土壤斥水性(Soil Water Ｒepellency，SWＲ)是指水分不能或很難濕潤(rùn)土壤顆粒表面的物理現(xiàn)象，在世界各地都有廣泛分布。火災(zāi)后的森林土壤易產(chǎn)生斥水性，斥水性的存在改變了土壤水分的三維分布和動(dòng)力學(xué)特性導(dǎo)致土壤水分的不均勻分布; SWＲ 不僅直接影響土壤的潤(rùn)濕能力，而且對(duì)其他生態(tài)水文過程產(chǎn)生重要影響，包括抑制水分入滲 、促進(jìn)地表徑流和侵蝕 、通過影響優(yōu)先流 加速化肥流失、誘發(fā)泥石流等自然災(zāi)害。
SWＲ 對(duì)土壤水分入滲及產(chǎn)匯流水文過程有著顯著影響，目前國(guó)內(nèi)外水文模型在土壤水分入滲模塊仍采用傳統(tǒng)水分入滲模型或者線性化處理 ，Ｒye 和 Smettem認(rèn)為只有將 SWＲ 作為納入模型，才能對(duì)水文過程做出正確評(píng)估，斥水性土壤水分入滲過程研究成為水文模型亟待解決的問題。
Doerr 等研究表明 SWＲ 可導(dǎo)致土壤入滲率下降 10%～40%，Keizer 等認(rèn)為這種降低入滲率的效應(yīng)實(shí)際上是通過減小土壤基質(zhì)勢(shì)梯度來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)接觸角相同時(shí)，基質(zhì)吸力隨著液橋體積的增大呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)液橋體積增加到一定程度時(shí)，基質(zhì)吸力小于 0 時(shí)土體顆粒開始產(chǎn)生斥水作用; Debano 對(duì)斥水性與親水性土壤的入滲試驗(yàn)表明，斥水土壤的水平入滲比親水土壤慢 25 倍; Ｒye 和 Smettem ［7］ 研究表
明入滲水流很大一部分以優(yōu)先流的形式沿著指狀路徑推進(jìn)。
由于斥水性的不穩(wěn)定性，水分入滲過程較為復(fù)雜。目前對(duì)于斥水性水分入滲過程的認(rèn)識(shí)仍局限于斥水性會(huì)降低土壤入滲率，而事實(shí)上隨著水分入滲的持續(xù)，入滲率并非單調(diào)減小。Doerr 等研究表明斥水性土壤在整個(gè)降雨過程中，入滲率在經(jīng)歷 “先降低后增加”，再降到最低值并保持穩(wěn)定; 巨娟麗等觀測(cè)到強(qiáng)斥水性砂土累積入滲量出現(xiàn) “翹尾”現(xiàn)象; Filipovic＇ 等 采用 HYDＲUS (2D/3D)軟件對(duì)干旱條件下斥水性土壤水力性能數(shù)值反演，發(fā)現(xiàn)斥水性土壤累積入滲量為非光滑、階梯狀增長(zhǎng)趨勢(shì)，入滲率則為先減小后增大的變化趨勢(shì)。以往研究大多忽略入滲率增大現(xiàn)象，將水分入滲概化為單調(diào)減小的變化過程，仍采用傳統(tǒng) Green-Ampt、Philip、Kostiakov、Horton 等入滲模型對(duì)入滲過程進(jìn)行模擬，傳統(tǒng)模型不能真實(shí)地反映斥水性入滲率先增大后減小這一變化過程，模型物理意義不明確、擬合精度較差 。為此，本文以斥水性土壤為研究對(duì)象，開展斥水性土壤水分入滲機(jī)理研究，并采用 Kostiakov 分段函數(shù)、Fourier 級(jí)數(shù)、一階 Gaussian 函數(shù)以及 Gaussian 分段函數(shù) 4 種數(shù)學(xué)模型對(duì)斥水性土壤水分入滲率進(jìn)行擬合，以期為斥水性土壤水分入滲及水文過程機(jī)理研究提供新的數(shù)學(xué)方法和理論。
1 材料與方法
1. 1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)土樣分為兩種: 媯水河流域平原區(qū)未受人類活動(dòng)干擾的表層以下 1 m 的親水性土壤和山區(qū)表層腐殖質(zhì)含量較高的斥水性土壤，見圖 1。試驗(yàn)土樣經(jīng)風(fēng)干、碾壓后過 2 mm 篩，親水性土壤按照 1. 35 g/cm 3 容重、斥水性土壤按照 0. 9 g/cm 3 容重均勻裝入 3 個(gè)直徑 15 cm，高 100 cm 的圓柱形有機(jī)玻璃土柱，試驗(yàn)分兩次，每次 3 個(gè)土柱，總計(jì) 6 組試驗(yàn)。為了減少土壤空氣阻力對(duì)水分入滲過程的影響，土柱一側(cè)每間隔 5 cm 開有直徑 1 cm 的小孔用于排氣。親水性土壤初始含水率分別為 θ =4%、8%和 12%; 斥水性土壤初始含水率分別為 θ =4. 7%、6. 2%和 9. 5%。土壤有機(jī)質(zhì)含量(OC)采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測(cè)量; pH 值采用 MIK-pH6. 0測(cè)量; 土壤干容重(SBD)采用環(huán)刀原地取土，然后烘箱加熱測(cè)量; 飽和水力傳導(dǎo)度 K s 采用 TST-55 型滲透儀測(cè)量; 土壤斥水時(shí)間采用滴水穿透法(Water Drip Penetration Time，WDPT)測(cè)量。試驗(yàn)土壤顆粒組成及理化。
1. 2 測(cè)量設(shè)備
測(cè)量設(shè)備為自主研發(fā)的非飽和土壤水分入滲測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由馬氏瓶、有機(jī)玻璃土柱、升降機(jī)、MEACON 輪輻式重力傳感器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)采集-傳輸系統(tǒng)(ＲX9600 無紙記錄儀)、MIK-BSQD 信號(hào)放大器以及電腦等設(shè)備組成。無紙記錄可根據(jù)試驗(yàn)需求設(shè)定不同采樣時(shí)間步長(zhǎng)(1 s、2 s、5 s、10 s、20 s、30 s)，該測(cè)試系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定的入滲時(shí)間自動(dòng)開啟和關(guān)閉馬氏瓶進(jìn)氣閥門，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)入滲過程的自動(dòng)控制，具有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄、傳輸、實(shí)時(shí)查看、時(shí)間分辨率高、測(cè)量精度高的特點(diǎn)。供水裝置采用高 50 cm、直徑10 cm 的圓柱形馬氏瓶，控制入滲水頭 1 cm。
1. 3 水分入滲模型
對(duì)于親水性土壤，常用水分入滲模型有 Holton、Philip 和 Kostiakov 入滲模型，Kostiakov 為概念性模型，Philip 和 Kostiakov 模型沒有明確的物理基礎(chǔ)，Holton 模型則具有明確的物理意義。
2 結(jié)果與分析
累積入滲量、入滲率與時(shí)間關(guān)系。
親水性、斥水性土壤累積入滲量與時(shí)間關(guān)系，入滲率與時(shí)間關(guān)系，無論是親水性土壤還是斥水性土壤，均表現(xiàn)出土壤初始含水率越大，相同入滲時(shí)間累積入滲量也越大; 2 種土壤整體上均呈現(xiàn)土壤初始含水率越大，相同入滲時(shí)間累積入滲量也越大。
3 結(jié) 論
(1) 斥水性土壤水分入滲一段時(shí)間累積入滲量出現(xiàn)拐點(diǎn)，忽略開始快速入滲階段，入滲率整體呈單峰曲線，峰值后穩(wěn)定時(shí)的入滲率大于峰值前穩(wěn)定時(shí)的入滲率。
(2) Kostiakov 分段函數(shù)模型能夠?qū)λ謴拈_始入滲至出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)刻的入滲率進(jìn)行描述，但難以反映拐點(diǎn)前入滲率的增大過程; Fourier 級(jí)數(shù)模型整體能反映入滲率先增大后減小的變化趨勢(shì)，但是存在多個(gè)波峰，不能反映入滲率在拐點(diǎn)前單增和拐點(diǎn)后單減變化過程; 一階 Gaussian 函數(shù)模型也能夠體現(xiàn)入滲率呈先增大后減小的變化規(guī)律，但不能體現(xiàn)拐點(diǎn)后大于拐點(diǎn)前入滲率的試驗(yàn)現(xiàn)象; Gaussian 分段函數(shù)模型不僅能夠反映入滲率在拐點(diǎn)前的單調(diào)增以及拐點(diǎn)后的單調(diào)減過程，同時(shí)也能夠體現(xiàn)入滲率在拐點(diǎn)后大于拐點(diǎn)前的試驗(yàn)現(xiàn)象。
(3) 對(duì)于斥水性土壤水分入滲過程，高斯函數(shù)參數(shù) k + ω 表征拐點(diǎn)處入滲率，ω 表征拐點(diǎn)后穩(wěn)定時(shí)的入滲率，φ 表征拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間，而參數(shù) δ 近似為單峰曲線寬度的 1/3，Gaussian 具有一定的物理意義，Gaussian 分段函數(shù)具有較好的模擬精度。
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