土壤饱和导水率.docx
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土壤饱和导水率
1、引言
土壤饱和导水率是土壤重要的物理性质之一，它是计算土壤剖面中水的通量和设计灌溉、排水系统工程的一个重要土壤参数，也是水文模型中的重要参数，它的准确与否严重影响模型的精度。
下文介绍了确定饱和导水率的三类方法：
按公式计算，实验室测定和田间现场测定，并对其研究现状进行分析，对同类研究有重要的参考价值。
饱和导水率由于土壤质地、容重、孔隙分布以及有机质含量等空间变量的影响空间变异强烈。
王小彬等[1]研究了容重及粒径大小对土壤持水性的影响，并对各种物料处理（或措施）的保水效果及其对土壤持水特征的影响进行了探讨。
研究结果表明，随着容重的增大，土壤的饱和导水率迅速下降；刘洪禄、杨培岭等[2]研究了波涌灌溉土壤表面密实层饱和导水率k与土壤机械组成、土壤容重、供水中断时间的定量关系。
研究结果表明，随着容重的增加，饱和导水率逐渐减小，但随着黏粒含量的增加，饱和导水率的变化率变小；吕贻忠等[3]针对鄂尔多斯沙地生物结皮进行调查，利用人工喷水模拟降雨分析结皮对土壤入渗性能的影响。
结果表明，3种土壤的饱和导水率随着土壤剖面深度的增加呈现出上土层高中间土层低、底土层又升高的趋势，扰动土与原状土的饱和导水率差异较大，达到显著水平，土壤容重、孔隙度、有机质含量、黏粒含量和全盐含量等均对土壤饱和导水率有一定的影响；Helalia认为有效孔隙率与土壤饱和导水率相关性明显。
单秀枝[4]通过测定并分析不同有机质含量的壤质土样的饱和导水率、水分特征曲线、水分扩散率及几个水分常数，研究结果表明，随着有机质含量的增加，土壤饱和导水率呈抛物线变化，当有机质含量为15g/kg时，饱和导水率达到最大值。
汪志荣、张建丰等[5]根据不同温度条件下的入渗资料，分析了活塞（GreenAmpt）公式在温度场中的适用性，认为Green-Ampt公式适用于温度场影响下的土壤水分运动；Hopmans和Duley[6]研究了土壤温度对土壤特性的影响，结论表明，随着温度的增加，土壤饱和导水率增大。
邓西民等[7]在实验室对北京壤质黏土犁底层原状土柱进行模拟冻融处理，观测冻融对其容重、孔隙度、导水率的影响。
研究结果表明，冻融处理后犁底层土壤饱和导水率提高1.4~7.7倍；Larson研究表明冻融会改变土壤结构、构造和其他物理形状，对土壤饱和导水率由增加的作用。
秦耀东等[8]对土壤中大孔隙流进行研究，并用一种简单的方法对土壤内的大孔隙和中小孔隙的饱和导水率进行分析，结果表明，造成土壤导水率较大空间变异的主要原因是土壤大孔隙分布的不均一性，一旦土样剔除大孔隙的影响，也就是在其质域范围内，土壤中小孔隙分布相对较为均一，因而其饱和导水率的变异性也就大大变小；陈风琴等研究了缙云山常绿阔叶林下土壤饱和导水率和土壤大孔隙的关系，结果表明，饱和导水率具有较大的空间变异性，变异系数达67%，其大小不仅取决于总孔隙度，更取决于能导水的大孔隙的数量和大小，饱和导水率的变化对大孔隙变化具有高度依赖性，且与半径大于0.1cm的大孔隙体积有较好的相关性。
2材料与方法
2.1研究区概况
气候特征：
邵阳市位于湖南省西南部，为半山半丘陵区，属中亚热带季风湿润气候，光照充足，水雨丰沛，四季分明，气候温和，夏少酷热，冬少严寒。
受地貌多样、高差悬殊影响，气候既有东、西部的地域差异，又有山地与丘平区的垂直差异，形成一定的小气候环境和立体气候效应。
境内年平均气温16.1~17.1C，无霜期272~304天，日照1347.3~1615.3小时，降水量1218.5~1473.5毫米；雨水大多集中在4~6月，易遇夏秋连旱。
地貌地势：
邵阳市属江南丘陵大地形区。
地形地势的基本特点是：
地形类型多样，山地、丘陵、岗地、平地、平原各类地貌兼有，以丘陵、山地为主，山地和丘陵约占全市面积的三分之二，大体是“七分山地两分田，一分水、路和庄园，东南、西南、西北三面环山，南岭山脉最西端之越城岭绵亘南境，雪峰山脉耸峙西、北，中、东部为衡邵丘陵盆地，顺势向中、东部倾斜，呈向东北敞口的筲箕形。
邵阳市为江南丘陵向云贵高原的过渡地带，西部雪峰山脉、系云贵高原的东缘，东、中部为衡邵丘陵盆地的西域。
市境北、西、南面高山环绕，中、东部丘陵起伏，平原镶嵌其中，呈由西南向东北倾斜的盆地地貌。
邵阳境内系江南丘陵向云贵高原过渡地带，南岭山脉绵亘南境，雪峰山脉耸峙西、北，横邵丘陵盆地展布中、东部。
整个地势西南高而东北低，顺势向中、东部倾斜，呈东北向敞口的筲箕形。
最高峰为城步苗族自治县东部二宝顶，海拔2021米；最低处是邵东县崇山铺乡珍龙村测水岸边，海拔仅125米，地势比降为10.25%。
境内溪河密布，有5公里以上的大小河流595条，分属资江、沅江、湘江与西江四大水系。
资江干流两源透巡，支派纵横，自西南向东北呈“Y”字型流贯全境，流域面积遍及市辖9县3区。
巫水源出城步，横贯绥宁，西入沅江，为境内西南部的主要水道。
生物资源：
邵阳位于南岭山脉、雪峰山脉与云贵高原余脉三大植物区系交会地带，是湖南四大林区之一。
1990年，全市林地面积为1588.89万亩，活立木总蓄积量达2843万立方米，森林覆盖率为42.7%。
其中绥宁县活立木蓄积量1050万立方米，人均32.94立方米，森林覆盖率为67.7%，均居全省各县之首，有“神奇的绿洲”之誉。
植物种类繁多，珍稀树种丰富。
邵阳市植物种类多达2826种，分属245科，792属，其中被子植物105科372属1659种，裸子植物8科33属67种，自然分布和引进栽培的木本植物115科409属1726种，用材林树种210种，以杉木、马尾松和阔叶用材林为大宗。
经济林树种432种，楠竹、油茶、油桐、漆树、板栗、乌桕、白蜡树、山苍子树等成片分布。
2.2材料方法
本次试验共在邵阳市七里坪邵阳学院周边典型坡地（50m×360m）范围进行网格（10m×10m）取样,共布设8个采样点，每个采样点采集两个土壤样本。
采样点的基本情况如下:
一号点：
经纬度27°11.494N，111°26.749E；高程为350m±4m
该坡坡向为NE60°；环刀编号1、2；土地类型：
林地一号点表层为枯枝落叶层，半分解腐殖质层，腐殖质层厚度为2cm，采样深度为0—10cm，10cm以下为半风化母质层。
采样时间为：
2012年4月1日15：
00。
二号点：
经纬度27°11.438N，111°26.687E；高程330±3m该坡坡向为SE150°；环刀编号3、4；该处土壤较疏松，为半阳坡，表层为枯枝落叶层，半分解腐殖质层，腐殖质厚约1cm，土壤粗骨性强，采样为半腐殖质层；采样时间为：
2012年4月1日15：
18。
三号点：
经纬度27°11.409N，111°26.652E；高程310±3m；坡向为SW210°环刀编号5、6；土壤类型为红壤，半腐殖质层厚度为1cm，采样深度为0—8cm，采的是淋溶层植物根系较多，石头也较多，粗骨性较强。
采样时间2012年4月1日15：
40。
四号点：
经纬度27°11.398N，111°26.578E；高程290±3m；环刀编号7、8；植被类型为菜地，采的是菜地耕作土，该点位于坡底，三面环山，出口处走向为正南180°，距上瑞高速120m，表层0—4cm根系较多，土质疏松，采样深度为7—13cm。
采样时间为2012年4月1日16：
00。
五号点：
经纬度27°11.220N，111°26.620E；高程270±3m；坡向为正北；环刀编号9、10；植被类型为桔林，土壤中植物根系较多，土壤较疏松，比菜地紧，表层为苔藓，没有枯枝落叶层，半分解腐殖质层为1cm，采样深度为4—9cm，土壤粗骨性不明显，无石头，根系较多。
采样时间2012年4月1日16：
25。
六号点：
经纬度27°13.219N，111°25.408E；高程230±4m；环刀编号11、12；白田洲中部偏东，植被类型为灌丛，顶级演替植物为构树，下层为蒿草，腐殖质层厚度为2cm，并有蜗牛，千足虫，蚂蚁，根系较少，采样深度分别为0—10cm，10cm—20cm；第一个样（环刀11号）4—10cm土壤黏性较大。
第二个样（环刀12号）15—20cm表层与下层无区别，20cm内质地均一，没有挖到沙粒石层。
采样时间2012年4月3日15：
50。
七号点：
经纬度27°13.232N，111°25.409E；高程210±3m；环刀编号13、14与上点直线距离大概20m，白田洲河漫滩草地，植被类型为杂草，表层为腐殖质层，下层有蚯蚓，土狗，土壤湿润，30cm以上为黏土，以下为细砂，土壤较潮湿；环刀13采样深度4—10cm环刀14采样深度14—20cm；采样时间2012年4月3日16：
00。
八号点：
经纬度327°10.713N，111°25.92E；高程250±4m；土地类型为稻田表层秸秆较多，下层土壤中根系较多，有蜗牛，蚯蚓，昆虫，腐殖质较厚，20cm以上为次表层，以下为泥底层，采样深度分别为0—10cm，10—20cm，20—30cm；环刀15、16采样深度2—8cm；采样时间2012年4月5日16:
00。
2.3室内分析
对上述8个采样点，每个采样点采集两个土壤样本。
用烘干法测定表层0～30cm土壤含水量。
每个采样点用环刀采原状土（为了减少表层枯枝落叶等杂物的影响,采样在表层5cm以下）,重复2次,带回室内用定水头法测定土壤饱和导水率。
采样区山体走向为东西方向,整个坡面除距坡顶110m处较陡外,其他坡度为20°左右,坡上位110m内为退耕20a的苜蓿地,坡中位是退耕5a的杏树林地,坡下位为农田和少量杏树。
因采样前农田谷物已收割,退耕杏树林地种植较为稀疏,苜蓿地退耕年限较长,苜蓿的生产力很低,因而土壤表层含水状况均不考虑植被影响。
在采样期间,所处区域20d内无降雨记录,因而土壤含水量较低。
实验样本采集完毕后我们将其带回邵阳学院城市建设系土壤实验室进行进一步的分析。
首先在选定的实验地上，用环刀采取原状土，将垫有滤纸的低筛网盖好，并将环刀浸入事先准备装有水的容器中，注意水面不要超过换刀。
然后统一饱和12个小时。
其次在预定时间（12小时）将换刀取出，置于事先准备好的支架上，与此同时准备马氏瓶4-5个，根据实验要求在马氏瓶中装一定量的纯净水，并在马氏瓶出水口套好橡皮管。
将橡皮管一头放入换刀中并通入纯净水。
待重力水滴完后在环刀下部装上漏斗，漏斗下接一烧杯，待稳渗后并记录环刀水头高度。
待漏斗下面滴下滴一滴水时开始用秒表计时，每隔5秒更换漏斗下的烧杯（间隔时间短的，视渗漏快慢而定）并分别用事先准备好的量筒计算对应时间的渗出水量，并用温度计记录水温。
土壤饱和导水率系数在单位水压梯度下，通过垂直于水流方向的单位土壤截面积的水流速度，又称土壤渗透系数。
在饱和水分的土壤中根据达西（H.Darcy）定律得出土壤饱和导水率公式为：
式
（1）中：
K—饱和导水率（渗透系数），cm/s；
Q—流量，渗透过的一定截面积S（
）的水量，ml；
L—饱和土层厚度，渗透经过的距离，cm；
S—渗透管的横截面积，
；
t—渗透过水量Q时所需要的时间，S；
h—水层厚度，水头（水位差），cm。
饱和导水率（渗透系数）与土壤孔隙数量、土壤质地、结构、盐分含量、含水量、和温度等有关。
饱和导水率（渗透系数）K的量纲为cm/s或mm/min或cm/h或m/d。
在本次试验当中其中L（饱和土层厚度，渗透经过的距离，cm）取值为5cm；S（渗透管的横截面积，
）取值为20
；本次试验的土样分析与测定均是在邵阳学院城市建设系土壤实验室完成。
3结果与分析
3.1时间间隔和质量差的测定
将实验样本带回邵阳学院城市建设系土壤实验室，采用渗桶法测得质量差数据如下表：
表1-1时间差与质量差测量数据
1
2
3
4
时间间隔（min）
质量差（g）
时间间隔（min）
质量差（g
时间间隔（min）
质量差（g）
时间间隔（min）
质量差（g）
10
2.09
5
11.21
5
19.86
5
79.79
10
1.95
5
10.98
5
20.17
5
79.39
10
2.07
5
10.76
5
20.01
5
79.68
10
1.99
5
10.9
5
19.45
5
79.72
10
2.07
5
10.45
5
19.52
5
80.27
10
2.09
5
10.53
5
19.93
5
80.59
10
1.98
5
10.28
5
19.67
5
80.85
10
1.97
5
10.27
5
19.90
5
81.2
10
1.88
5
10.22
5
19.44
5
81.81
10
1.89
5
10.33
5
19.41
5
82.25
10
1.82
5
10.34
5
19.40
5
80.88
表1-2时间差与质量差测量数据
5
6
7
8
时间间隔（min）
质量差（g）
时间间隔（min）
质量差（g）
时间间隔（min）
质量差（g）
时间间隔（min）
质量差（g）
5
47.09
5
4.33
5
80.80
5
62.77
5
47.21
5
4.25
5
74.22
5
62.25
5
46.97
5
4.33
5
75.02
5
61.03
5
47.08
5
4.17
5
78.87
5
66.22
5
47.10
5
4.27
5
77.88
5
65.79
5
46.97
5
4.32
5
77.79
5
66.45
5
46.99
5
4.27
5
78.01
5
65.70
5
45.88
5
4.33
5
78.11
5
65.48
5
47.88
5
4.34
5
78.09
5
65.52
5
46.99
5
4.36
5
78.08
5
65.33
5
46.98
5
4.34
5
78.07
5
64.55
表1-3时间差与质量差测量数据
9
10
11
12
时间间隔（min）
质量差（g）
时间间隔（min）
质量差（g）
时间间隔（min）
质量差（g）
时间间隔（min）
质量差（g）
5
187.55
5
132.16
5
2.97
5
4.15
5
185.4
5
128.58
5
2.98
5
4.12
5
183.59
5
126.36
5
3.05
5
4.02
5
182.66
5
124.16
5
2.95
5
3.79
5
181.23
5
122.19
5
2.86
5
3.74
5
180.3
5
143.57
5
3.03
5
3.71
5
180.11
5
145.55
5
3.19
5
3.5
5
180.13
5
143.44
5
3.2
5
3.5
5
180.09
5
145.88
5
3.17
5
3.48
5
181.01
5
146.45
5
3.19
5
4.15
5
180.98
5
146.13
5
3.18
5
4.12
表1-4时间质量差与质量差测量数据
13
14
15
16
时间间隔（min）
质量差（g）
时间间隔（min）
质量差（g）
时间间隔（min）
质量差（g）
时间间隔（min）
质量差（g）
10
1.57
5
20.24
5
32.51
5
47.12
10
1.55
5
20.02
5
31.34
5
45.69
10
1.53
5
19.46
5
30.59
5
44.49
10
1.53
5
18.46
5
30.45
5
43.17
10
1.55
5
18.5
5
28.4
5
42.42
10
1.55
5
18.26
5
28.18
5
41.41
10
1.33
5
17.96
5
27.94
5
40.58
10
1.35
5
18.05
5
27.55
5
39.45
10
1.34
5
17.61
5
27.48
5
38.75
10
1.4
5
17.52
5
27.14
5
37.95
10
1.39
5
17.72
5
27.02
5
37.21
注：
其中1号土壤样本和13号土壤样本因其土质较黏着，里面粘土较多，因此测量时间采取10分钟每次。
其他土样统一5分钟每次。
3.2土壤容重和饱和导水率的计算
通过采用渗桶法测得八个点共十三个样本数据后进行整合得出质量差如表1-1到1-4所示。
质量差数据测定完毕后，将环刀取下，放入烘箱中105℃烘干8个小时，等土壤冷却至室温后，将样本过秤测得1-13号样本的土壤容重。
为保证实验的精确性，在饱和导水率的计算过程中要使用达到稳定的数据进行计算（单位时间内渗出水量相等为止），所以在表1-1到表1-4中要选择相对稳定的数据进行土壤饱和导水率的计算。
其中1号样本测得数据相对稳定，因此全部采用并带入公式
（1）计算出饱和导水率；2号样本采取的数据为11.21-10.28之间的数据；3号样本采取的数据为19.86-19.67之间的数据；4号样本采取的数据为79.79-80.85之间的数据；5号样本数据基本稳定，所以全部采用；6号样本数据基本稳定，因此全部采用；7号样本数据基本稳定，因此全部采用；8号样本采取的数据为66.22-65.33之间的数据；9号样本采用的是数据为187.55-180.30之间的数据；10号样本采用的数据为132.16-122.19之间的数据；11号样本所有数据基本稳定，因此全部采用；12号样本采用的数据为4.15-3.48之间的数据；13号样本所有数据基本稳定，因此全部采用；14号样本采用的数据为18.46-17.72之间的数据；15号样本采用数据为28.40-27.02之间的数据；16号样本数据基本稳定，因此全部采用。
数据采集完毕后将稳定数据带入公式
（1）中进行土壤饱和导水率的计算，算得数据如下表：
表2各样本土壤容重和土壤饱和导水率计算表
样点
编号
高程（m）
土壤容重（g/cm3）
土壤饱和导水率（cm/s）
一号点
1
350m
1.3662
0.2542
2
1.4141
0.5961
二号点
3
330m
1.2221
0.5851
4
1.2309
2.9374
三号点
5
310m
1.3489
1.6793
6
1.4024
0.1642
四号点
7
290m
1.0778
3.2881
8
1.0778
3.2891
五号点
9
270m
1.0837
7.0561
10
1.1195
3.9590
六号点
11
230m
1.2359
0.1250
12
1.2008
0.0001
七号点
13
210m
1.0462
0.0292
14
0.9783
0.7504
八号点
15
250m
0.8788
0.9223
16
0.8875
0.3674
测得样本土壤饱和导水率后，将一号点到八号点中包含样本的容重和土壤饱和导水率求平均值获得一号点到八号点土壤容重和土壤饱和导水率，如下表：
表3土壤容重和土壤饱和导水率
高程（m）
土壤容重（g/cm3）
土壤饱和导水（cm/s）
一号点
350m
1.3901
0.4252
二号点
330m
1.2265
1.7612
三号点
310m
1.3757
0.9218
四号点
290m
1.0778
3.2885
五号点
270m
1.1016
5.5076
六号点
230m
1.2184
0.0626
七号点
210m
1.0123
0.3898
八号点
250m
0.8832
0.6440
3.3相关性分析
测得以上数据后我们对一至八号点的高程与土壤饱和导水率和土壤容重与饱和导水率进行一次相关系数的比较分析。
首先进行一至八号点高程与土壤饱和导水率相关性分析，如表4-1和图1：
表4-1高程和土壤饱和导水率记录表
高程（m）
土壤饱和导水率（cm/s）
350
0.4252
330
1.7612
310
0.9218
290
3.2885
270
5.5076
230
0.0626
210
0.3898
250
0.6449
图1高程和土壤饱和导水率对比分析曲线图
由表1-4和图1的对比分析中我们看出低山林地不同海拔高度表层土壤
高程与土壤饱和导水率的相关关系较为明显。
其关系式为：
注：
关系式中x为高程，y为低山林地不同海拔高度表层土壤饱和导水率；
计算得出：
R2=0.9395；由此可以看出高程与低山林地不同海拔高度表层土壤饱和导水率成明显的线性正相关关系。
同时我们也对一至八号点的土壤容重和土壤饱和导水率进行了相关系数的分析，具体内容如表4-2和图2：
表4-2土壤容重和饱和导水率
土壤容重（g/cm3）
土壤饱和导水率（cm/s）
1.3902
0.4252
1.2265
1.7612
1.3757
0.9218
1.0778
3.2885
1.1016
5.5076
1.2184
0.0626
1.0123
0.3898
0.8832
0.6449
图2土壤容重和饱和导水率对比分析曲线图
由表4-2和图2的相关性对比分析我们可以看出土壤容重与低山林地表层土壤饱和导水率无明显的线性相关性。
其关系式为:
计算得出;R2=0.2792;式中x为土壤容重，y为低山林地不同海拔高度表层土壤饱和导水率。
4结论与讨论：
我们对邵阳市邵阳学院七里坪校区附近的低山林地不同还把高度表层土壤饱和导水率进行测定。
期间在邵阳市七里坪邵阳学院周边典型坡地（50m×360m）范围进行网格（10m×10m）取样,共布设8个采样点，每个采样点采集两个土壤样本，带回邵阳学院城市建设系土壤实验室进行饱和导水率的测定分析。
本次试验我们通过渗透筒法，测量了邵阳学院七里坪校区附近低山林地不同海拔高度表层土壤饱和导水率，结果表明低山林地不同海拔高度表层土壤饱和导水率的变化范围为0.06255-5.5075815cm/s,其中海拔高度为270m的五号点植被类型为桔林，土壤中植物根系较多，粗骨性不明显，所含石头等颗粒较少，土质较疏松
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