黃土高原區(qū)不同地貌類型下入滲水深度研究
——以南小河溝為例

陶 敏，陳 喜，張志才，劉金濤，朱 澤，韓小樂

(河海大學水文水資源學院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098)

在我國南方濕潤、半濕潤地區(qū)，覆被好、土壤入滲能力大，入滲水運動及蒸散發(fā)影響深度具有明確的上下界面，即水循環(huán)過程作用于地表至基巖范圍內(nèi)，產(chǎn)匯流以該土層內(nèi)蓄滿(即達到田間持水量)產(chǎn)流為主。與此相比，半干旱和半濕潤氣候黃土高原地區(qū)，除少數(shù)石質山地外，黃土層厚度在50～80 m之間，最厚達150～180 m[1]，且高原地下水位多在地表以下60～100 m[2]，因此，包氣帶巨厚，而入滲水僅作用于有限深度土層內(nèi)，降雨產(chǎn)流通常認為超滲產(chǎn)流為主。劉海松[3]，丁勇[4]在黃土高原地區(qū)通過人工降雨試驗探究了入滲水深度與降水量和降水過程的關系，陳寶群[5]則從黃土高原地區(qū)裸地特旱年、平水年和特大豐水年年降水量判別了降雨入滲補給深度，總體而言，與黃土層厚度相比，降雨入滲深度有限。穆興民等[6]揭示了黃土高原人工林地區(qū)土壤垂向結構對入滲水深度的影響規(guī)律，隨著土層深度的增加，土壤容重增大，非毛管孔隙減小，土壤變得緊實，土壤入滲能力急劇降低，水循環(huán)速率急劇下降，短期內(nèi)降雨的入滲深度有限，很難到達地下水位。有研究者[7-9]還通過分析指出由于黃土經(jīng)流水長期強烈侵蝕，逐漸形成千溝萬壑，塬面、梁峁以及溝谷地形差異大，黃土至下伏的基巖不透水層厚度空間差異也大，地形差異是影響土壤水循環(huán)深度的重要因素。

綜上所述，黃土層入滲水深度受土壤、覆被及地形等影響，但還缺乏綜合分析入滲水影響深度與這些地貌因子之間的關系，導致一系列水文循環(huán)問題，如黃土高原區(qū)深部地下水補給途徑、主要產(chǎn)流區(qū)域等。本文選取位于黃土高原溝壑區(qū)天然荒草地董莊溝(DZG)和植被恢復的楊家溝(YJG)兩個對比小流域，利用探地雷達探測土壤異質性強的深度，利用染色入滲試驗、單環(huán)入滲試驗以及雨后土壤含水量隨土壤深度的變化，分析了黃土高原區(qū)入滲水影響深度及其與覆被、土壤和地形之間關系，為黃土高原地區(qū)水文過程研究及生態(tài)環(huán)境效應分析提供基礎。

1 流域概況及現(xiàn)場試驗

南小河溝是涇河支流-蒲河的一條支溝，位于東經(jīng)107°33′～107°37′，北緯 35°41′～35°44′之間，在甘肅省慶陽市西峰區(qū)后官寨鄉(xiāng)境內(nèi)，地貌類型屬典型的黃土高原溝壑區(qū)。流域面積36.3 km2，流域年平均氣溫9.3 ℃，海拔高度1 050～1 423 m，流域長13.6 km，蒸發(fā)皿(Φ20型)觀測的多年平均蒸發(fā)量為1 503.9 mm；年平均降水量為556.6 mm，降雨主要集中在6-9月，占全年降水量的67.3%。

董莊溝和楊家溝是南小河溝的兩條支溝。集水面積分別為1.12和1.01 km2，主溝長分別為1 600和1 500 m，溝道比降分別為8.93%和8.46%。楊家溝坡溝面積占流域面積的65.5%，1954年后楊家溝溝坡開始種植刺槐林、杏樹及榆樹等植被，1958年停止造林時植被面積已高達79%。董莊溝作為與楊家溝的對比流域，山坡為自然荒坡，塬面種植玉米、小麥、高粱等作物。從1958年至今，兩流域的土地利用方式未有改變。流域地貌有3種類型：塬面、梁峁坡和溝谷。塬面地形平坦，坡度在5°以下；梁峁坡為連接塬面的緩坡帶，坡度一般在10°～20°之間；梁峁坡以下為溝谷，呈“V”型，坡度一般在25°以上[10]。

分別在YJG坡頂和坡底取樣方進行調查(見表1)，坡頂?shù)闹脖桓采w率大于坡底，但樹干平均直徑小。植被的生長狀況與水分的供給密切相關，位于坡底的植被距離溝道較近，有相對充足的水源，因此生長狀況更好[11]。

表1 YJG植被樣方調查結果Tab.1 The survey results of vegetation quadrat in catchment of YJG

2015年8月在兩個小流域開展了實地勘測、取樣及入滲試驗，包括：利用探地雷達探測土壤垂向異質性變化；環(huán)刀土壤取樣并室內(nèi)分析土壤粒徑以及環(huán)刀測土壤飽和滲透系數(shù)；選點(YJG的C、D點，DZG的B、F點)進行單環(huán)染色入滲試驗，分析植被根系形成的大孔隙流；選點(YJG的P、D點，DZG的G、H、I、J、K、L、M、N、O、R、S點)觀測雨后土壤含水量隨土壤深度的分布情況，并分析20 cm土壤含水量與地形坡地和地形指數(shù)之間關系?，F(xiàn)場試驗整體布局和兩小流域地形高程、測點、探地雷達側線及實景示意圖如圖1所示。

2 試驗結果

2.1 土壤垂直非勻質性探測

黃土物質組成具有高度的均一性，粉沙約占50%，黃土中孔隙度一般可達45%～50%，但近地表土體疏松，垂直節(jié)理發(fā)育。根據(jù)李萍等在隴東黃土高原東部，子午嶺西麓探井開挖，地層從地表以下 8.5 m范圍內(nèi)均為Q3馬蘭黃土，8.5～10.0 m 為第1層古土壤[4]。黃土和古土壤在性質上有明顯差異。黃土比古土壤干密度小、含水率低、黏粒含量少、壓縮性高、濕陷性強、滲透性高，反映了黃土結構疏松、古土壤結構致密的特點。另一方面，黏性土壤在干濕過程中各部分濕脹干縮程度不同，頻繁干濕交替使得土壤表層結構遭到破壞，使團聚體內(nèi)產(chǎn)生細微的裂縫，同時植物根孔的垂直分布以及局部地區(qū)濕陷性黃土地區(qū)黃土洞穴，是造成土壤滲透性各向異性的主要原因。已有研究表明，滑體主要由中、晚更新世黃土崩滑堆積物組成，結構零亂，顏色混雜或較均一，滑體厚度一般為 3 ～ 30 m[11]。這種表土層中垂向節(jié)理、裂隙、大孔隙等形成的空間異質性為入滲水運動提供主要通道，也為判別入滲水影響最大深度提供參考依據(jù)。

圖1 兩小流域地形高程、測點、探地雷達側線布局及實景示意圖Fig.1 Terrain altitude、measurement points、selected lines of ground-penetrating radar (GPR) and photos in the catchments of DZG and YJG

探地雷達作為一種快速無損的地球物理探測技術，它利用一組發(fā)射天線向地下內(nèi)部發(fā)射高頻電磁波，在傳播過程中遇到電性差異的地層或物體反射后返回表面，被另一組接收天線接收，根據(jù)接收到電磁波的旅行時間、波形、振幅的變化特征推斷介質的性質、空間結構、形態(tài)和埋藏深度。本文在兩個小流域溝谷、梁峁坡以及塬面附近一共布設7條側線，采用MALA RTA50超強地面耦合天線地質雷達進行勘探。探測路線見圖1，DZG測線1、YJG測線1位于溝谷，側向由流域出口往上，側線長分別為500、100 m；DZG測線2、3、5、YJG測線2位于梁峁坡，側向由溝谷向塬面往上，側線長分別為12、50、20、33 m；DZG測線4位于塬面上，側向由流域上游往下方向，側線長為15 m。采集軟件為GroundVision軟件，參數(shù)設置為時窗 1 500 ns， 采樣點數(shù)采用自動，采樣頻率 500 MHz，128次疊加。用Reflexw后處理軟件對采集的圖像進行處理，結果如圖2所示。

結果表明：①在低洼的溝谷附近(圖2中DZG測線1、YJG測線1)，DZG流域10～15 m深土層異質性強，且DZG流域在出口斷面向上10 m處出現(xiàn)黃土洞穴(圖2中DZG測線1)；YJG流域溝谷附近下游出口斷面至上游30 m范圍內(nèi)，此深度接近0 m，推斷接近溝谷的基巖。②在塬面上及滑體上(DZG測線4)，異質性強的深度在20 m左右。③由溝谷向梁峁坡(DZG的2、3、5測線、YJG的2測線)，異質性強的深度呈現(xiàn)由溝谷向塬面呈現(xiàn)遞增趨勢，如位于上游的DZG測線5，異質性強的土壤深度由溝谷附近5 m向塬面方向增加到15 m；YJG測線2由10 m增加到20 m。

圖2 探地雷達勘測剖面圖Fig.2 Profile maps of GPR

2.2 不同覆被下入滲水影響程度及范圍界定

2.2.1 土壤大孔隙垂向分布染色試驗

植物根系等形成的大孔隙流是土壤中非常普遍的一種水分和溶質運移形式，入滲水水分和溶質繞過土壤基質，通過少部分大孔隙的快速向下運移。在黃土高原地區(qū)的一些研究表明，不同植被下土壤的滲透能力沿著土層深度出現(xiàn)由高到低的變化，與根系上多下少的分布密切相關[12]，極少數(shù)特大孔隙的存在可顯著增大土壤的導水能力，具有大孔隙優(yōu)勢流效應[13]。

染色法將大孔隙流路徑清晰地呈現(xiàn)在土壤剖面上，不僅可以直接查看分析大孔隙流路徑，還可以對大孔隙流類型及其分布進行辨析[14]。為研究DZG和YJG小流域大孔隙影響下入滲過程，分別在兩小流域選點(YJG的C、D點，DZG的B、F點)利用亮藍進行單環(huán)染色入滲試驗。試驗開始時先清除樣地表層的枯枝落葉，然后將圓柱形鋼圈嵌入土壤表層，在鋼圈內(nèi)注入一定濃度的亮藍溶液，待亮藍溶液完全入滲后，再用枯枝落葉將試驗區(qū)域覆蓋，經(jīng)1 h后沿染色樣地由外及里逐層開挖垂直剖面，每個樣地開挖3個垂直剖面。

由開挖的垂直剖面觀測剖面染色劑入滲深度(見圖3)及距單環(huán)中心不同距離的剖面染色比例隨深度的變化情況(見圖4)，通過數(shù)值化分析得出0～1 m剖面統(tǒng)計值(見表2)。由表2和圖3可知：①在70 cm寬、100 cm高剖面內(nèi)，森林植被YJG流域洼地區(qū)總染色比例較大，且亮藍溶液入滲深度較深，如圖1中YJG流域C、D點入滲深度分別76、82 cm，染色比例分別為46.13%、53.24%；以荒草覆被為主的DZG流域B、F點入滲深度分別為53、55 cm，染色比例分別為26.42%、35.15%。說明有植被恢復的YJG流域表層根系形成的大孔隙數(shù)量多，根系形成的孔隙成為亮藍溶液入滲的優(yōu)先流路徑，溶液入滲較多較深。②圖4和表2表示的是各試驗點距單環(huán)中心不同距離的剖面染色比例隨土壤深度的變化情況，可以看出染色比例均隨土層深度的增加而減小，如C點從土壤表層到底層，以20 cm為間隔，0～60 cm深度內(nèi)染色比例分別為85.52%、61.14%、28.71%，主要集中在表層0～40 cm范圍。

表2 各試驗點染色中心位置土壤剖面的染色面積比例Tab.2 Proportion of stained area to center of soil section of each test points

圖3 各試驗點染色中心位置剖面染色分布Fig.3 Stained distribution of center of soil section of each test points

2.2.2 不同深度飽和入滲率及入滲水動態(tài)變化特征

黃土入滲能力低，大部地區(qū)表土穩(wěn)定入滲速率達到0.5～1.35 mm/min，初滲速率達到15～28.5 mm/min[2]。利用環(huán)刀在YJG、DZG流域采樣點不同深度(0～70 cm)分別采取土樣，在室內(nèi)分析土壤密度并做入滲試驗，采樣點飽和滲透系數(shù)與土壤密度的相關關系(見圖5)表明：①飽和滲透系數(shù)與土壤密度呈現(xiàn)較好的負相關關系。由于土層深度增加，土壤變得更加致密，密度增大；②從圖5變化斜率反映土壤厚度(密度)增大情形下入滲率的變化，DZG流域飽和入滲率～密度的趨勢線斜率為0.293 5，比YJG流域的0.059 8大，即當兩流域相同的土壤密度(深度)增加，林地覆蓋的YJG流域飽和滲透系數(shù)的減少比荒草地減少緩慢，如密度從1.0 g/cm增加至1.4 g/cm3，DZG飽和入滲率迅速從1.0×10-5m/s減少至1.0×10-6m/s，YJG流域從5.7×10-5m/s減少至1.0×10-6m/s也可以表明YJG流域因為林地恢復使得表土層變的較為疏松，飽和入滲系數(shù)加大。

圖5 兩流域部分采樣點飽和滲透系數(shù)與土壤密度關系圖Fig.5 The diagram of saturated hydraulic conductivity related with bulk density at the sampling points in the catchments of DZG and YJG

現(xiàn)場觀測一場降雨土壤水分變化，該場降雨發(fā)生于2014年8月2日-8月3日，20日18∶00-20∶00降雨量為30 mm，20日20∶00-21日1∶00降雨量為2 mm，降雨總量為41 mm、平均雨強為5.86 mm/h，前期15 d無雨，在距地表1 m范圍內(nèi)，前期土壤含水量隨著距地表距離增加而增大，降雨結束20 h后在兩流域溝谷附近觀測點土壤含水量隨深度的變化(見圖6，其中P、D點位于YJG，其他點位于DZG)。結果表明，降雨后土壤含水量在0～20 cm深度變化迅速，說明本次降雨的影響深度主要集中在表土層20 cm內(nèi)。

圖6 兩流域雨后坡面觀測點土壤含水率隨深度變化圖Fig.6 The diagram of soil moisture content in different depth of observation points after the rainfall in the two catchments

在30 m分辨率的地形圖上分析各采樣點地形坡地和地形指數(shù)[ln(a/tanβ]，其中a為觀測點附近單寬匯水面積，tanβ為該點處地形坡度。

雨后各觀測點距地表20 cm處土壤含水量與附近坡度成反比，與地形指數(shù)成正比(見圖7)，說明微地形變化對土壤含水量以及產(chǎn)流有影響。地形指數(shù)大(坡地小)的點位于低洼部分，有利于入滲水的匯集，土壤水分大、缺水量小，易于蓄滿產(chǎn)流；反之坡地大、地形指數(shù)小的地形凸處，則表土水分低、缺水量大，難以蓄滿產(chǎn)流。地形緩的地點更接近于溝谷，因此可以推斷河谷附近是主要產(chǎn)流區(qū)。

圖7 雨后各觀測點距地表20 cm處土壤含水量與附近坡度及地形指數(shù)關系圖Fig.7 The diagram of soil moisture content with slope and topographic index in the 20 cm below the surface of observation points after the rainfall

3 結 語

降雨入滲過程受土壤質地、覆被和地形等影響，由于黃土層厚度大，入滲水影響深度難以界定。本文通過在DZG及YJG兩個小流域開展植被樣方調查，利用探地雷達探測土壤異質性強的深度，利用土壤染色入滲試驗以及觀測雨后坡面濕潤峰距地表高度及坡面土壤含水量隨土壤深度的分 布情況，分析了黃土高原區(qū)不同地貌類型入滲水深度及其與覆被和地形關系。結果表明：

(1)短期間隔性降水入滲水影響范圍在100 cm范圍內(nèi)。不同深度土壤密度和飽和入滲系數(shù)測定則表明，隨著土壤深度增加、土壤變得更加致密，入滲水速率迅速減低，入滲水影響范圍主要集中在淺層0～40 cm范圍。

(2)地質雷達探測表明，黃土垂向節(jié)理、裂隙、大孔隙等形成的空間異質性信號強范圍可達20 m。位于溝谷附近黃土覆蓋層較薄，且處于地形洼地，土壤含水率高、缺水量低，入滲水易于達到基巖，由此推斷可形成飽和流。

(3)植樹造林使得YJG流域土壤變的較為疏松，有利于入滲水形成優(yōu)先流路徑，表土入滲率大，入滲深度大，具有更好的蓄水保水效益。

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[1] 王萬忠，焦菊英.黃土高原降雨侵蝕產(chǎn)沙與黃河輸沙[M].北京：科學出版社，1996.

[2] 李玉山.黃土高原森林植被對陸地水循環(huán)影響的研究[J].自然資源報，2001，16(5)：427-432.

[3] 劉海松，倪萬魁，楊泓全，等.黃土路基降雨入滲現(xiàn)場試驗[J].地球科學與環(huán)境報，2008，30(1)：60-63.

[4] 丁 勇.人工降雨模擬作用下的黃土高邊坡穩(wěn)定性研究[D].西安: 西北大學，2011.

[5] 陳寶群.陜北黃土高原土壤水環(huán)境變化與植被建設[D]. 西安:陜西師范大學，2007.

[6] 穆興民，徐學選，王文龍，等.黃土高原人工林對區(qū)域深層土壤水環(huán)境的影響[J]. 土壤學報，2003，40(2)：210-217.

[7] 沈 冰，王文焰，沈 晉.短歷時降雨強度對黃土坡地徑流形成影響的實驗研究[J].水利學報，1995，(3)：21-27.

[8] 陳洪松，邵明安.黃土區(qū)坡地土壤水分運動與轉化機理研究進展[J].水科學進展，2003，14(4)：513-520.

[9] 張書函，康紹忠，蔡煥杰，等.天然降雨條件下坡地水量轉化的動力學模式及其應[J].水利學報，1998，(4)：55-62.

[10] 王紅閃，黃明斌， 張 櫓.黃土高原植被重建對小流域水循環(huán)的影響[J].自然資源學報，2004，19(3)：344-350.

[11] 郭正堂，侯甬堅.黃土高原全新世以來自然環(huán)境變化概況[M]∥北京:中國科學院地質與地球物理研究所第十屆學術年會論文集， 2010：1-47.

[12] 王云強.黃土高原地區(qū)土壤干層的空間分布與影響因素[D].北京：中國科學院研究生院， 2010.

[13] 石 輝，王 峰，李秧秧.黃土丘陵區(qū)人工油松林地土壤大孔隙定量研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2007,15(1)：28-32.

[14] 余 凱，趙傳燕，薦圣淇，等.黃土丘陵區(qū)典型植物種群下土壤大孔隙特征及其影響因素研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2013，27(6)：67-74.