有影响,对水分入渗无明显影响.     

不同碎石含量及直径对土壤水分入渗过程的影响

由于成土原因或人类活动,一些土壤中含有不同含量及大小的碎石。碎石的存在改变了土壤的某些物理特性,入渗过程也因此受到影响。本研究采用定水头入渗试验装置,对7种不同碎石含量(0%,10%,20%,30%,40%,50%,60%)及4种不同碎石直径(0.2~0.5cm,0.5~1.0 cm,1.0~3.0 cm,3.0~4.0 cm)的土壤水分入渗过程进行室内研究,旨在分析碎石含量及直径对土壤入渗过程的影响及其原因,为土石混合介质的研究提供一些理论基础。     

喀斯特地区不同层次土石混合介质对土壤水分入渗过程的影响

桂西北喀斯特地区土壤中常常含有土石隔层,分析其对土壤水分入渗过程的影响有助于深入研究该区水循环机理和促进植被恢复重建进程。通过室内模拟土柱试验,研究了不同土石隔层碎石粒径(5～20,20～40 mm)及土石隔层(土石质量比为1:1)位置(上层(0～20 cm),中层(10～30 cm),下层(20～40 cm))对土壤水分入渗过程的影响。结果表明,碎石粒径为5～20 mm时,土石隔层位于中层时土壤累积入渗量最大。碎石粒径为20～40 mm时,土石隔层位于下层时土壤累积入渗量最大。当土石隔层位置一定时,碎石粒径较小有利于土壤水分入渗;粒径为5～20 mm的土石隔层土壤稳定入渗速率最大,且达到稳定入渗的时间最短,但土层隔层位于下层时均质土壤及不同粒径土壤的稳定入渗速率无显著差异。土石隔层位置和隔层碎石粒径对初始入渗速率没有显著影响;土石隔层位于上层时,土石隔层的存在缩短了水分入渗运移过隔层的时间。土石隔层位于中层时,隔层碎石粒径为20～40 mm时水分入渗到达隔层及运移过隔层的时间最长。土石隔层位于下层时,隔层碎石的存在缩短了水分入渗到达隔层及运移过隔层的时间。Kostiakov入渗模型与Philip方程都可以较好地描述含土石隔层土壤的入渗过程,但Kostiakov入渗模型模拟效果更好。     

土石混合介质导气率变化特征试验

土壤中碎石的存在改变了土壤结构和孔隙分布,进而影响土壤通气性能。该文通过对碎石单粒径土石混合介质导气率变化特征研究,旨在探讨单粒径土石混合介质导气内在机理,为进一步研究复杂的野外土石混合介质的导气特性提供基础。为了研究土石混合介质中碎石对导气率的影响,该文通过试验研究,分析土壤颗粒小于2mm的样本(砂土、砂壤土、黏壤土)、碎石质量分数(10%、20%、30%、40%、50%)和碎石粒径(2～3、>3～5mm)对土石混合介质导气率的影响。结果表明:在土壤颗粒小于2mm的样本条件下,土壤导气率呈砂土>砂壤土>黏壤土;在相同碎石质量分数的土石混合介质中导气率呈砂壤土>砂土>黏壤土;碎石的存在改善黏壤土的导气性能,使黏壤土碎石混合介质的导气率大于黏壤土的导气率;降低了砂壤土和砂土的导气性能,且砂土的降低幅度远大于砂壤土;在砂壤土中碎石粒径2～3mm的导气率大于>3～5mm的导气率;在砂土中碎石质量分数30%之内,碎石粒径>3～5mm的导气率稍大于2～3mm的导气率,在40%则相反,但两种粒径下混合介质导气率差异不是很明显。     

小碎石与细土混合介质的导水特性

含碎石土壤的导水性质研究有利于这种多孔介质水分运动的模拟。本文采用室内定水头法和离心机法分别测定两种质地土壤(壤土、黏壤土)和三种岩性小粒径(2~10 mm)碎石构成的土石混合介质的饱和导水率和水分特征曲线,采用van Genuchten-Mualem模型计算各土石介质的非饱和导水率,分析碎石对土壤导水能力的影响。试验结果显示,风化程度低的碎石对黏壤土具有明显的增大饱和导水率的作用,且碎石含量愈高,增加的效果愈明显;而风化程度高的碎石对土壤结构无明显的改善作用,且对黏壤土具有减小饱和导水率的作用。风化程度低碎石介质的非饱和导水率随土壤水吸力的增加呈现了先大于土壤和土石介质的后迅速减小到低于土壤和土石介质的变化过程。风化程度低的河卵石和风化程度高的粉泥页岩碎屑分别构成的土石介质的非饱和导水率较土壤的低,而风化程度中等的片麻状花岗岩碎块构成的土石介质的非饱和导水率较土壤的高。近饱和状态下,碎石含量高的土石介质的非饱和导水率也相应的高,而较大的土壤水吸力下,土石介质的非饱和导水率呈现随碎石含量的增大而减小变化趋势。试验结论可为含碎石土壤水分平衡研究提供参考。     

有限元子域法分析土石混合介质的饱和导水率

在黄土高原水蚀风蚀交错地区,碎石的存在影响着土壤的水力学特性,因此研究土石混合介质的渗流运动对该地区的植被恢复建设具有重要的指导意义。虽然用有限元法分析地下水渗流的工作很多,但对土石混合介质而言,由于有限元法的解题规模迅速增加,其研究甚少。本模型采用子域法矩形单元,假定土石体中石块含量增加不影响土的孔隙率且石块不透水分析了土石混合介质中的渗流过程。结果表明,影响土石混合介质饱和导水率的主要因素是土石介质的含石率;石块的大小基本不影响混合介质饱和导水率;石块分布方式增加水流路径时,会影响混合介质饱和导水率。这一数值分析结论与土石体渗流问题的部分理论结果和试验结果吻合良好。本模型子域法计算效率高,结果较准确,可用于较大规模的土石混合介质渗流分析,还可推广用于土石混合介质的三维分析和多级子域法有限元技术以获得更大规模的解题效果。     

不同碎石含量的土壤降雨入渗和产沙过程初步研究

碎石的存在改变了均质土壤的某些物理特性，降雨入渗和侵蚀产沙过程也因此受到影响，获取相关知识有助于模拟和预测土石混合介质中发生的水土过程。试验在模拟降雨条件下，对4种不同碎石含量(质量含量分别为0%，10%，20%和30%)的土壤入渗和产沙过程进行了室内研究。结果表明，碎石含量为10%时，土壤入渗率最大，当碎石含量超过10%时，入渗率反而降低；4种不同碎石含量的土壤侵蚀产沙高峰期均出现在降雨初期0～20 min，此后土壤侵蚀产沙相对稳定且在不同碎石含量的土壤间差别不大；降雨过程中，10%碎石含量的土壤侵蚀含沙率一直保持稳定较低水平，其他碎石含量的土壤侵蚀含沙率起初很高并在0～10 min内急剧下降，此后与10%碎石含量的土壤侵蚀含沙率接近。     

土石混合介质饱和导水率的研究

采用恒定水头法对土石混合介质的饱和导水率进行测定，分析不同碎石含量及碎石直径对饱和导水率的影响，同时利用实测值对Peck—Watson及Bouwer—Rice两个传统估算方程的估测精度进行比较。结果表明：（1）饱和导水率随碎石含量先增大后减小，且两者呈二项式关系；（2）饱和导水率随碎石直径增大而减小，两者呈幂函数关系；（3）碎石直径介于1．0～5．0cm时，Bouwer—Rice和Peck—Watson方程对饱和导水率的估算结果均大于实测值。     

三峡库区碎石含量对紫色土容重和孔隙特征的影响

土壤容重和孔隙分布特征是土壤重要的基本物理性质,但有关含碎石土壤的物理性质以及碎石含量对土壤结构影响的研究尚不多见。三峡库区紫色土中存在大量的碎石,为了深刻了解和评价土壤中碎石对容重与大孔隙形成的可能作用,通过野外调查、典型土样采集和室内分析实验,探讨了三峡库区典型土地利用类型下土壤中的碎石体积含量以及不同粒径碎石的基本物理性质及其对土壤容重和孔隙特征的影响。结果表明:土壤中碎石的孔隙度和饱和含水率随着碎石粒径的减小而增大,小碎石本身具有一定的持水、供水性能;碎石含量对土壤的总容重、细土容重有显著影响,随着碎石含量的增加,土壤的总容重逐渐增加,而细土容重与碎石含量呈线性负相关关系,土壤中碎石的存在有利于改善土壤的结构;土壤孔隙分布特征与碎石含量密切相关,随着碎石含量的提高,土壤总孔隙度和毛管孔隙度呈减少趋势,而非毛管孔隙度即大孔隙呈增加趋势,碎石的存在有利于改善土壤的透水性能。本研究为山区农用地灌溉与水分管理提供了科学依据。     

用薄层土蒸发数据计算获得萎蔫含水量和高基模吸力段持水曲线

本研究对薄层土的含水量和薄层土所含水分的蒸发率的关系进行了理论分析 ,并在实验室测定了砂土、壤土、和粘壤土的薄层样品的水分蒸发过程。蒸发率迅速降低时的转折含水量被与压力锅法测定的萎蔫含水量相联系。薄层土蒸发数据还被用于计算高吸力段的持水曲线。vanGenuchten持水曲线模型经修改后可以很好拟合所计算的持水曲线数据     

含岩屑紫色土水分扩散规律

紫色土中存在的岩屑显著影响土壤水分扩散。以往研究主要集中在> 2 mm岩屑上而忽视了<2 mm岩屑的作用。因此,探讨>2 mm岩屑对紫色土水分扩散的影响基础上,明确<2 mm岩屑的作用对完善含岩屑紫色土水分扩散规律的研究具有重要的意义,从而为土壤水动力学模型的构建提供理论依据。以四川盆地紫色页岩发育的暗棕紫泥土和泥岩发育的红棕紫泥土为研究对象,设置3种岩屑粒径(0.25~2,2~5,5~10 mm)和4种岩屑含量(0,30%,50%,70%),利用水平土柱吸渗法测定含岩屑土壤湿润锋变化特征、水分扩散率D(θ)和土壤含水率θ,并拟合D(θ)、Boltzmann参数λ与θ之间的关系。结果表明:对于暗棕紫泥土,岩屑粒径为2~5 mm时,土壤湿润锋前进速率和D(θ)随岩屑含量增加呈先增加后降低再增加的趋势;岩屑粒径为0.25~2,5~10 mm时,土壤湿润锋前进速率和D(θ)随岩屑含量增加逐渐增加。对于红棕紫泥土,岩屑粒径为2~5,5~10 mm,随岩屑含量增加,70%岩屑含量的土壤D(θ)明显大于其余3个岩屑含量的土壤,而30%岩屑含量和50%岩屑含量土壤之间的D(θ)无显著差异,且土壤湿润锋前进速率均呈先增加后降低再增加的趋势;岩屑粒径为0.25~2 mm时,土壤湿润锋前进速率和D(θ)随岩屑含量增加逐渐增加。因此,随岩屑含量提高,土壤水分扩散速率整体呈现增加趋势;且泥岩发育的土壤水分扩散速率高于页岩发育的土壤。     

Effects of rock fragments on physical degradation of cultivated soils by rainfall

To understand better the role of rock fragments in soil and water conservation processes, the effects of rock fragments in maintaining a favourable soil structure and thus also in preventing physical degradation of tilled soils was studied. Laboratory experiments were conducted to investigate the effects of rock fragment content, rock fragment size, initial soil moisture content of the fine earth and surface rock fragment cover on soil subsidence by rainfall (i.e. change in bulk density by one or more cycles of wetting and drying). A total of 15 rainfall simulations (cumulative rainfall, 192.5 mm; mean intensity, 70 mm h⁻¹) were carried out. Before and after each rainfall application the surface elevation of a 19-cm thick plough layer was measured with a laser microrelief meter. In all experiments, the bulk density of the fine earth increased with applied rainfall volume to reach a maximum value at about 200 mm of cumulative rainfall. From the experimental results it was concluded that the subsidence rate decreased sharply for soils containing more than 0.50 kg kg⁻¹ rock fragments, irrespective of rock fragment size. Fine earth bulk densities were negatively related to rock fragment content beyond a threshold value of 0.30 kg kg⁻¹ for small rock fragments (1.7–2.7 cm) and 0.50 kg kg⁻¹ for large rock fragments (7.7 cm). Initial soil moisture content influenced subsidence only in the initial stage of the experiments, when some swelling occurred in the dry soils. Surface rock fragment cover had no significant effect on subsidence of the plough layer. Therefore, subsidence of the plough layer in these experiments appears to be mainly due to changing soil strength upon drainage rather than the result of direct transfer of kinetic energy from falling drops. The relative increase in porosity of the fine earth as well as the absolute increase in macroporosity with rock fragment content will cause deeper penetration of rainfall into the soil, resulting in water conservation. Therefore, crushing of large rock fragments into smaller ones is to be preferred over removal of rock fragments from the plough layer.     

土壤中砾石存在对入渗影响研究进展

石质山区的土壤中含有大量砾石,土壤中大量砾石存在会影响土壤物理特性和水力特性,从而对土壤入渗规律造成影响。本文主要介绍了国外土壤中砾石存在对土壤物理特性、水力特性以及入渗规律影响研究的现有研究成果,国外现有研究结果表明,土壤中砾石存在对入渗影响较为复杂,砾石覆盖/含量与入渗量之间既有正相关关系,也有负相关关系。     

土壤砾石含量的电阻率断层扫描技术应用研究

砾石含量是土壤质量评价与分类的基本参量。但传统的测定采用了随机采样的方法,一些特殊和极端区域的土样难以获得,进而制约了对土壤砾石含量评价的客观性和完整性。本研究基于土壤由细土和砾石二相介质组成的假设,采用了电阻率断层扫描技术,结合该技术对土壤中砾石体积含量的评价,对土壤砾石含量做了系统性研究。结果表明细土样品的电阻率值主要受土壤含水量的影响,容重及有机质含量对其影响较小。土壤砾石体积含量和有效电阻率之间的关系与Bussian's Law模型预测结果相吻合,且细土电阻率值对该关系影响较大。在细土和砾石的电阻率值分别为160Ωm和3000Ωm条件下,对砾石体积含量估算结果的绝对误差为22%。电阻率断层扫描技术提供了土壤学基础研究的重要工具,对其应用的研究将会对土壤学相关研究提供重要的帮助。     

砾石覆盖对土壤水蚀过程影响的研究进展

 土壤中砾石的存在对水蚀过程有着重要的影响,有关砾石特别是表土砾石覆盖对土壤水蚀影响的研究结果表明,表土砾石对溅蚀分散、细沟间及细沟侵蚀等坡面侵蚀过程有重要影响:1)泥沙溅蚀分散量与砾石覆盖度呈负相关关系;2)砾石覆盖与细沟间侵蚀的关系较为复杂,这取决于表土的结构、砾石的位置和大小以及坡度等因素,当砾石嵌入结皮表土时,二者呈负相关关系,当砾石置于表土之上或嵌入具有结构孔隙的表土时,二者呈正相关关系;3)砾石覆盖对细沟间侵蚀产沙的作用效率与砾石粒径呈负相关关系,砾石置于表土之上的表土产沙量总低于砾石嵌入表土的产沙量;4)表土砾石覆盖能抑制细沟的形成,增加细沟糙度,降低细沟径流速率以及径流的侵蚀速率。鉴于砾石对水蚀过程的重要影响,RUSLE、WEPP和EUORSEM等土壤侵蚀模型预报含砾石土壤流失量时对相关参数做了修正。     

六盘山叠叠沟小流域的土壤石砾含量坡面分布特征

山区土壤石砾含量经常很高,这对土壤水文功能具有不可忽视的作用.为了解六盘山区土壤石砾含量的空间分布特征.在叠叠沟小流域调查研究了土壤石砾含量随坡向、坡位和土层深度的变化规律.结果表明,土壤(以表层0-20 cm为例)石砾体积含量的坡向顺序为阳坡(3.07%)>阴坡(2.89%)>半阴半阳坡(1.99%),坡位顺序为下部(3.46%)>中上部(3.05%)>坡顶(2.46%)>中部(2.20%)>上部(2.08%).在受侵蚀影响导致表层土壤石砾富集的同时,石砾含量主要受离开母岩距离的影响,因而表现为随土壤加深而增加的趋势,基于此提出了不同坡向坡位时石砾体积含量随土壤深度变化的模型,与实际数据吻合较好.     

田间含碎石土壤水分入渗及再分布试验研究

为探明碎石存在于田问土壤中如何改变土壤水分运移通道、影响土壤水分运动,揭示田间含碎石土壤水分运动的复杂过程,采用便携式针头降雨器在铜川崾岘梁修建的临时小区进行模拟降雨实验,测定含碎石浅层土体的入渗和水分再分布过程.采用土壤水分运动通量法计算浅层土体不同深度各截面面积的水量在雨后不同时间段的变化,分析含碎石土壤再分布特征及碎石含量对浅层土体入渗和水分再分布的影响.结果表明:碎石有利于田间浅层土壤入渗和蓄存;室内较田问测定的含碎石土壤入渗率小一个数量级以上;降雨后较短时段,碎石含量相对高的林地小区的浅层土体水分在降雨停止后呈增加趋势.表现了蓄水过程,碎石含量较低的撂荒地则表现了释水过程;降雨后较长时段,多数小区浅层土体(0-30 cm)水量变化呈现了"排水一存储交换一排水"过程,少数小区仅呈现了"排水"过程;雨后16 h左右的土体各截面面积的水量与碎石含量呈现了以直线y=0.4873为轴对称的递增和递减的指数为1/2的幂函数关系,说明碎石对黄土区典型土石区土体水分运动具有促进和阻滞双面影响.本文的研究结果可为含碎石土壤的水分利用及水分循环提供参考.