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'单位代码10635学号112015320001440硕士学位论文岩石碎屑对紫色土水力学特性的影响论文作者：冉卓灵指导教师：魏朝富学科专业：土壤学研究方向：土壤物理提交论文日期：2018年4月10日论文答辩日期：2018年5月28日学位授予单位：西南大学中国重庆2018年5月 ＼独创性声明４学位论文题目：岩石砗屑对紫色土水力学特性的影响本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，文中己加了。论文中引用他人己经发表或出版过的研究成果特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。签字曰期丨＆年学位论文作者：义月丨曰：冉旱虱＾？学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规，定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研宄生院（筹）可以将学位论文Ｓ、的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。ｆ，（书：ｄ保密的学位论文在解密后适用本授权，本论文不保密，□保密期限至年月止）。ｎ？？学位论文作者签名：冉辱导师签名權＾偷冬签字日期：挪年６月１？日签字日期＾＾月少 AMasterdissertationsubmittedtotheGraduateSchoolofSouthwestUniversityEffectofRockFragmentsonHydraulicCharacteristicsofPurpleSoilCandidate:RanZhuolingSupervisor:WeiChaofuDiscipline:SoilPhysicsChongqing,ChinaApril,2018 课题资助本论文受国家科技支撑计划课题：“中低产田改造及其地力提升关键技术（2012BAD05B06）”资助 目录摘要.............................................................................................................................................IAbstract......................................................................................................................................III第1章文献综述........................................................................................................................11.1土壤水分特征曲线...........................................................................................................11.2土壤水分水平扩散...........................................................................................................21.3土壤水分垂直入渗...........................................................................................................31.4紫色粘土岩及其发育土壤的特征....................................................................................41.5岩石碎屑对土壤水力学过程的影响................................................................................41.6小结....................................................................................................................................5第2章绪论................................................................................................................................72.1选题背景及意义................................................................................................................72.2研究目的............................................................................................................................72.3研究内容............................................................................................................................72.4技术路线............................................................................................................................82.5材料与方法........................................................................................................................82.5.1研究区概况................................................................................................................82.5.2样品采集....................................................................................................................92.5.3样品处理与分析......................................................................................................10第3章岩石碎屑对土壤水分特征曲线的影响......................................................................153.1模拟土的水分特征常数..................................................................................................153.2模拟土水分特征曲线......................................................................................................173.3小结..................................................................................................................................24第4章岩石碎屑对土壤水分水平扩散的影响......................................................................254.1模拟土扩散的湿润峰前进情况......................................................................................25f()4.2模拟土的关系曲线........................................................................................354.3模拟土的扩散速率(D)....................................................................................................404.4小结..................................................................................................................................42第5章岩石碎屑对土壤水分垂直渗透的影响......................................................................455.1飞仙关组模拟土垂直入渗情况......................................................................................45 5.2遂宁组模拟土垂直入渗情况.........................................................................................495.3小结.................................................................................................................................54第6章结论与展望..................................................................................................................556.1主要结论.........................................................................................................................556.2展望.................................................................................................................................56参考文献...................................................................................................................................57致谢.........................................................................................................................................63发表论文及参与课题................................................................................................................65 摘要岩石碎屑对紫色土水力学特性的影响摘要紫色土是亚热带地区由富含碳酸钙的紫红色砂岩和页岩发育而来的初育土，广泛分布于四川盆地，由于其发育时间短暂，土壤中着分布大量的岩石碎屑，岩石碎屑作为直接从母岩上剥离的部分，完美继承了母岩的特性。岩石碎屑的存在，对土壤的结构、质地、水分特征等有着非常重要的影响。现有的研究中关于岩石碎屑对土壤水力学过程作用机制的研究较少。因此，本研究以三叠系飞仙关组紫色页岩与侏罗系遂宁组紫色泥岩及其发育而来的土壤为研究对象，室内制作0.25-2mm、2-5mm、5-10mm粒径岩屑及配置0%、30%、50%、70%、100%比例的模拟土，采用压力膜仪法、水平土柱扩散法、环刀垂直入渗法测定其水力学特性，通过对比分析模拟土的水分特征曲线、水分水平扩散性与垂直入渗性能，探讨岩石碎屑对紫色粘土岩发育土壤的水力学特征的作用机制。主要研究结果如下：（1）岩屑能够降低土壤的持水能力对于紫色泥岩和紫色页岩模拟土，其饱和含水量、田间持水量及吸湿系数均随着岩屑含量的增加而降低。从土壤水分特征曲线可以得出，对于同一粒径岩屑，随着岩屑含量的增加，整个脱水过程均存在岩屑含量越高，在相同土壤吸力下的含水量就越小且对于岩屑粒径的增大，在相同土壤吸力下的含水量也出现减小的趋势。因此，紫色粘土岩发育的土壤中，岩屑能够显著降低土壤的持水能力。（2）岩屑能提高土壤的扩散性不同岩屑含量模拟土的非饱和扩散湿润峰前进的速率随着时间的增加逐渐减缓。对于飞仙关组模拟土和遂宁组模拟土，当岩屑含量为0.25-2mm时，随着岩屑含量的增大，扩散率也呈现增大趋势；当岩石碎屑为2-5mm和5-10mm时，模拟土的含水量明显小于0.25-2mm岩石碎屑模拟土。同时随着岩屑比例的增加，对于飞仙关组5-10mm岩石碎屑模拟土出现扩散率逐渐增大的趋势，而对于2-5mm岩石碎屑模拟土而言，扩散率随着含水率增加出现70%>30%>50%>0%的关系；但是对于遂宁组模拟土而言，当岩石碎屑为2-5mm和5-10mm时，70%岩屑比例模拟土扩散率明显大于其余三个比例模拟土，而对于岩屑比例为30%和50%模拟土的扩散率变化曲线则没有明显的大于或者小于的趋势。因此，紫色粘土岩发育的土壤中，岩屑含量的增加能够显著提高土壤非饱和扩散率。（3）岩屑能提高土壤的入渗性能不同岩屑含量和粒径模拟土渗透水量速率随着时间的增加出现先上下波动随后逐渐稳定的现象。同时，随着岩石碎屑粒径的增大和比例的增多，其渗透速率呈现增大的趋势。因此，紫色粘土岩发育的土壤中，岩石碎屑的存在能显著提高土壤水分入渗性能，同时入渗速率与岩I 西南大学硕士学位论文石碎屑含量和粒径呈现正相关关系。（4）母岩性质影响了紫色泥岩与紫色页岩土壤的水力学特性紫色粘土岩均容易风化成土，但由于母岩沉积类型的不同，其风化速率与成土速率上遂宁组紫色泥岩均要显著高于飞仙关组紫色页岩。总体而言，遂宁组紫色泥岩相较于飞仙关紫色页岩，其孔隙面积占比较大，在基础理化特性上，紫色页岩的粘粒较紫色泥岩要高，紫色页岩岩石碎屑较紫色泥岩岩屑质地更加坚硬。正是由于上述诸多基础特性的差异，就决定紫色页岩土壤与紫色泥岩土壤之间的水力学行为特性有着明显的不同，主要表现为：在相同的岩屑粒径和含量下，紫色页岩土壤较紫色泥岩土壤，其持水能力更强，扩散性与渗透性较差。紫色粘土岩发育土壤中的岩石碎屑能够降低土壤的持水能力，提高土壤的扩散性与渗透性能，且与岩石碎屑的含量和粒径变化关系显著。同时，母岩特性决定了紫色页岩土壤持水能力较泥岩土壤要强，而扩散性与渗透性能要弱。本文研究结果可为紫色粘土岩土壤区土壤水管理与水土保持等工作提供数据支撑，可促进该区域耕地资源的可持续发展。关键词：紫色粘土岩岩石碎屑土壤水力学特性II 摘要EffectofRockFragmentsonHydraulicCharacteristicsofPurpleSoilAbstractPurplesoilisaprimaryfertilesoildevelopedfromthepurpleredsandstoneandshalewhichisrichincalciumcarbonateinthesubtropicalregion.ItiswidelydistributedintheSichuanbasin.Becauseofitsshortdevelopmenttime,alargenumberofrockfragmentsaredistributedinthesoil,andtherockfragments,asapartoftheparentrock,inheritthecharacteristicsoftheparentrockperfectly.Theexistenceofrockfragmentshasaveryimportantinfluenceonthesoilcharacteristics,e.g.thestructure,texture,moisturecharacteristics,waterconductivityandsoilstrengthandsoon.However,therearefewstudiesonhydrauliccharacteristicsprocessesandinfluencedbyrockfragmentsofpurplesoil.Therefore,thisstudytookpurpleparentrockandsoilofFeixianguanTriassicSeriesandSuiningJurassicSeriesaspioncut,byproportioned0.25-2mm,2-5mm,5-10mmrockfragmentsfrom0%,30%,50%,70%,100%simulatesoil,throughthecomparativeanalysisofsimulatesoilmoisturecharacteristiccurve,moisturediffusionandinfiltration,hydrauliccharacteristicsofpurpleclayrockwithsoil.Themainresultsareasfollows:(1)Therockfragmentscanreducethemoistureholdingcapacityofsoils.Thesaturationcapacity,fieldcapacityandhygroscopiccoefficientdecreasedwiththeincreasingcontentofrockfragments,regardlessofpurpleshalesimulatedsoilorpurplemudstonesimulatedsoil.Forwatercharacteristiccurve,withtheincreasingofthesoilsuction,thesoilmoisturecontentdecreasedgradually.Withtheincreasedsizeandcontentofrockfragment,thesmallermoisturecontent.Therefore,therockfragmentscanreducethemoistureholdingcapacityofsoils.(2)TherockfragmentscanimprovethediffusivityofsoilsTheadvancevelocityofwettingfrontslowsdownastimeincreasedinsoilsconcludedofdifferentcontentofsoilfragmentsinunsaturateddiffusionexperiment.ForbothFeixianguansimulatesoilandSuiningsimulatedsoil,whentherockfragmentsdiameterrangedfrom0.25-2mm,withthecontentincreased,thediffusionvolocityincreased;whentherockfragmentsdiameterrangesfrom2-5mm,5-10mm,watercontentofsimulationsoilwaslessthanthatof0.25-2mmrockfragmentssoil.Atthesametime,diffusionrateriseswiththeincreasedoftherockfragmentsproportion,inFeixianguan5-10mmsimulationsoil.whilefor2-5mmrockfragmentssoil,diffusionratewiththeIII 西南大学硕士学位论文increasedofwatercontentof70%>30%>50%>0%.Meanwhile,inSuiningsimulatedsoil,whentherockfragmentswere2-5mmand5-10mm,diffusionratewassignificantlyhigherin70%rockfragmentstheproportionofthesimulatedsoilthanthatoftheotherthreeproportionofsimulatedsoilforrockfragments,theproportionof30%and50%soildiffusionsimulationratecurvewasnotobviouslychanged.Therefore,therockfragmentscanimprovethediffusivityofsoils(3)TherockfragmentscanimprovetheinfiltrationpropertyofsoilsWiththeincreasedoftime,therateofsoilinfiltrationwithdifferentcontentandsizeofrockfragmentswasfirsttofluctuatedandthengraduallystabled.Meanwhile,withtheincreasedsizeandcontentofrockfragments,theinfiltrationratewasincreased.Therefore,therockfragmentscanimprovetheinfiltrationpropertyofsoilsandtheinfiltrationratehasapositivecorrelationwiththecontentandparticlesizeofrockfragments.(4)Thecharacteristicsofparentrockdeterminethemoisturecapacityofpurpleshalerock-derivedsoilsandpurplemudstonerock-derivedsoils.Purpleclayrocksareeasilyweatheredintosoil.Butduetothedifferentsedimentarytypesofparentrock,theweatheringandformationratesofpurplemudstoneofSuiningFormationaresignificantlyhigherthanthatofpurpleshaleofFeixianguanFormation.Onmicrostructure,thepurpleshalerockofFeixianguanFormationaggregatestoformmassiveorgranularbodieswithcompactstructureandsmallporeareamainlyintheformofflakysurface-surfacecontact.ThepurplemudstoneofSuiningFormationformsmassiveorsheetpolymerwithaloosestructureandlargeproportionofporeareaintheformofflakyedge-edgeorsurface-surfacecontact.ThegrainsizeofpurplemudstoneislargerthanthatofpurpleshaleofFeixianguanFormation.Intermsofphy-chemicalproperties,thecontentofclay,organicmatterinpurpleshaleishigherthanpurplemudstone’s.Andthecontentofrockfragmentinrock’ssoilofpurpleshaleishigherthanthatofpurplemudstonewithahardertexture.Itisbecauseofthedifferencesinmanybasiccharacteristicsmentionedabovethatthereisacleardifferenceinthehydrauliccharacteristicsbetweenpurpleshaleandmuddysoils,mainlyasfollows:Underthesamerockfragmentsizeandcontent,purpleshalesoilshavethecharacteristicsofstrongerwaterholdingcapacity,poorerdiffusivityandwaterinfiltrationthantheseofpurplemudstonesoils.Tosumup,thereisalargeamountofrockfragmentswiththeformofpre-aggregatesinpurplesoilderivedfromclayrock.AndrockfragmentscanreducethemoistureholdingIV 摘要capacitywhileimprovethediffusivityandhydraulicinfiltrationofsoils.Thecharacteristicsofparentrockdeterminethatthemoistureholdingcapacityofpurpleshalearestrongerthanthatofmudstonesoil,whilethediffusivityandinfiltrationarepoorer.Theresultsofthisstudycanprovidesupportivedataforsoil-watermanagementandwaterconservationinpurpleclayrock-derivedsoilstopromotethesustainabledevelopmentofregionalcultivatedlandresources.Keywords:purpleclaysoil;rockfragments;hydraulicbehaviorsV 第1章文献综述第1章文献综述紫色土广泛分布于四川盆地，是四川盆地一种最常见的土壤，土壤中分布大量各种粒径的岩石碎屑。现有的研究关于不同粒径含量的岩石碎屑对于紫色土水力学过程作用机制研究较少。本章旨在通过紫色粘土岩模拟土水力学实验，总结出岩石碎屑对土壤水力学过程的作用机制。1.1土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线（SoilwaterCharacteristicCurve，SWCC）是土壤水分含量与土壤水吸力（基质势）的关系曲线θ（h），反映了土壤水能量与土壤含水量的函数关系，是表示土壤基本水动力学特性的重要指标[1]，在“含水量-吸力”空间中的位置和形状可以反映土壤孔隙结构特点（孔隙大小和分布规律）土壤粒径组成和持水能力。它对研究土壤水分动态、溶质运移、甚至田间水分管理具有重要意义。目前，针对土壤水分特征曲线的研究已经有了一定的进展，也取得了很多公认的成果，但在这方面的实践研究还不够深入，主要原因是测量过程中难度大、花费高、周期长、数据离散，且有很多障碍因素导致误差很大。土壤水分特征曲线的直接测定方法大致可分为田间测量和实验室测量两种方法。实验室测定方法主要有砂性漏斗法[2]、张力计法[3]、压力膜法[4]、离心机法[5]、平衡水汽压法[6]、电热传导技术法等。其试验土样既可以是原状土样，也可以是扰动土样。其中，砂性漏斗法和离心率法既可以测量脱水过程的水分特征曲线，也可以测量吸水过程的水分特征曲线。田间原位测量大都用的是张力计法，测量过程容易受到环境条件的影响及制约[2]。采用实验方法直接测定非饱和土壤水分特征曲线耗时较长、试验成本高，除此之外，一些因素在测量过程中不是一成不变的，如容重因为土壤的变形通常增大[7-9]，这使得土壤水分特征曲线直接准确测定难度增加，因此采用经验模型和间接方法来估计土水特征曲线成为学者们关注的热点。比较典型的有Brooks-Corey[10]模型、Gardner[11]模型、Campbell[12]模型、vanGenuchten[13]模型和Arya-Paris[14]模型。对于特定土壤来说，土壤容重、土壤压缩特点等物理性质和测定所需的吸力（转速）都有所不同。如果能够有一套比较成熟的、针对一定类型土壤的不同特点的测试方法，对土壤水分特征曲线的研究将会有许多便利。土壤水分特征曲线作为定量研究土壤运动的重要方法，还可以有以下应用：1、判断土壤质地状况和土壤水分在吸力段的分布状况土壤水分特征曲线的拐点可反映相应含水量下的土壤水分状态，如当吸力趋于0时，土壤接近饱和，水分状态以毛管重力水为主；吸力稍有增加，含水量急剧减少时，用负压水头表示的吸力值约相当于支持毛管水的上升高度；吸力增加而含水量减少微弱时，以土壤中的毛管悬着水为主，含水量接近于田间持水量；饱和含水量和田间持水量间的差值，可反映土壤给水度等[15]。故土壤水分特征曲线是研究土壤水分运动、调节利用土壤水、进行土壤改良等方面的最重要和最基本的工具。2、进行基质势和含水量的相互换算1 西南大学硕士学位论文根据土壤水分特征曲线可将土壤湿度换算成土壤基质势，依据基质势可判断土壤水分对作物的有效度。李开元，李玉三[16]将基质势换算成含水量，根据土壤水分特征曲线可查得田间持水量、凋萎湿度和相应的有效水范围。同时土壤水分特征曲线斜率的倒数，即单位基质势变化所引起含水量的变化，称之为比水容重，是衡量土壤水分对植物的有效性和反映土壤持水性能的一个重要重要指标。1.3可以间接反映土壤孔隙的大小、分布根据茹林公式[17]S=300/d（其中S：表示土壤吸力，单位Pa；d表示当量孔径，单位mm）结合土壤水分特征曲线观测数据，可以对土壤当量孔径进行计算，即是土壤水分特征曲线可以间接反映土壤中孔隙大小的分布。影响土壤水分特征曲线的因素很多，土壤质地[18]、类型[19]、利用方式[20]及土层深度[21]等都会对土壤水分特征曲线产生影响。其中受土壤质地影响最为明显，在相同的含水量下，质地越细，水吸力越大，保持在孔隙中的水分只是在较大吸力范围内才能缓慢释出，吸力发生较大变化仅引起较小的含水量变化，曲线愈陡；反之质地越粗，吸力就越小，施加较小吸力，大的孔隙中的水即被排出，曲线愈平缓。砂土及砂质壤土、砂质壤土、壤土、粉砂质壤土，其颗粒大小逐渐增大，土壤大孔隙数量依次减少，同一吸力下，土壤含水率依次增大。同时密度的大小对土壤水分特征曲线的影响也较明显，由于密度增大时土壤孔隙被压缩，孔隙数量减少，致其重力水含量减少，低吸力段曲线较平缓。1.2土壤水分水平扩散非饱和土壤水扩散率实际上是反映土壤水分在水平方向上的流动轨迹，即溶质沿着水流主要流动方向（流线）的扩散（弥散）情况[22]。水在非饱和土壤中运动的驱动力是士壤的基质势和重力势，并随这两种势梯度的增加而运动加快。一般情况下，土壤中非饱和水分扩散更是时刻存在的，发生在土壤中的田间水分循环的液流过程如渗流、水平和垂直的水分再分配、扩散和毛吸现象等都是典型的非饱和扩散现象。土壤水分扩散率是研究水盐运动规律与调控的重要参数之一。Bruce和Klute[23]在1956年提出了用水平入渗实验计算土壤水分扩散率。Kirkham和Powers[24]详细论述了这种方法的应用。Cassel[25]等用不同时刻的土壤含水量分布来估计土壤水分扩散率。Clothier等[26]指出Bruce和Klute的方法很难对土壤水分分布曲线求导，他们采用土壤水分分布函数导出了扩散函数，从而避免了对实验数据的求导。Warrickts[27]用土壤水分分布数据估计土壤水力函数参数，然后利用水力函数与水分扩散率的关系计算出土壤水分扩散率。邵明安[28]等使用了普遍相似理论而不是Boltzman变化来计算土壤含水量分布，然后用Brooks和Corey的扩散率函数计算土壤水分扩散率。基于非饱和土壤水分运动基本方程及质量守衡原理，魏新平[29]提出了用水平土柱测定非饱和土壤水分扩散率的“瞬时剖面法”。王全九[30]等采用Brooks和Corey的水力函数建立了土壤水分扩散率与相对含水量的幂函数模型，并用实验数据反求得此幂函数模型的参数，从而求得土壤水分扩散率。尽管估计土壤水分扩散率有许多方法，但普遍使用的仍然是Bruce2 第1章文献综述和Klute提出的方法[31-35]。同时对于非饱和扩散率的影响因素有土壤质地[36]、容重[37]、孔隙[38]、温度[39]、土壤含水率[40]等，一般来说，土壤粘粒含量越高，对水分的束缚能力越强，因而水分扩散速率越小，目前关于土壤水分水平扩散率的研究较少，主要集中在土壤类型和溶质对扩散率的影响[41-42]以及扩散率的推导计算[43-46]。1.3土壤水分垂直入渗入渗是指水分进入土壤的过程，一般是指水自土表垂直向下进入土壤的过程，但也不排除沟灌中水分沿侧向甚至向上进入土壤的过程。对于原先不饱和的土壤，在地表及时灌上浅水层，随后又总是维持这水层，开始时土壤的入渗性能起十足的作用，随着时间的增加，吸力梯度由很陡逐渐减小并接近于零，入渗率最终达到一个稳定的值（即稳定入渗率），其累计入渗量对时间的斜率逐渐减小的曲线关系，故水平土柱入渗速率最终趋于零，而垂直土柱的渗透速率会平稳到一个由重力诱致的稳定速率，即饱和导水率。水文分析中提出和应用了多种模型，这些模型可以分为经验模型和概念性模型[47]。经验模型直接由实际资料建立，主要特征是将入渗能力表示为时间的函数；概念性模型应用有孔介质水流机理的简化形式，主要特征是参数可通过物理测量水-土系统的特性而得到，根据国内外目前的研究，常用的基本模型有Horton模型、Green-Ampt模型和Philip模型等。其中Green-Ampt模型和Philip[48]模型公式都是根据较严密的入渗理论和数值推导出来的，且是在积水条件下得到的，与降雨条件下的入渗有很大区别。对于稳定降雨条件下的入渗，Smith[49]等提出了可以计算地表开始积水时间的入渗模型。另外，Mein[50]等将Green-Ampt模型应用于降雨入渗研究中，也导出了可以计算开始积水时间的函数表达式。在变雨条件下，非积水入渗与积水入渗两种状态交替发生[51]，若将天然降雨过程按照强度划分成若干段，并使各时间段内雨强相对稳定，然后用Mein-Larson方法逐时间段计算，也可以分别求取各时段的积水时间。我国范荣生和张炳勋[52]考虑了土壤特性和制备条件，用水文参数取代Mein-Larson方程中的土壤物理参数，提出了在黄土高原地区计算入渗的模型。王文焰[53]根据黄土积水入渗的水分剖面变化特征，在Green-Ampt模型上，推导出得黄土区积水入渗模型，该模型不仅可以计算累计入渗量及湿润锋，而且还可估算出土壤水分剖面分布状况；张永涛[54]对石质山地不同土壤水分入渗的研究，得出土壤的渗透能力由各立地条件的土壤理化性质决定；黄冠华[55]以水平向具有空间变异而垂直为均质的土壤非饱和流动区域中的均匀入渗问题为例，应用Montecarlo[56]随机模拟方法分析了土壤水分变量的随机统计特性及其一、二阶段的时空分布规律。目前，降雨入渗给地下水量的计算方法，国内通常采用降雨入渗系数法或统计的方法，来求得降雨量或降雨补给量与地下水位上升之间的关系，并且通过成因分析来探讨降雨补给与各因素之间的相互关系。朱岳明[57]用饱和-非饱和达西渗流理论对入渗的复杂渗流场问题用有限单元法求解，在理论上进行了深入的研究，并特别提出了降雨入渗边界条件及非饱和逸出面边界条件在渗流场求解中的正确处理方法，提出和定义了描述土体渗流特性的极限含水率及蒸逸系数的两个新概念。尽管人们对单点降雨入渗进行了较深入的分析，并提出了各种计算公式[58]，但他们3 西南大学硕士学位论文只是一种概念性模式，不能反映真实的径流形成过程。因为它没有涉及到径流运动的基本条件，也没考虑到降雨及入渗空间变异等问题，而这些正是单点降雨入渗模型的局限性。目前，土壤水分入渗研究主要集中在Green-Ampt模型的修正以及Philip和Parlanget入渗方程的求解两方面，但是在应用该模型时，关于如何测定湿润锋处的水势问题未能很好的解决。1.4紫色粘土岩及其发育土壤的特征紫色土是我国一类特殊的土地资源，以其特别的土色、优良的基础肥力等成为我国一种特有的、具有发展农业优势的宝贵土壤资源。紫色土作为一类成土时间和发育过程很短的土壤，其土壤性状必然受到母岩的深刻影响，在其成土因素中，母岩因素对其的作用是居于首位的[59]。紫色粘土岩作为一种特殊的沉积岩，广泛分布于四川盆地。其成岩环境及其发育成土的过程都独具特色。粘土岩是指以粘土矿物为主（含量大于50%）的沉积岩。粘土岩是沉积岩中分布最广的一类，约占沉积岩总量的60%[60]。构成粘土岩主要组分的粘土矿物大多数来自母岩风化的产物，并以悬浮方式搬运至汇水盆地，以机械方式沉积而成。因此，就形成机理而言，粘土岩类应归属陆源碎屑沉积岩。粘土物质沉积后，处于软泥状态，其原始孔隙度高达70%~90%，孔隙中饱含着自由水。随埋藏深度的增加，在上覆水体和沉积物负荷的重压下，粘土质点将重新排列、变形或破裂，孔隙水不断排出，原始粘土沉积物孔隙度大大降低，体积缩小，最后被压实固结成为粘土岩。紫色粘土岩广泛分布于四川盆地，其地质时期大多属于白垩纪、侏罗纪与三叠纪[61]。紫色粘土岩既是其发育紫色土性质的制约者，又是农业生产的巨大物质库。四川盆地的紫色粘土岩主要包括：三叠系飞仙关组、巴东组；侏罗系自流井组、沙溪庙组、遂宁组、蓬莱镇组；白垩系夹关组等。同时，依据岩性特征、古生物化石及四川盆地形成发展历史，普遍认为三叠系飞仙关组属于浅海相沉积，而侏罗系、白垩系属于河湖相沉积。1.5岩石碎屑对土壤水力学过程的影响岩石碎屑作为直接从母岩风化剥离进入土壤的粗骨部分，其理化性质完美继承了母岩的特性。钟守琴[62]等人研究发现岩石碎屑以先天性团聚体的形式大量存在于紫色土中。现有的研究表明土壤中存在的岩石碎屑能够改变土壤的理化性质、水文特征、力学性质等。土壤作为一个多孔介质，不同的土壤类型其质地、结构不同，从而影响其水力学特征，岩石碎屑作为先天性团聚体大量存在于土壤之中，岩石碎屑矿物类型、粒径、含量以及位置的不同都对其水文过程有着不同程度的影响。土壤水力学的主要参数包括：土壤水分常数、土壤饱和导水率、土壤水分特征曲线、土壤水分扩散率等，它们与土壤的结构和质地等因素密切相关，反映了土壤的孔隙度[63]、孔隙大小分布[64]、导水性能[65]及土壤水的入渗性质[66]等，从而影响土壤中的水分及其运动状况[67]。目前，已有大量有关岩屑对土壤水力学参数影响的研究。其中，Zhangetal.[68]研究了四川盆地丘陵紫色土岩石碎屑对土壤水分入渗和蒸发的影响；Wangetal.[69]研究了紫色土区不同岩石碎屑覆盖下坡耕地对地表径流、渗透、地下径流和侵蚀的影4 第1章文献综述响；李燕[70]研究了紫色土岩屑的分布及其对土壤水分性质的影响。大量研究表明，岩屑对土壤水力学特性存在非常重要的影响，但是并没有对岩石碎屑关于土壤水力学性质进行系统的研究。1.6小结紫色粘土岩作为一种特殊的沉积岩，广泛分布于四川盆地。其成岩环境及其发育成土的过程都独具特色。土壤中存在的岩石碎屑能够改变土壤物理、化学和水文特性，诸如结构、质地、含水量、渗透速率、敏感性和径流等，这都可能严重影响土力学及土壤水力学性质。以往的研究工作主要集中在某一部分岩石碎屑或砾石性质的研究，而对于系统研究岩石碎屑含量及粒径变化对土壤水力学过程的影响机制却没有引起广大学者的关注。因此，对于岩石碎屑对紫色粘土岩水力学过程的研究具有十分重要的现实意义。5 西南大学硕士学位论文6 第2章绪论第2章绪论2.1选题背景及意义紫色土广泛分布于四川盆地，强烈的物理风化使得有效土层瘠薄[71]，土壤中岩石碎屑含量高。岩石碎屑主要是物理风化的产物，直接从母岩上崩解并混入土壤中，这些岩石碎屑的存在能够显著影响土壤的理化性质，制约土壤的一系列过程[72-73]。岩石碎屑广泛分布于四川盆地山区泥岩发育的紫色土中，其结构不同于土壤单粒或土壤团聚体。以往的研究工作主要集中在某一部分岩石碎屑或砾石性质的研究，而对于系统研究岩石碎屑含量及粒径变化对土壤水力学过程的影响机制却没有引起广大学者的关注。基于以上原因，本研究利用四川盆地具有典型代表的粘土岩发育的紫色土，并选取其中两类形成环境差异较大的两类粘土岩，即飞仙关组页岩和遂宁组泥岩发育的土壤作为研究对象，并向其中加入0.25-2mm、2-5mm、5-10mm三种粒径不同比例的岩石碎屑，以模拟土的形式，通过对其水分特征曲线、水平扩散、垂直入渗三部分的的研究，系统的探讨岩石碎屑对紫色粘土岩水力学过程的作用机制。因此，本研究可以弥补目前土壤研究工作中在不同粒径岩石碎屑研究上的不足，同时研究结果可为研究区农业基础工程的设计、施工及施工后稳定性控制等工作提供有效的数据支撑及技术指导。2.2研究目的明确紫色泥、页岩岩石碎屑的特征，揭示岩石碎屑水力学的作用机制，阐明含岩石碎屑土壤的水力学过程。2.3研究内容（1）岩石碎屑对紫色粘土岩水分特征曲线的作用机制；（2）岩石碎屑对紫色粘土岩水平入渗过程的作用机制；（3）岩石碎屑对紫色粘土岩垂直渗透过程的作用机制。7 西南大学硕士学位论文2.4技术路线依据研究目的，确定方案采样基本性质测定遂宁组模拟土飞仙关组模拟土水分特征水平垂直水分特征水平垂直曲线测定扩散入渗曲线测定扩散入渗岩石碎屑对紫色粘土岩水力学过程作用机制图2-1技术路线图Fig.2-1Technicalroadmap2.5材料与方法2.5.1研究区概况重庆市位于四川盆地东部，地处我国西南部，平均海拔为400m，北碚区和潼南区处于重庆市西北部，气候属于亚热带季风性湿润气候，降雨量充沛，具有春早、夏热、秋短、冬迟的特征，地形以丘陵为主，紫色土分布广泛。紫色土是我国的一种特殊土壤，也是南方重要的土壤类型之一，根据土壤pH、CaCO3含量和硅铝率等特性，进一步划分为酸性紫色土、中性紫色土、石灰性紫色土[74]。本研究试验采集潼南遂宁组红棕紫色厚泥岩和北碚鸡公山飞仙关组暗8 第2章绪论紫色泥页岩以及其发育而来的土壤为研究对象。不同时期沉淀的母质，具有不同特性，对土壤形成的速度与特性产生明显的影响。遂宁组红棕紫色厚泥岩富含钙质，CaCO3>3gkg-1，pH>7.5[61]，其发育而来的石灰性紫色土中的粘土矿物以水云母、蒙脱石为主，少量高岭石、石英、磁铁矿，处于幼年的粗骨性阶段，通体颜色与母质相似，耕层疏松，含泥岩碎屑，心土层紧实，呈块状结构，无粘粒或铁锰淀积，有机质少，仅10gkg-1左右，全N0.11-1.34gkg-1，全P0.16-0.78gkg-1，全K5.3-29.6gkg-1，有效磷缺乏。飞仙关组暗紫色泥页岩富含Ca、Mg、K、Na等养分，淋溶弱，土体中二、三氧化物和SiO2无明显分化[61]，仅见微弱的粘化现象；由其发育而来的中性紫色土粘土矿物以蒙脱石、水云母为主，蒙脱石含量居紫色土之首，其次有高岭石、石英和赤铁矿，养分含量丰富，有机质变化为5-25gkg-1，全N0.75gkg-1，全P0.35gkg-1，全K17.2gkg-1，石灰反应弱，土壤颜色与母岩颜色一致，质地砂壤至轻粘，耕层疏松，呈粒状或团块状结构，质地偏粘的土壤，心土层有粘粒或锈斑状铁锰淀积。2.5.2样品采集紫色土是重庆最广泛的土壤，本研究选取紫色粘土岩及其发育土壤作为研究对象，采用两种分布广泛且极具特点的土壤及其母岩，分别是遂宁组泥岩及其发育而来的红棕紫泥和飞仙关组页岩及其发育而来的暗棕紫泥，两种土壤都是紫色粘土岩发育而来，但是由于其成土环境的不同，其形成的土壤和母岩也具有明显差异，作为研究紫色粘土岩水力学对象具有很好的代表性。通过对重庆土壤分布进行研究对比，本研究选取重庆市北碚区龙车寺和重庆市潼南区作为采样地点，具体采样情况见表2-1。表2-1母岩样品基本信息Table2-1Thebasicinformationofparentrocksamples序号母岩编号地点坐标(N/E)海拔/m1F-pr北碚区龙车寺29°45′48″105°25′40″4852S-pr潼南区柏梓镇30°09′04″105°45′31″364表2-2土壤样品基本信息Table2-2Basicinformationofthesoilsamples序土样土地海拔台面坡地点坐标(N/E)作物坡位号编号利用/m度/°北碚区龙1F29°45′50″106°25′40″红薯-玉米旱地47410坡脚车寺潼南区柏2S30°09′06″105°45′19″红薯-玉米旱地3250坡脚梓镇9 西南大学硕士学位论文2.5.3样品处理与分析采集的土壤及母岩除去较大的动植物残体及其他杂质，在通风环境下自然风干，土壤研磨过筛制备成粒径小于2mm的土样备用，母岩过筛制备成0.25-2mm、2-5mm、5-10mm三种粒径的碎屑备用。土壤自然容重采用环刀法[75]，颗粒组成采用吸管法，含水量采用烘干法[76]。基本性质见表2-3。表2-3土壤基本物理特性Table2-3Thebasicphysicalpropertiesofsoil土壤类型容重(g/cm3)含水率（%）砂粒（%）粉粒（%）粘粒（%）暗棕紫泥1.2121.2429.0137.8833.11红棕紫泥1.2521.2020.2842.2937.43本研究主要研究岩石碎屑对紫色粘土岩水力学过程的影响机制，所以在水力学研究特性过程中采用模拟土的方式进行研究，具体操作步骤如下：将母岩过筛制备成0.25-2mm、2-5mm、5-10mm三种粒径的碎屑备用，将制备好的岩屑和土壤按照0%、30%、50%、70%、100%的比例均匀混合配比成含有不同粒径比例的岩屑模拟土，然后对它的水分特征曲线、水分水平扩散、水分垂直入渗进行研究，其中水分特征曲线使用压力膜仪法测定，土壤水分水平扩散采用水平土柱法[17]，土壤水分垂直入渗采用环刀法[77]，同时对所有装样容重设置为1.3gcm-3。（1）模拟土水分特征曲线测定压力膜仪是测定水分特征曲线的常用方法之一。压力膜仪采用多孔陶瓷板能够维持土壤中的水与陶瓷板反面低压水之间的压力差，一旦提取器内部的气压升高超过大气压，提取器内部的高气压将多余的水分沿着陶瓷板上的微孔隙向外排除。在一定的压力条件下，每个土壤颗粒中的水分沿着陶瓷板上的微孔隙向外流动，直到土壤颗粒上水膜的有效曲率半径等于压力膜的微孔隙上水膜的有效曲率半径，此时便达到了平衡状态。当提取器中的气压值继续增加时，土壤样品中的水分流动又将再次开始，直到达到新的平衡状态。在平衡状态下，提取器中的压力值和土壤吸力大小相等，方向相反。因此，可通过提取器中的压力值来确定土壤样品的重量含水率或容积含水率，本研究采用体积为60cm3的环刀对模拟土进行装样，设置压力为0.1bar、0.3bar、0.5bar、0.7bar、1bar、2bar、3bar、5bar、6bar，具体装样情况见表2-4。10 第2章绪论表2-4不同岩屑含量模拟土水分特征曲线测定的装样情况Table2-4Preparationofsimulatedsoils’watercharacteristiccurvetest岩屑遂宁组不同岩屑含量模拟土飞仙关组不同岩屑含量模拟土岩屑粒径水分水分比例岩屑量/g大泥土量/g风干样重/g岩屑量/g大泥土量/g风干样重/g（mm）系数系数0.25-20%0.05100.0082.2082.200.04630.0081.7981.790.25-230%0.046924.5557.2881.830.049524.6257.4582.070.25-250%0.043040.7540.7581.500.051141.1041.1082.200.25-270%0.040256.8924.3881.270.053057.6624.7182.360.25-2100%0.035180.830.0080.830.051282.210.0082.212-50%0.05100.0082.2082.200.04630.0081.7981.792-530%0.049924.6357.4782.090.049024.6057.4182.022-550%0.049841.0441.0482.090.049541.0341.0382.072-570%0.049457.4424.6282.050.047957.3524.5881.922-5100%0.048882.000.0082.000.050482.140.0082.145-100%0.05100.0082.2082.200.04630.0081.7981.795-1030%0.051124.6657.5482.200.048324.5957.3781.965-1050%0.050641.0841.0882.160.047840.9640.9681.915-1070%0.050557.5124.6582.150.048257.3624.5881.955-10100%0.049682.070.0082.070.049782.080.0082.08（2）模拟土水分水平扩散为了消除重力的影响，实验过程采用水平土柱进行，该测定过程要求土柱的土壤质地均一、初始含水率均一、土柱进水端水位恒定，压力为零。这样水分在土柱中作水平吸渗运动，其前进的最主要动力便是土壤基质吸力。不饱和水分在不太厚的水平土柱中运动时，重力作用可以忽略，视作一维水平运动。土壤中一维水平流方程及其定界条件为：D()txxax0,t0（2-1）x0,t0bx―,t0a式中：为距进水边界x处的土壤含水率（m3·m-3）；a为土柱初始含水率（风干土壤含水率）（m3·m-3）；b为土柱始端维持的饱和含水率（m3·m-3）；x为土柱中断面距始端的距离（cm）；t为时间（min）；D()为土壤水分扩散率（cm2·min-1）。采用Boltzmann变换，将（2-1）式变为常微分方程，求解得到D()的计算公式为：11 西南大学硕士学位论文-1D()d（2-2）2(d/d)a1/2式中：xt为Boltzmann变换的参数。进行水平土柱吸渗试验时，测出t时刻土柱含水率分布，并计算出各x点的值，就可以绘制出f()关系曲线。由曲线就可以求出相应于不同值的d/d值和d值，应a用式（2-2）就可以计算出D()。为了便于计算，通常将（2-2）式改写为差分形式：1D()-（2-3）2a这样可将~图划分成条状，然后列表计算或编制程序由计算机计算因而可以计算出土壤水分扩散率D()。利用一个半无限长水平土柱的吸渗装置（图2-2）[17]。有机玻璃管长100cm，内径5cm，贮水室长10cm，连接马利奥特瓶，进行自动供水；滤水室，长10cm，内填石英砂缓冲水流，使水流保持层流状态；试样段，长80cm，填装供试土样，土样填装长度为60cm，如图2-2所示。图2-2水分扩散试验装置示意图Fig.2-2Thetestdeviceforsoilwaterdiffusivity12 第2章绪论表2-5不同岩屑含量模拟土非饱和土壤水分扩散率测定装样情况Table2-5Preparationofsimulatedsoils’waterdiffusivitytest岩屑飞仙关组不同岩屑含量模拟土遂宁组不同岩屑含量模拟土岩屑粒径水分水分比例岩屑量/g大泥土量/g风干样重/g岩屑量/g大泥土量/g风干样重/g（mm）系数系数0.25-20%0.05550.001615.711615.710.05280.001611.571611.570.25-230%0.0541484.071129.491613.560.0495481.961124.571606.520.25-250%0.0526805.63805.631611.270.0454800.12800.121600.250.25-270%0.05391129.28483.981613.260.04141115.89478.241594.120.25-2100%0.05361612.800.001612.800.03481584.020.001584.022-50%0.05550.001615.711615.710.05280.001611.571611.572-530%0.0490402.39938.911341.300.0499402.77939.791342.562-550%0.0495671.05671.051342.110.0498671.25671.251342.502-570%0.0479937.85401.931339.780.0494939.33402.571341.895-100%0.05550.001615.711615.710.05280.001611.571611.575-1030%0.0483402.11938.271340.380.0511403.30941.041344.355-1050%0.0478669.82669.821339.630.0506671.82671.821343.645-1070%0.0482938.14402.061340.200.0505940.45403.051343.51（3）模拟土水分垂直入渗水分垂直渗透采用环刀法，将模拟土按照配比装入环刀，环刀下部先用纱布固定然后盖上盖子防止土样分散，将装好样的环刀浸泡24h，浸泡时，保持水面与环刀上口齐平，不能让水淹没环刀上口土面，浸泡时间到后取出环刀，去掉盖子，上面套上一个空环刀，用胶布仔细封号，不能有气泡，严防水从接口处流出，然后将接合好的环刀放在漏斗上，漏斗下面放置烧杯，向空环刀中加水，水面比环刀口低1mm，加水后自第一滴水开始计时，同时量出出水量，然后根据水流速度设置间隔计数时间，每次更换烧杯时需将环刀水面加水至原高，计数一直到渗出水量稳定，装样情况见表2-6。13 西南大学硕士学位论文表2-6不同岩屑含量模拟土饱和土壤垂直入渗率测定装样情况Table2-6Preparationofsimulatedsoils’waterinfiltrationtest岩屑飞仙关组不同岩屑含量模拟土遂宁组不同岩屑含量模拟土岩屑粒径水分水分比例岩屑量/g大泥土量/g风干样重/g岩屑量/g大泥土量/g风干样重/g（mm）系数系数0.25-20%0.04630.00136.31136.310.05100.00136.99136.990.25-230%0.049541.0395.74136.780.046940.9295.47136.390.25-250%0.051168.5068.50137.000.043067.9267.92135.840.25-270%0.053096.0941.18137.270.040294.8240.64135.450.25-2100%0.0512137.010.00137.010.0351134.720.00134.722-50%0.04630.00136.31136.310.05100.00136.99136.992-530%0.049041.0195.69136.690.049941.0595.78136.822-550%0.049568.3968.39136.780.049868.4168.41136.822-570%0.047995.5840.96136.540.049495.7341.03136.752-5100%0.0504136.900.00136.900.0488136.670.00136.675-100%0.04630.00136.31136.310.05100.00136.99136.995-1030%0.048340.9895.62136.600.051141.1095.90137.005-1050%0.047868.2668.26136.520.050668.4768.47136.935-1070%0.048295.6140.97136.580.050595.8441.08136.925-10100%0.0497136.800.00136.800.0496136.790.00136.7914 第3章岩石碎屑对土壤水分特征曲线的影响第3章岩石碎屑对土壤水分特征曲线的影响土壤水的基质势或土壤水吸力是随着土壤含水率而变化的，其关系曲线称为土壤水分曲线[79]。它是表示土壤水的能量与数量的关系，其曲线与土壤颗粒分布有关。土壤水分特征曲线是研究土壤水分运动的重要参数[80]，它表示土壤水分与固体颗粒之间的相互作用[81]，能够反映土壤的持水能力[82]、土壤水分的有效性[83]以及土壤的孔隙分布[84]状况，并且常常用来估算非饱和土壤的渗透性[85-87]，是研究土壤水分的保持和运动所用到的反应土壤持水特性曲线。对于不同的土壤，岩屑含量对其水分特征曲线的影响机制不同，对于同一种土壤不同粒径的岩屑对其水分特征曲线的影响机制也不同[88]，本实验采用的紫色泥岩和紫色页岩发育而来的红棕紫泥和暗棕紫泥作为研究对象，同时向其中加入不同粒径和配比的母岩碎屑，观察其对水分特征曲线的作用机制。紫色土作为四川盆地最常见的土壤，本研究采用泥岩和页岩发育而来的土壤作为对比，是由于其在成土环境过程中有明显区别，其形成的土壤及岩屑都差异较大，是作为对比研究较好的对象，本研究采用的三叠系飞仙关页岩属于浅海相沉积岩，其形成环境为干燥炎热高压下的陆源浅海[89]，高压的成土环境导致其石质坚硬，以成土率略高于化泥的速度进行风化[90]，土壤由页岩的坡残积母质发育而成，成土方式以机械破碎为主，物理风化强烈，化学风化度浅，水土流失严重，土层浅薄，自然土壤中碎屑含量也很高，而其岩石碎屑很好的继承了母岩的物化性质，具有致密坚硬的特点[91-93]。而红棕紫泥是由泥岩发育而来，泥岩属于湖泊相沉积岩，岩石厚度比较稳定，形成环境为较干旱条件和河漫湖泊的洪水泛滥至正常河流[94]，且其土壤具有最高的成土率与化泥率比值[90]，成土过程主要为剥蚀风化，自然土中其岩屑含量不如暗棕紫泥高，同时由于泥岩的特性，导致其直接风化而成的岩屑不如页岩致密坚硬。土壤的基本物理性质对水分特征曲线有着显著的影响，如土壤容重[95]、土壤孔隙度大小及分布等[96-98]。岩石碎屑是由于风化作用直接从母岩剥离形成的，岩石碎屑的存在对土壤抗剪强度[99]等有显著影响，本研究通过向两种类型土壤中加入不同比例和粒径的岩屑，采用压力膜仪法测定其水分特征曲线，研究岩石碎屑对土壤水分特征曲线的影响机制。3.1模拟土的水分特征常数为了进一步分析含<2mm岩屑的紫色粘土岩土壤的水分特征，对不同岩屑含量的模拟土的水分特征常数进行了测定。由表3-1可知，飞仙关组紫色页岩不同岩屑模拟土的水分特征常数均随着岩屑粒径与岩屑比例的不同而发生变化。当岩屑粒径为0.25-2mm时，岩屑比例从0.0增加到1.0的过程中，土壤的饱和含水量从0.5368降低到了0.5077，降低了0.0291；土壤0.1bar田间持水量从0.4108降低到了0.2048，降低了0.2059；土壤0.3bar田间持水量从0.3904降低到了0.1948，降低了0.1956；开始萎蔫含水量从0.2926降低为0.1549，降低了0.1377。当岩屑粒径为2-5mm时，岩屑比例从0.0增加到1.0的过程中，土壤的饱和含水量从0.5368降低到了0.5077，降低了0.0291；土壤0.1bar田间持水量从0.4108降低到了0.1570，降低了0.2538；土壤0.3bar田间持水量从0.3904降低到了0.1496，降低了0.2409；开始萎蔫含水量从0.292615 西南大学硕士学位论文降低为0.1241，降低了0.1685。当岩屑粒径为5-10mm时，岩屑比例从0.0增加到1.0的过程中，土壤的饱和含水量从0.5368降低到了0.4080，降低了0.1288；土壤0.1bar田间持水量从0.4108降低到了0.1462，降低了0.2646；土壤0.3bar田间持水量从0.3904降低到了0.1415，降低了0.2489；开始萎蔫含水量从0.2926降低为0.1196，降低了0.1729。表3-1飞仙关组模拟土的水分特征常数（单位：cm3/cm3）Table3-1ThemoisturecharacteristicconstantsofFeixianguangroup’ssimulatedsoils粒径(mm)比例饱和含水量0.1bar田间持水量0.3bar田间持水量6bar开始萎蔫含水量0.25-20%0.53680.41080.39040.29260.25-230%0.52180.37090.34590.26530.25-250%0.52010.32780.30720.23410.25-270%0.51890.29250.26930.20800.25-2100%0.50770.20480.19480.15492-50%0.53680.41080.39040.29262-530%0.48050.34860.32820.25512-550%0.46930.29680.28020.21712-570%0.45690.25590.23600.18092-5100%0.45190.15700.14960.12415-100%0.53680.41080.39040.29265-1030%0.48440.34550.32220.24755-1050%0.46220.29130.27510.21155-1070%0.42850.24900.22880.17405-10100%0.40800.14620.14150.1196由表3-2可知，遂宁组紫色页岩不同岩屑模拟土的水分特征常数均随着岩屑粒径与岩屑比例的不同而发生变化。当岩屑粒径为0.25-2mm时，岩屑比例从0.0增加到1.0的过程中，土壤的饱和含水量从0.5332降低到了0.5064，降低了0.0268；土壤0.1bar田间持水量从0.3742降低到了0.1461，降低了0.2281；土壤0.3bar田间持水量从0.3524降低到了0.1351，降低了0.2173；开始萎蔫含水量从0.2599降低为0.1031，降低了0.1568。当岩屑粒径为2-5mm时，岩屑比例从0.0增加到1.0的过程中，土壤的饱和含水量从0.5332降低到了0.4482，降低了0.0850；土壤0.1bar田间持水量从0.3742降低到了0.1548，降低了0.2194；土壤0.3bar田间持水量从0.3524降低到了0.1454，降低了0.2071；开始萎蔫含水量从0.2599降低为0.1217，降低了0.1382。当岩屑粒径为5-10mm时，岩屑比例从0.0增加到1.0的过程中，土壤的饱和含水量从0.5332降低到了0.3416，降低了0.1916；土壤0.1bar田间持水量从0.3742降低到了0.1413，降低了0.2329；土壤0.3bar田间持水量从0.3524降低到了0.1320，降低了0.2204；开16 第3章岩石碎屑对土壤水分特征曲线的影响始萎蔫含水量从0.2599降低为0.1152，降低了0.1447。表3-2遂宁组不同岩屑含量模拟土的水分特征常数（单位：cm3/cm3）Table3-2ThemoisturecharacteristicconstantsofSuininggroup’ssimulatedsoils粒径(mm)比例饱和含水量0.1bar田间持水量0.3bar田间持水量6bar开始萎蔫含水量0.25-20%0.53320.37420.35240.25990.25-230%0.52350.31690.29740.21240.25-250%0.51800.25920.23420.17120.25-270%0.51380.19680.18420.13020.25-2100%0.50640.14610.13510.10312-50%0.53320.37420.35240.25992-530%0.47140.33750.32180.24632-550%0.44240.29620.27780.21052-570%0.43640.25200.23400.17782-5100%0.44820.15480.14540.12175-100%0.53320.37420.35240.25995-1030%0.46340.34160.31310.24665-1050%0.43660.28800.26790.20885-1070%0.41210.24070.22510.17265-10100%0.34160.14130.13200.11523.2模拟土水分特征曲线3.2.1不同岩屑含量模拟土的土壤水分特征曲线采用经验公式对水分特征曲线进行拟合，飞仙关组紫色页岩不同岩屑含量模拟土的拟合结果如图3-1所示，方程参数见表3-3。由图3-1可知，随着土壤吸力的增大，土壤含水量逐渐减小；在相同岩屑粒径下，随着岩屑含量的增加，整个脱水过程均存在岩屑含量越高，在相同土壤吸力下的含水量就越小。即：在相同的岩屑粒径和吸力下，土壤的持水能力随着岩屑含量的增加而降低。由表3-3可知，经验公式对不同岩屑含量的模拟土的水分特征曲线进行拟合，拟合结果的R2都在0.98以上。因此，采用经验公式对不同岩屑含量模拟土的水分特征曲线实测值进行拟合效果较好。另外，通过将遂宁组模拟土与飞仙关组模拟土的水分特征曲线对比可知，在相同的岩屑粒径、含量及土壤吸力下，飞仙关组紫色页岩不同岩屑模拟土的含水量要大于遂宁组紫色泥岩的含水量，即：遂宁组不同岩屑含量模拟土的持水能力不如飞仙关组的高。17 西南大学硕士学位论文6(a)F0.25-26(d)S0.25-250%50%430%30%450%50%S(bar)370%S(bar)370%100%100%吸力2吸力211000.00.10.20.30.40.50.00.10.20.30.4含水量θ(cm3/cm3)含水量θ(cm3/cm3)66(b)F2-5(e)S2-5550%0%430%430%50%S(bar)370%S(bar)350%吸力2100%吸力211000.00.10.20.30.40.50.00.10.20.30.4含水量θ(cm3/cm3)含水量θ(cm3/cm3)6(c)F5-106.0(f)S5-1050%5.00%430%30%4.050%50%S(bar)370%S(bar)3.070%100%100%吸力2吸力2.011.000.00.00.10.20.30.40.50.00.10.20.30.4含水量θ(cm3/cm3)含水量θ(cm3/cm3)图3-1模拟土的水分特征曲线Fig.3-1Simulatedsoils’watercharacteristiccurves18 第3章岩石碎屑对土壤水分特征曲线的影响表3-3不同岩屑含量模拟土水分特征曲线经验公式拟合Table.3-3Theequationofsimulatedsoils’watercharacteristiccurve飞仙关组y=aθ-b遂宁组y=aθ-b粒径（mm）比例abR2abR20.25-20%6E-0611.370.98154E-0610.550.99000.25-230%1E-0611.740.99212E-069.6690.99070.25-250%3E-0711.790.99123E-079.6470.99250.25-270%4E-0812.060.99122E-089.5950.99080.25-2100%3E-1114.020.99193E-1111.440.99162-50%6E-0611.370.98154E-0610.550.99002-530%3E-0712.430.99074E-0711.760.98422-550%2E-0812.750.99241E-0711.290.99352-570%1E-0811.730.99602E-0811.390.99482-5100%2E-1517.070.99441E-1517.110.99495-100%6E-0611.370.98154E-0610.550.99005-1030%4E-0711.880.99259E-0812.910.99575-1050%4E-0812.220.99112E-0812.550.99595-1070%1E-0811.430.99413E-0912.210.99135-10100%7E-1819.510.98363E-1920.480.98853.2.2不同岩屑含量模拟土的孔隙特征根据茹林公式[17]可计算得到不同岩屑含量模拟土的当量孔径分布情况。飞仙关组不同岩屑含量模拟土的孔隙特征如图3-2所示，当模拟土岩屑粒径为0.25-2mm时，随着岩屑含量从0%增加到100%的过程中，土壤总孔隙分别为0.5368、0.5218、0.5201、0.5189与0.5077；其中，>30μm的孔隙数量分别为0.1260、0.1509、0.1923、0.2264与0.3029，分别占总孔隙的23.48%、28.92%、36.97%、43.63%与59.65%；0.5-30μm的孔隙数量分别为0.1182、0.1056、0.0938、0.0845与0.0500，分别占总孔隙的22.02%、20.23%、18.03%、16.28%与9.84%；<0.5μm的孔隙的数量分别为0.2926、0.2653、0.2341、0.2080与0.1549，分别占总孔隙的54.50%、50.85%、45.01%、40.09%、30.50%。当模拟土岩屑粒径为2-5mm时，随着岩屑含量从0%增加到100%的过程中，土壤总孔隙分别为0.5368、0.4805、0.4693、0.4569与0.4519；其中，>30μm的孔隙数量分别为0.1260、0.1319、0.1725、0.2010与0.2950，分别占总孔隙的23.48%、27.45%、36.75%、43.99%与65.27%；0.5-30μm的孔隙数量分别为0.1182、0.0935、0.0797、0.0751与0.0329，分别占总孔隙的22.02%、19.46%、16.99%、16.43%与7.28%；<0.5μm的孔隙的数量分别为0.2926、0.2551、0.2171、0.1809与0.1241，分别占总孔隙的54.50%、53.09%、46.26%、39.58%、27.45%。当模拟土岩屑粒径为5-10mm时，随着岩屑含量从0%增加到100%的过程中，土壤总孔隙分别为0.5368、0.4844、0.4622、0.4285与0.4080；其中，>30μm的孔19 西南大学硕士学位论文隙数量分别为0.1260、0.1389、0.1709、0.1794与0.2618，分别占总孔隙的23.48%、28.68%、36.98%、41.88%与64.18%；0.5-30μm的孔隙数量分别为0.1182、0.0980、0.0798、0.0750与0.0265，分别占总孔隙的22.02%、20.24%、17.27%、17.51%与6.50%；<0.5μm的孔隙的数量分别为0.2926、0.2475、0.2115、0.1740与0.1196，分别占总孔隙的54.50%、51.09%、45.75%、40.61%、29.33%。因此，总体上，>30μm的孔隙占总孔隙的比例随着岩屑含量的增加的增大；0.5-30μm与<0.5μm的孔隙占总孔隙的比例均随着岩屑含量的增加的减小；岩屑粒径越大，其0.5-30μm孔隙数量与占比随着岩屑粒径的增大而减小，而对于>30μm与<0.5μm孔隙数量与占比随岩屑粒径增大无明显变化趋势。0.4(a)F0.25-20%30%(a)F0.25-2>30μm0.5-30μm<0.5μm100%50%70%0.3380%100%/cm3cm0.260%40%孔隙占比孔隙度0.120%0.00%>30μm0.5-30μm<0.5μm00.30.50.71当量孔径d(μm)岩屑比例0.40%30%(b)F2-5>30μm0.5-30μm<0.5μm(b)F2-550%70%100%0.3100%380%/cm3cm0.260%40%孔隙占比孔隙度0.120%0.00%>30μm0.5-30μm<0.5μm00.30.50.71当量孔径d(μm)岩屑比例0.4(c)F(c)F5-10>30μm0.5-30μm<0.5μm5-100%30%100%50%70%30.3/cm100%80%3cm0.260%孔隙度40%孔隙占比0.120%0.00%>30μm0.5-30μm<0.5μm00.30.50.71当量孔径d(μm)岩屑比例图3-2飞仙关组模拟土的孔隙特征Fig.3-2TheporecharacteristicsofFeixianguanGroupsimulatedsoils20 第3章岩石碎屑对土壤水分特征曲线的影响遂宁组不同岩屑含量模拟土的孔隙特征如图3-3所示，当模拟土岩屑粒径为0.25-2mm时，随着岩屑含量从0%增加到100%的过程中，土壤总孔隙分别为0.5332、0.5235、0.5180、0.5138与0.5064；其中，>30μm的孔隙数量分别为0.1590、0.2066、0.2588、0.3170与0.3603，分别占总孔隙的29.82%、39.47%、49.96%、61.70%与71.15%；0.5-30μm的孔隙数量分别为0.1143、0.1045、0.0880、0.0666与0.0430，分别占总孔隙的21.43%、19.96%、16.99%、12.95%与8.49%；<0.5μm的孔隙的数量分别为0.2599、0.2124、0.1712、0.1302与0.1031，分别占总孔隙的48.75%、40.57%、33.05%、25.35%、20.37%。当模拟土岩屑粒径为2-5mm时，随着岩屑含量从0%增加到100%的过程中，土壤总孔隙分别为0.5332、0.4714、0.4424、0.4364与0.4482；其中，>30μm的孔隙数量分别为0.1590、0.1639、0.1732、0.1844与0.2934，分别占总孔隙的29.82%、34.76%、39.15%、42.26%与65.46%；0.5-30μm的孔隙数量分别为0.1143、0.0912、0.0857、0.0742与0.0331，分别占总孔隙的21.43%、19.35%、19.38%、17.01%与7.38%；<0.5μm的孔隙的数量分别为0.2599、0.2163、0.1835、0.1778与0.1217，分别占总孔隙的48.75%、45.89%、41.47%、40.74%、27.16%。当模拟土岩屑粒径为5-10mm时，随着岩屑含量从0%增加到100%的过程中，土壤总孔隙分别为0.5332、0.4634、0.4366、0.4121与0.3416；其中，>30μm的孔隙数量分别为0.1590、0.1618、0.1656、0.1714与0.2002，分别占总孔隙的29.82%、34.92%、37.93%、41.60%与58.62%；0.5-30μm的孔隙数量分别为0.1143、0.0949、0.0792、0.0681与0.0261，分别占总孔隙的21.43%、20.49%、18.13%、16.52%与7.65%；<0.5μm的孔隙的数量分别为0.2599、0.2066、0.1918、0.1726与0.1152，分别占总孔隙的48.75%、44.59%、43.94%、41.88%、33.72%。因此，总体上，>30μm的孔隙占总孔隙的比例随着岩屑含量的增加的增大；0.5-30μm与<0.5μm的孔隙占总孔隙的比例均随着岩屑含量的增加的减小；岩石粒径越大，其0.5-30μm孔隙数量与占比随着岩屑粒径的增大而减小，而对于>30μm与<0.5μm孔隙数量与占比随岩屑粒径增大无明显变化趋势。同时，将遂宁组与飞仙关组不同岩屑模拟土的孔隙特征进行对比可知，遂宁组>30μm的孔隙数量与占比较飞仙关组均要大，而<0.5μm孔隙的数量与占比则均要小，即：对于飞仙关组紫色页岩不同岩屑含量的模拟土而言，其>30μm的交换孔隙要小于遂宁组不同岩屑含量模拟土，而<0.5μm残余及结合孔隙则要大于遂宁组不同岩屑含量模拟土。0.4(d)S(d)S0.25-2>30μm0.5-30μm<0.5μm0.25-20%30%50%100%70%100%30.380%/cm3cm0.260%40%孔隙度孔隙占比0.120%0.00%>30μm0.5-30μm<0.5μm00.30.50.71当量孔径d(μm)岩屑比例21 西南大学硕士学位论文0.40%30%(e)S2-5>30μm0.5-30μm<0.5μm(e)S2-550%70%100%30.3100%/cm80%3cm0.260%孔隙度孔隙占比40%0.120%0.00%>30μm0.5-30μm<0.5μm00.30.50.71当量孔径d(μm)岩屑比例0.4(f)S(f)S5-10>30μm0.5-30μm<0.5μm5-100%30%100%50%70%30.3100%80%/cm3cm0.260%40%孔隙度孔隙占比0.120%0.00%>30μm0.5-30μm<0.5μm00.30.50.71当量孔径d(μm)岩屑比例图3-3遂宁组模拟土的孔隙特征Fig.3-3TheporecharacteristicsofSuiningGroupsimulatedsoils3.2.3不同岩屑含量模拟土的比水容量比水容量是分析土壤水分保持和运动的重要参数之一。由公式与水分特征曲线经验公式计算不同岩屑模拟土的比水容量（表3-4与图3-4）。不同岩屑含量模拟土的比水容量均随着土壤含水量的增大而增大；在相同的岩屑粒径下，随着岩屑含量的增加，不同岩屑含量模拟土的比水容量逐渐增加。同时对比飞仙关组合遂宁组各粒径岩石碎屑模拟土比水容量，发现同一含水率下，飞仙关组模拟土比水容量大于遂宁组模拟土比水容量。1520(a)F0.25-2(d)S0.25-20%0%30%15110)30%-50%)1-50%70%C(bar1070%100%C(bar100%55比水容量比水容量000.00.10.20.30.40.00.10.20.30.4含水量θ(cm3/cm3)含水量θ(cm3/cm3)22 第3章岩石碎屑对土壤水分特征曲线的影响2015.0(e)S(b)F2-52-50%150%30%)1-30%)50%110.050%-70%C(bar1070%100%100%C(bar5.0比水容量5比水容量00.00.00.10.20.30.40.00.10.20.30.4含水量θ(cm3/cm3)含水量θ(cm3/cm3)2020(c)F5-10(f)S5-100%)150%1530%1-30%50%1)50%-70%70%C(bar10100%10100%C(bar比水容量55比水容量000.00.10.20.30.40.00.10.20.30.4含水量θ(cm3/cm3)含水量θ(cm3/cm3)图3-4模拟土的比水容量Fig.3-4Waterspecificcapacitycurvesofsimulatedsoils表3-4模拟土的比水容量拟合参数Table3-4Theequationofsimulatedsoils’waterspecificcapacitycurve飞仙关组遂宁组dθ1b1dθ1b1粒径（mm）比例CθCθdsabdsababR2abR20.25-20%6E-0611.370.98154E-0610.550.99000.25-230%1E-0611.740.99212E-069.6690.99070.25-250%3E-0711.790.99123E-079.6470.99250.25-270%4E-0812.060.99122E-089.5950.99080.25-2100%3E-1114.020.99193E-1111.440.99162-50%6E-0611.370.98154E-0610.550.99002-530%3E-0712.430.99074E-0711.760.98422-550%2E-0812.750.99241E-0711.290.99352-570%1E-0811.730.99602E-0811.390.99482-5100%2E-1517.070.99441E-1517.110.99495-100%6E-0611.370.98154E-0610.550.99005-1030%4E-0711.880.99259E-0812.910.995723 西南大学硕士学位论文飞仙关组遂宁组dθ1b1dθ1b1粒径（mm）比例CθCθdsabdsababR2abR25-1050%4E-0812.220.99112E-0812.550.99595-1070%1E-0811.430.99413E-0912.210.99135-10100%7E-1819.510.98363E-1920.480.98853.3小结土壤水分特征曲线是指土壤水的基质势或土壤水吸力随土壤含水率变化的关系曲线，它表示土壤水的能量和数量间的关系，是研究土壤水分的保持和运动所用到的反映土壤持水特性的曲线。土壤水吸力大致分为三段，即低吸力段（<100kPa），中吸力段(100~1500kPa)和高吸力段（>1500kPa）。其中1500kPa以下的中低吸力段相当于植物有效水范围，因而是土壤水分的主要研究对象。5-10mm>2-5mm，而扩散速率则反之；对于50%岩屑模拟土而言，扩散时间存在2-5mm>0.25-5mm>5-10mm。即当岩屑粒径增大时，对于30%和50%岩屑含量模拟土的扩散时间和速率均值并没有明显的变化趋势，而对于70%岩屑含量模拟土扩散时间曾减小趋势而速率均值呈增大趋势。另外通过对湿润锋前进速率与时间的关系图和湿润锋前进距离和时间的关系图进行拟合，发现两者之间呈幂函数关系，具体拟合情况见表4-2、4-3。表4-1飞仙关组模拟土的湿润峰前进情况Table4-1ThewaterdiffusionofFeixianguanGroupsimulatedsoils前进速率cm/min岩屑粒径岩屑比例距离/cm历时/min最大值最小值均值0.25-20%37.5258600.20000.00040.02480.25-230%35.5100150.30000.00100.03510.25-250%35.515600.60000.00800.07120.25-270%35.54801.6000.02000.12810.25-2100%35.53514.700.02001.54282-50%37.5258600.20000.00040.02482-530%35.512220.45000.01500.06772-550%35.542900.80000.00170.03242-570%35.5672.10000.20000.54645-100%37.5258600.20000.00040.02485-1030%36.529640.40000.00420.04775-1050%38.513910.70000.01970.07855-1070%35.5283.60000.60001.275926 第4章岩石碎屑对土壤水分水平扩散的影响0%30%50%40(a)F0.25-270%100%3530L(cm)25距离20151050050001000015000200002500030000时间t(min)0%30%(b)F4050%70%2-5353025L(cm)20距离1510500100002000030000时间t(min)0%30%4550%70%(c)F5-10403530L(cm)25距离201510500100002000030000时间t(min)图4-1飞仙关组模拟土的湿润峰前进的L-t关系曲线Fig.4-1ThewaterdiffusionL-tcurvesofFeixianguanGroupsimulatedsoils27 西南大学硕士学位论文表4-2飞仙关组模拟土的湿润峰L-t拟合方程Table4-3EquationsofFeixianguanGroupsimulatedsoils’waterdiffusionv-tcurves岩屑粒径（mm）岩屑比例拟合公式R20.25-20%L=1.6167t0.30870.99450.25-230%L=1.9189t0.31590.99170.25-250%L=1.4789t0.41840.97090.25-270%L=3.3453t0.36820.96720.25-2100%L=10.304t0.35350.99352-50%L=1.6167t0.30870.99452-530%L=2.9659t0.30810.93492-550%L=2.8363t0.28490.92802-570%L=5.908t0.40990.97745-100%L=1.6167t0.30870.99455-1030%L=1.7532t0.36880.97425-1050%L=2.5t0.31350.92625-1070%L=6.1861t0.51350.99490.4F0.25-2-0％F0.25-2-30％0.20.30.2v(cm/min)0.1v(cm/min)速率速率0.10.00.00100002000030000050001000015000时间t(min)时间t(min)0.42.0F0.25-2-50％F0.25-2-70％0.31.50.21.0v(cm/min)v(cm/min)速率0.1速率0.50.00.005001000150020000200400600时间t(min)时间t(min)16F0.25-2-100％F0.25-2-0％140.212108v(cm/min)v(cm/min)0.16速率4速率200.00102030400100002000030000时间t(min)时间t(min)28 第4章岩石碎屑对土壤水分水平扩散的影响0.61.0F2-5-30％F2-5-50％0.50.80.40.60.3v(cm/min)v(cm/min)0.40.2速率速率0.20.10.00.00500100015000204060时间t(min)时间t(min)3.0F2-5-70％F5-10--0％2.50.22.01.5v(cm/min)v(cm/min)0.11.0速率速率0.50.00.002040600100002000030000时间t(min)时间t(min)0.5F5-10-30％0.9F5-10-50％0.40.80.70.30.60.5v(cm/min)0.2v(cm/min)0.4速率0.30.1速率0.20.10.00.001000200030004000时间t(min)050010001500时间t(min)5.0F5-10-70％4.03.0v(cm/min)2.0速率1.00.00102030时间t(min)图4-2飞仙关组不同岩屑含量模拟土的湿润峰前进的v-t关系曲线Fig.4-2Thewaterdiffusionv-tcurvesofFeixianguanGroupsimulatedsoils29 西南大学硕士学位论文表4-3飞仙关组模拟土的湿润峰v-t拟合方程Table4-2EquationsofFeixianguanGroupsimulatedsoils’waterdiffusionv-tcurves飞仙关组v=at-b岩屑粒径岩屑比例abR20.25-20%0.45910.680.9530.25-230%0.49410.6490.96140.25-250%0.4120.4850.91890.25-270%0.79750.5150.92180.25-2100%4.46510.7470.9452-50%0.45910.680.9532-530%0.3920.470.87922-550%0.55181.2570.8562-570%2.58420.5600.77625-100%0.45910.680.9535-1030%0.42540.5440.92775-1050%0.30490.4370.80655-1070%3.10680.4480.7784由表4-4可知，对于遂宁组模拟土而言，当岩屑粒径为0.25-2mm时，岩屑含量从0%增加到100%的过程中，水平扩散距离分别为36.5cm、37.5cm、35.5cm、38.5cm与42.5cm，历时分别为5800min、2800min、740min、230min与26min。在湿润峰前进过程中，最大速率分别为0.18cm/min、0.20cm/min、0.50cm/min、1.60cm/min与10.0cm/min；最小速率分别为0.0025cm/min、0.0048cm/min、0.0150cm/min、0.0950cm/min与0.900cm/min；平均速率为0.0294cm/min、0.0481cm/min、0.0986cm/min、0.3153cm/min与2.3409cm/min。与不含岩屑模拟进行比较发现，岩屑为30%、50%、70%与100%模拟土的湿润峰前进的平均速率分别增大了1.64、3.36、10.74与79.76倍；与全岩屑比较发现，0%、30%、50%与70%模拟土的湿润峰前进的平均速率分别减小为全岩屑模拟土的0.013、0.021、0.042与0.135。当岩屑粒径为2-5mm时，岩屑含量从0%增加到70%的过程中，水平扩散距离分别为36.5cm、35.6cm、35.5cm与35.5cm，历时分别为5800min、2690min、6140min与103min。在湿润峰前进过程中，最大速率分别为0.18cm/min、0.40cm/min、0.40cm/min与2.8cm/min；最小速率分别为0.0025cm/min、0.0033cm/min、0.0011cm/min与0.2000cm/min；平均速率为0.0294cm/min、0.0453cm/min、0.0237cm/min与0.4110cm/min。与不含岩屑模拟进行比较发现，岩屑为30%、50%与70%模拟土的湿润峰前进的平均速率分别增大了1.54、0.81与14.00倍；与70%岩屑模拟土比较发现，0%、30%与50%模拟土的湿润峰前进的平均速率分别减小为70%岩屑模拟土的0.071、0.110与0.058。当岩屑粒径为5-10mm时，岩屑含量从0%增加到70%的过程中，水平扩散距离分别为36.5cm、36.5cm、35.8cm与35.8cm，历时分别为5800min、1249min、7424min与30 第4章岩石碎屑对土壤水分水平扩散的影响16min。在湿润峰前进过程中，最大速率分别为0.18cm/min、0.80cm/min、0.13cm/min与8.0cm/min；最小速率分别为0.0025cm/min、0.0167cm/min、0.0017cm/min与0.5000cm/min；平均速率为0.0294cm/min、0.0805cm/min、0.0186cm/min与2.4cm/min。与不含岩屑模拟进行比较发现，岩屑为30%、50%与70%模拟土的湿润峰前进的平均速率分别增大了2.74、0.63与81.77倍；与70%岩屑模拟土比较发现，0%、30%与50%模拟土的湿润峰前进的平均速率分别减小为70%岩屑模拟土的0.012、0.034与0.008。可以发现，对遂宁组模拟土而言当岩屑粒径为0.25-2mm时，水平扩散时间随着岩石碎屑含量的增加而减少而速率均值则增大；而对于2-5mm和5-10mm岩屑模拟土，平均速率均存在50%<0%<30%<70%的关系，即对于岩屑粒径为2-5mm和5-10mm的模拟土而言，扩散时间和速率并没有随着岩石碎屑的增加而增大，反而在50%含量时出现了逆转。对于30%和70%岩屑模拟土而言，随着岩屑粒径的增大，其扩散时间呈减小趋势而扩散速率均值出现增大趋势；而对于50%岩屑模拟土而言，扩散时间存在5-10mm>2-5mm>0.25-2mm，而扩散平均速率则反之。即当岩屑粒径增大时，对于30%和70%岩屑含量模拟土的扩散时间呈减小趋势而扩散均值出现增大趋势，而对于70%岩屑含量模拟土扩散时间和平均速率则出现相反趋势。另外通过对湿润锋前进速率与时间的关系图和湿润锋前进距离和时间的关系图进行拟合，发现两者之间呈幂函数关系，具体拟合情况见表4-5、4-6。同时，与飞仙关组进行比较发现，当岩屑粒径为0.25-2mm时遂宁组紫色泥岩发育土壤的水分扩散的最小速率及平均速率均大于飞仙关组紫色泥岩发育土壤，而对于岩屑粒径为2-5mm和5-10mm时则没有明显的变化趋势。表4-4遂宁组不同岩屑含量模拟土的湿润峰前进情况Table4-4ThewaterdiffusionofSuiningGroupsimulatedsoils前进速度cm/min岩屑粒径岩屑比例距离/cm历时/min最大值最小值均值0.25-20%36.558000.17500.00250.02940.25-230%37.528800.20000.00480.04810.25-250%35.57400.50000.01500.09860.25-270%38.52301.60000.09500.31530.25-2100%42.52610.0000.90002.34092-50%36.558000.17500.00250.02942-530%35.626900.40000.00330.04532-550%35.561400.40000.00110.02372-570%35.51032.80000.20000.41105-100%36.558000.17500.00250.02945-1030%36.512490.80000.01670.08055-1050%35.874240.12500.00170.01865-1070%35.8168.00000.50002.400031 西南大学硕士学位论文0%30%50%45(d)S0.25-270%100%403530L(cm)25距离2015105002000400060008000时间t(min)0%(e)S2-54030%30L(cm)距离2010002000400060008000时间t(min)0%30%40(f)S5-1050%70%3530L(cm)25距离2015105002000400060008000时间t(min)图4-3遂宁组不同岩屑含量模拟土的湿润峰前进距离与时间关系曲线Fig.4-3ThewaterdiffusionL-tcurvesofSuiningGroupsimulatedsoils32 第4章岩石碎屑对土壤水分水平扩散的影响表4-5遂宁组模拟土的湿润峰L-t拟合方程Table4-5EquationsofSuiningGroupsimulatedsoils’waterdiffusionL-tcurves岩屑粒径（mm）岩屑比例拟合公式R20.25-20%L=1.0731t0.39910.99360.25-230%L=1.382t0.40950.99130.25-250%L=2.6916t0.38630.99380.25-270%L=3.9193t0.40250.99190.25-2100%L=12.85t0.34060.99272-50%L=1.0731t0.39910.99362-530%L=1.9844t0.33610.93642-550%L=1.385t0.35220.93682-570%L=5.2937t0.37340.95675-100%L=1.0731t0.39910.99365-1030%L=1.6341t0.38290.97395-1050%L=1.4738t0.34320.95725-1070%L=8.0837t0.55880.99590.20.3S0.25-2-0％S0.25-2-30％0.20.1v(cm/min)v(cm/min)0.1速率速率0.00.00200040006000800001000200030004000时间t(min)时间t(min)0.62.0S0.25-2-50％S0.25-2-70％1.50.41.0v(cm/min)v(cm/min)0.2速率速率0.50.00.002004006008000100200300时间t(min)时间t(min)33 西南大学硕士学位论文12.00.2S0.25-2-100％S2-5-0％10.08.06.00.1v(cm/min)v(cm/min)4.0速率速率2.00.00.0010203002000400060008000时间t(min)时间t(min)0.50.5F2-5-30％F2-5-50％0.40.40.30.3v(cm/min)v(cm/min)0.20.2速率速率0.10.10.00.0010002000300002000400060008000时间t(min)时间t(min)3.00.2F2-5-70％S5-10-0％2.52.01.50.1v(cm/min)v(cm/min)1.0速率速率0.50.00.005010015002000400060008000时间t(min)时间t(min)1.00.2S5-10-30％S5-10-50％0.80.60.1v(cm/min)v(cm/min)0.4速率速率0.20.00.005001000150002000400060008000时间t(min)时间t(min)34 第4章岩石碎屑对土壤水分水平扩散的影响7.0S5-10-70％6.05.04.0v(cm/min)3.0速率2.01.00.005101520时间t(min)图4-4遂宁组不同岩屑含量模拟土的湿润峰前进速率曲线Fig.4-4Thewaterdiffusionv-tcurvesofSuiningGroupsimulatedsoils表4-6遂宁组不同岩屑含量模拟土的湿润峰v-t拟合方程Table4-6EquationsofSuiningGroupsimulatedsoils’waterdiffusionv-tcurves遂宁组v=at-b岩屑粒径岩屑比例abR20.25-20%0.33120.5410.96920.25-230%0.45090.5380.93870.25-250%0.97960.5870.95960.25-270%1.19660.4960.90240.25-2100%4.21370.5410.89292-50%0.33120.5410.96922-530%0.26790.4850.85732-550%0.17140.4770.82422-570%1.21320.4020.8455-100%0.33120.5410.96925-1030%0.41950.5020.80345-1050%0.20930.5140.87984.2模拟土的f()关系曲线θ为土壤容积含水量，λ为Boltzmann变换的参数，飞边关组紫色页岩与遂宁组紫色泥岩不同岩屑含量模拟土的θ~λ关系曲线分别如图4-5与图4-6所示，拟合方程分别见表4-7与表4-8。不同岩屑含量模拟土的θ~λ关系曲线的变化趋势一致。随着λ的增大，θ逐渐减小，最后保持吸湿含水量不变。同时，其关系曲线采用指数函数对扩散段曲线进行拟合，拟合结果较好。因此，在土壤含水量高于吸湿系数时，θ随着λ的增加呈指数减小。35 西南大学硕士学位论文0.60.6F0.25-2-0%F0.25-2-30%0.50.5)3)0.40.43/cm33/cm0.3(cm0.3θ(cmθ0.20.2实测值含水率实测值0.1拟合曲线0.1拟合曲线含水率0.00.00.00.10.20.3λ(cm/min1/2)0.00.10.20.30.4λ(cm/min1/2)0.60.6F0.25-2-50%F0.25-2-70%)0.5)0.533/cm0.43/cm0.43(cm0.3(cm0.3θθ0.20.2含水率含水率实测值0.1实测值0.1拟合曲线拟合曲线0.00.00.00.20.40.60.81.00.00.51.01.52.0λ(cm/min1/2)λ(cm/min1/2)0.60.6F2-5-0%F0.25-2-100%0.50.5)30.4)0.43/cm3/cm0.30.33(cmθ(cm0.2θ0.2实测值含水率0.1实测值0.1拟合曲线拟合曲线含水率0.00.00.00.10.20.3012λ3(cm/min41/2)567λ(cm/min1/2)0.3F2-5-30%0.3F2-5-50%)0.3)0.333/cm0.2/cm0.233(cm0.2(cm0.2θ拟合曲θ拟合曲0.1线0.1线实测点实测点含水率含水率0.10.10.00.00.00.5λ(cm/min1/2)1.01.50.00.2λ(cm/min0.41/2)0.60.836 第4章岩石碎屑对土壤水分水平扩散的影响0.3F0.6F5-10-0%2-5-70%0.50.3)3)0.43/cm0.233/cm0.3(cm0.2θ拟合曲线(cmθ0.20.1实测点实测值含水率0.1拟合曲线0.1含水率0.00.00.00.10.20.30.01.0λ2.0(cm/min3.01/2)4.05.0λ(cm/min1/2)0.30.3F5-10-50%F5-10-30%0.3))0.233/cm0.2/cm330.2(cm0.2(cmθ拟合曲线θ拟合曲线0.10.1实测点实测点含水率含水率0.10.10.00.00.00.2λ(cm/min0.41/2)0.60.80.00.5λ(cm/min1/2)1.01.50.3F5-10-70%)0.23/cm30.2(cmθ拟合曲线0.1实测点含水率0.10.00.02.0λ(cm/min4.01/2)6.08.0f()图4-5飞仙关组模拟土的关系曲线Fig.4-5Theθ-λcurvesofFeixianguanGroupsimulatedsoils’waterdiffusion37 西南大学硕士学位论文f()表4-7飞仙关组模拟土的关系曲线拟合公式Table4-7EqutionsofFeixianguanGroupsimulatedsoils’waterdiffusionθ-λcurvesθ=A1*e(-λ/t")+A2*e(-λ/t"")+y0岩屑范围（mm）比例R2y0A1t"A2t""0.25-20%0.5010-4.13E-04-0.0374-0.0004-0.03740.98840.25-230%0.5223-2.00E-12-0.0141-0.0225-0.15590.99440.25-250%0.4998-1.15E-16-0.0258-0.0059-0.27020.98270.25-270%0.5049-9.16E-17-0.0462-0.0127-0.63020.98260.25-2100%0.4852-2.76E-09-0.3318-0.0013-1.27150.96962-50%0.5010-4.13E-04-0.0374-0.0004-0.03740.98842-530%0.0730-7.63E-11-0.06080.18823.97720.87902-550%0.2666-1.10E-13-0.0196-0.0227-0.59780.98702-570%0.2258-1.37E-19-0.1073-1.33E-19-0.10720.91045-100%0.5010-4.13E-04-0.0374-0.0004-0.03740.98845-1030%0.2421-2.16E-5-0.0816-2.16E-5-0.08160.93915-1050%0.2276-3.45E-5-0.1303-8.24E-21-0.02390.96565-1070%0.2220-0.0055-3.5482-6.69E-16-0.20670.95730.60.6S0.25-2-0%S0.25-2-30%0.50.5))330.40.4/cm/cm33(cm0.3(cm0.3θθ0.20.2实测值实测值含水率0.1拟合曲线含水率0.1拟合曲线0.00.00.00.10.20.30.40.50.60.00.20.40.60.8λ(cm/min1/2)λ(cm/min1/2)0.60.6S0.25-2-50%S0.25-2-70%0.5)0.53)30.4/cm0.43/cm30.3(cm0.3(cmθθ0.20.2实测值0.1实测值含水率0.1拟合曲线含水率拟合曲线0.00.00.00.30.60.91.21.50.00.51.01.52.02.53.0λ(cm/min1/2)λ(cm/min1/2)38 第4章岩石碎屑对土壤水分水平扩散的影响0.6S0.25-2-100%0.6S2-5-0%0.50.53))30.40.43/cm/cm3(cm0.3(cm0.3θθ0.20.2实测值含水率0.1实测值含水率0.1拟合曲线拟合曲线0.00.001234567890.00.10.20.30.40.50.6λ(cm/min1/2)λ(cm/min1/2)0.3S2-5-30%0.3S2-5-50%0.253)0.25)3/cm0.23/cm0.230.15(cm0.15(cmθθ0.1拟合曲线拟合曲线0.10.05含水率实测点含水率实测点0.050000.20.40.60.800.20.40.6λ(cm/min1/2)λ(cm/min1/2)0.30.6S5-10-0%S2-5-70%0.5)0.3)330.43/cm0.2/cm3(cm0.2(cm0.3θθ拟合曲线0.20.1实测点实测值含水率0.1含水率0.1拟合曲线0.00.00.01.02.03.04.00.00.10.20.30.40.50.6λ(cm/min1/2)λ(cm/min1/2)0.3S5-10-30%0.25S5-10-50%0.253)3)0.2/cm0.2/cm330.150.15(cm(cmθθ拟合曲线0.1拟合曲线0.10.05含水率实测点0.05含水率实测点0000.30.60.91.200.10.20.30.40.5λ(cm/min1/2)λ(cm/min1/2)39 西南大学硕士学位论文0.2S5-10-70%)30.15/cm3(cm0.1θ拟合曲线0.05实测点含水率00510λ(cm/min1/2)图4-6遂宁组模拟土的f()关系曲线Fig.4-6Theθ-λcurvesofSuiningGroupsimulatedsoils’waterdiffusionf()表4-8遂宁组组模拟土的关系曲线拟合公式Table4-8EqutionsofSuiningGroupsimulatedsoils’waterdiffusionθ-λcurvesθ=A1*e(-λ/t")+A2*e(-λ/t"")+y0岩屑范围（mm）比例R2y0A1t"A2t""0.25-20%0.5291-0.00166-0.1232-8.32E-15-0.01550.98520.25-230%0.5609-0.05737-0.5862-3.88E-16-0.02070.98540.25-250%0.5051-0.01101-0.5122-3.43E-15-0.04130.98420.25-270%0.4692-6.40E-13-0.0995-6.40E-13-0.09950.98220.25-2100%0.5173-0.02513-4.7414-6.93E-15-0.25580.97502-50%0.5291-0.00166-0.1232-8.32E-15-0.01550.98522-530%0.2620-8.42E-11-0.0324-0.0120-0.49730.96332-550%0.1834-6.32E-6-0.04660.07190.23570.97072-570%0.2291-2.35E-19-0.0876-2.47E-19-0.08760.93405-100%0.5291-0.00166-0.1232-8.32E-15-0.01550.98525-1030%0.4045-0.1416-2.7462-9.05E-18-0.02800.97205-1050%0.2368-2.79E-10-0.0211-0.0266-0.36540.97375-1070%0.1753-1.55E-16-0.2630-1.05E-14-0.31960.88054.3模拟土的扩散速率(D)根据经验公式对不同岩屑含量模拟土的非饱和土壤水扩散率进行计算，结果如图4-7所示，其拟合方程见表4-9。从图中可以看出，对于同一岩屑粒径和比例模拟土，扩散率随着含水量的增加而增大，同时无论是飞仙关组模拟土还是遂宁组模拟土，当岩屑含量为0.25-2mm时，随着岩屑含量的增大，扩散率也呈现增大趋势；当岩石碎屑为2-5mm和5-10mm时，模拟土的含水量明显小于0.25-2mm岩石碎屑模拟土。同时随着岩屑比例的增加，对于飞仙关组5-10mm岩石碎屑模拟土出现扩散率逐渐增大的趋势，而对于2-5mm岩石碎屑模拟土而言，40 第4章岩石碎屑对土壤水分水平扩散的影响扩散率随着含水率增加出现70%>30%>50%>0%的关系；对于遂宁组模拟土而言，当岩石碎屑为2-5mm和5-10mm时，70%岩屑比例模拟土扩散率明显大于其余三个比例模拟土，而对于岩屑比例为30%和50%模拟土的扩散率变化曲线则没有明显的大于或者小于的趋势。对比飞仙关组紫色泥岩与遂宁组紫色页岩不同岩屑粒径和含量模拟土的扩散速率可以发现，在相同含水量下当岩石碎屑为0.25-2mm时，遂宁组模拟土的非饱和扩散率要普遍大于飞仙关组模拟土，且这种增大的趋势随着岩屑含量的增大而越明显；而当岩石碎屑粒径为2-5mm和5-10mm时，相同含水量下扩散率变化趋势则出现相反现象，即飞仙关组模拟土的非饱和扩散率要普遍大于遂宁组模拟土，且这种增大的趋势随着岩屑含量的增大而越明显。对于相同容重与岩屑含量下，其非饱和土壤水扩散率随着土壤含水量的增大而增大，两者之间的关系用幂函数进行拟合，其拟合效果较好。同时，拟合方程中，参数n与θs均随着岩屑含量的增加而逐渐减小。10010F0.25-21.3-0.01.3-0.01.3-0.3F2-51.3-0.3101.3-0.511.3-0.51.3-0.71.3-0.71.3-1.01/min)2/min)20.1(cm(cm0.1DD0.01扩散率0.01扩散率0.0010.0010.00010.00010.00.10.20.30.40.50.60.000.100.200.300.400.500.60含水量θ(cm3/cm3)含水量θ(cm3/cm3)100010001.3-0.0S0.25-21.3-0.0F5-101.3-0.31001.3-0.31001.3-0.51.3-0.51.3-0.7101.3-0.7101.3-1.0/min)2112/min)(cmD(cm0.10.1D0.01扩散率0.01扩散率0.0010.0010.00010.00010.000.100.200.3030.4030.500.600.00.10.20.30.40.50.6含水量θ(cm/cm)含水量θ(cm3/cm3)41 西南大学硕士学位论文101001.3-0.0S2-51.3-0.0S5-101.3-0.31.3-0.31011.3-0.51.3-0.51.3-0.71.3-0.710.12/min)2/min)0.1(cm0.01(cmDD0.010.001扩散率0.001扩散率0.00010.000100.10.20.30.40.50.600.10.20.30.40.50.6含水量θ(cm3/cm3)含水量θ(cm3/cm3)图4-7模拟土的土壤扩散曲线Fig.4-7Waterdiffusivityofsimulatedsoils表4-9模拟土的扩散率关系曲线拟合公式Table4-9Equationsofsimulatedsoils’waterdiffusivity飞仙关组遂宁组nnθθ岩屑范围（mm）比例DD0θR2DD0θR2ssD0nθsD0nθs0.25-20%0.2310.470.53680.96261.9821.5140.53320.99590.25-230%0.386.540.52180.99651.746.6640.52350.98270.25-250%6.0912.040.52010.988311.2710.8270.51800.99730.25-270%15.719.790.51890.99298.319.5870.51380.95600.25-2100%105.219.270.50770.9786267.198.2770.50640.98612-50%0.2310.470.53680.96261.9821.5140.53320.99592-530%17.544.400.48050.94815.784.600.47140.89382-550%6.605.120.46930.87281.963.720.44240.97692-570%43.984.280.45690.961613.383.690.43640.97215-100%0.2310.470.53680.96261.9821.5140.53320.99595-1030%7.664.730.48440.937518.164.800.46340.91295-1050%9.674.130.46220.962610.085.250.43660.96385-1070%2432.46.190.42850.8987477.784.430.41210.97294.4小结作为研究土壤水分运动规律必不可少的基本参数，非饱和土壤水分扩散率同样会因为土壤中岩屑的存在而表现出明显的差异。当土壤处于饱和状态时，土体中的孔隙充满水分，水分42 第4章岩石碎屑对土壤水分水平扩散的影响运动呈连续性水流，其导水率的值最大；而当土壤处于非饱和状态时，土体中的部分孔隙为空气所占据，致使横截面积的导水部分相应减小。当土壤颗粒组成与结构不变时，饱和导水率为常数，而非饱和导水率随着含水量的减小而迅速降低[104]。已有研究表明土壤水分扩散率与土壤含水量呈指数函数关系，且土壤含水量相同时，有机质含量越高，土壤水分扩散率越小[105]。以往的研究均表明，土壤的颗粒组成、结构与孔隙特征是影响土壤扩散特性非常重要的因素。本文研究结果表明，不同岩屑含量模拟土的非饱和扩散湿润峰前进的速率随着时间的增加逐渐减缓，且湿润峰随前进的累计距离与速率均与时间成幂函数关系；其非饱和土壤扩散率与土壤含水量也成幂函数关系。对于飞仙关模拟土和遂宁组模拟土当岩屑含量为0.25-2mm时，随着岩屑含量的增大，扩散率也呈现增大趋势；当岩石碎屑为2-5mm和5-10mm时，模拟土的含水量明显小于0.25-2mm岩石碎屑模拟土。同时随着岩屑比例的增加，对于飞仙关组5-10mm岩石碎屑模拟土出现扩散率逐渐增大的趋势，而对于2-5mm岩石碎屑模拟土而言，扩散率随着含水率增加出现70%>30%>50%>0%的关系；对于遂宁组模拟土而言，当岩石碎屑为2-5mm和5-10mm时，70%岩屑比例模拟土扩散率明显大于其余三个比例模拟土，而对于岩屑比例为30%和50%模拟土的扩散率变化曲线则没有明显的大于或者小于的趋势。对比飞仙关组紫色泥岩与遂宁组紫色页岩不同岩屑粒径和含量模拟土的扩散速率可以发现，在相同含水量下当岩石碎屑为0.25-2mm时，遂宁组模拟土的非饱和扩散率要普遍大于飞仙关组模拟土，且这种增大的趋势随着岩屑含量的增大而越明显；而当岩石碎屑粒径为2-5mm和5-10mm时，相同含水量下扩散率变化趋势则出现相反现象。因此，紫色粘土岩发育的土壤中，岩屑含量的增加能够显著提高土壤非饱和扩散率。同时随着粒径的增大，对于紫色页岩发育土壤和紫色泥岩发育土壤的非饱和扩散率也存在不同的影响。43 西南大学硕士学位论文44 第5章岩石碎屑对土壤水分垂直渗透的影响第5章岩石碎屑对土壤水分垂直渗透的影响土壤、特别是表层土壤在水文循环中起着及其重要的作用。降雨入渗、地表径流、地表蒸发和植物蒸腾、土壤中水分的动态储蓄和深层渗漏等，都是以土壤为介质不断地发生和互相转化的[106]。自然界中的水的这种循环和互相转换是一个不断演变的连续过程，对其中各个部分进行单独的研究对认识土壤水分运动这一复杂的现象是有帮助的，同时也为按各环节的自然联系进行综合研究创造了条件。入渗是指水分进入土壤的过程，这是自然界水循环中的一个重要环节[107]。水文学中研究地表产流问题，农田水利学中研究灌溉或降雨后土壤水分的分布问题，水资源评价中研究降雨对浅层地下水的补给问题，农业及环境学研究化肥、农药及污染物随水分迁移的问题等，都要涉及到土壤水分入渗，因此，入渗过程的研究无疑剧透重要的实用价值。土壤的渗透性能是土壤重要的水力学性质之一，它与土壤质地、结构、孔隙度、通令度、有机质含量有关。渗透性能良好的土壤，在一定的降雨强度和灌溉条件下，水分可完全进入土壤储存起来或者变为土内径流；而渗透性差的土壤，则易形成地表径流，使水分损失[108]。定量地研究渗透性与其物理性质的关系，不仅对于解决许多专业部门，如农业、土壤改良、水利等方面的实际问题是必须的，而且对森林土壤可以水量平衡、洪水及土壤侵蚀控制与预损的研究等提供必要的科学依据。本部分通过环刀法，对两种模拟土的渗透量、渗透速率、及导水性进行分析，对比解释岩石碎屑对两种紫色粘土岩导水性能的作用机制。5.1飞仙关组模拟土垂直入渗情况由表5-1可知，对于飞仙关模拟土而言，当岩屑粒径为0.25-2mm时，岩屑含量从0%增加到100%的过程中，渗出水总量依次为10.31ml、78.99ml、132.5ml、337.63ml与703.74ml，历时分别为720min、780min、880min、660min与50min。在垂直渗透过程中，最大速率分别为0.0100mm/min、0.0673mm/min、0.1150mm/min、0.4100mm/min与10.4800mm/min；最小速率分别为0.0052mm/min、0.0200mm/min、0.0649mm/min、0.1882mm/min与3.5200mm/min；平均速率为0.0070mm/min、0.0509mm/min、0.0814mm/min、0.2952mm/min与7.0981mm/min。与不含岩屑模拟进行比较发现，岩屑为30%、50%、70%与100%模拟土的湿润峰前进的平均速率分别增大了7.27、11.63、42.17与1014.01倍；与全岩屑比较发现，0%、30%、50%与70%模拟土的湿润峰前进的平均速率分别减小为全岩屑模拟土的0.0010、0.0072、0.0115与0.0416。当岩屑粒径为2-5mm时，岩屑含量从0%增加到100%的过程中，渗出水总量依次为10.31ml、67.92ml、215.41ml、405.65ml与926.83ml，历时分别为720min、580min、790min、550min与50min。在垂直渗透过程中，最大速率分别为0.0100mm/min、0.0622mm/min、0.2000mm/min、0.5810mm/min与32.5400mm/min；最小速率分别为0.0052mm/min、0.0400mm/min、0.1067mm/min、0.2915mm/min与8.1700mm/min；平均速率为0.0070mm/min、0.0553mm/min、0.1439mm/min、0.4234mm/min与9.5892mm/min。与不含岩屑模拟进行比较发现，岩屑为30%、50%、70%与100%模拟土的湿润峰前进的平均速率分别增大了7.9、20.56、60.49与1369.89倍；与全岩屑比较发现，0%、30%、50%与70%模拟土的湿润峰前进的平均速率分别减小为全45 西南大学硕士学位论文岩屑模拟土的0.0007、0.0058、0.0150与0.0442。当岩屑粒径为5-10mm时，岩屑含量从0%增加到100%的过程中，渗出水总量依次为10.31ml、76.71ml、405.65ml、195.96ml与702.88ml，历时分别为720min、660min、550min、200min与30min。在垂直渗透过程中，最大速率分别为0.0100mm/min、0.1070mm/min、0.5810mm/min、3.0650mm/min与30.5600mm/min；最小速率分别为0.0052mm/min、0.0458mm/min、0.2915mm/min、0.3740mm/min与8.0700mm/min；平均速率为0.0070mm/min、0.0722mm/min、0.4234mm/min、0.7174mm/min与12.3168mm/min。与不含岩屑模拟进行比较发现，岩屑为30%、50%、70%与100%模拟土的湿润峰前进的平均速率分别增大了10.31、60.48、102.48与1759.54倍；与全岩屑比较发现，0%、30%、50%与70%模拟土的湿润峰前进的平均速率分别减小为全岩屑模拟土的0.0005、0.0059、0.0344与0.0582。可以发现，对于飞仙关组模拟土而言，水分渗出量随着时间的增加出现先增加后减少最后逐渐稳定的现象，同时渗透速率也是随着时间的迁移出现开始波动然后逐渐稳定的现象。同时随着岩石碎屑含量和粒径的增大，飞仙关组模拟土的平均渗透速率呈现增大趋势。因此，飞仙关组紫色页岩不同岩屑含量模拟土的入渗速率随着岩屑含量的增大而增大，同时岩屑粒径越大，其入渗速率也越大。表5-1飞仙关组模拟土的垂直入渗情况Table5-1ThewaterinfiltrationofFeixianguanGroupsimulatedsoils渗透速率cm/min岩屑粒径岩屑比例渗出水总量（mm）历时/min最大值最小值均值0.25-20%10.317200.01000.00520.00700.25-230%78.997800.06730.02000.05090.25-250%132.58800.11500.06490.08140.25-270%337.636600.41000.18820.29520.25-2100%703.745010.48003.52007.09812-50%10.317200.01000.00520.00702-530%67.925800.06220.04000.05532-550%215.417900.20000.10670.14392-570%405.655500.58100.29150.42342-5100%926.835032.54008.17009.58925-100%10.317200.01000.00520.00705-1030%76.176600.10700.04580.07225-1050%405.655500.58100.29150.42345-1070%195.962003.06500.37400.71745-10100%702.883030.56008.070012.316846 第5章岩石碎屑对土壤水分垂直渗透的影响180%30%(a)F0.25-250%70%16100%1412Q(mL)10渗出量8642002004006008001000时间t(min)350%30%(b)F2-550%70%30100%25Q(mL)20渗出量15105002004006008001000时间t(min)350%30%(c)F5-1050%70%30100%25Q(mL)20渗出量1510500200400600800时间t(min)图5-1飞仙观组模拟土的渗出量与时间关系曲线Fig.5-1ThewaterinfiltrationQ-tcurvesofFeixianguanGroupsimulatedsoils47 西南大学硕士学位论文0.010F0.25-2-0％0.08F0.25-2-30％0.0080.060.0060.040.004v(mm/min)0%v(mm/min)30%速率0.02速率0.0020.0000.00020040060080005001000时间t(min)时间t(min)0.140.5F0.25-2-50％F0.25-2-70％0.120.40.100.080.30.06v(mm/min)50%v(mm/min)0.270%0.04速率速率0.10.020.000.0050010000200400600800时间t(min)时间t(min)12.00.010F2-5-0％F0.25-2-100％10.00.0088.00.0066.0v(mm/min)100%0.004v(mm/min)0%4.0速率速率0.0022.00.00.00002040600200400600800时间t(min)时间t(min)0.080.3F2-5-30％F2-5-50％0.060.20.04v(mm/min)30%v(mm/min)50%0.10.02速率速率0.000.0020040060080005001000时间t(min)时间t(min)48 第5章岩石碎屑对土壤水分垂直渗透的影响0.716.0F2-5-70％F2-5-100％0.614.012.00.510.00.48.0v(mm/min)0.370%v(mm/min)100%6.0速率0.2速率4.00.12.00.00.002004006000204060时间t(min)时间t(min)0.010F5-10-0％0.2F5-10-30％0.0080.0060.10.004v(mm/min)0%v(mm/min)30%速率速率0.0020.0000.002004006008000200400600800时间t(min)时间t(min)0.42.5F5-10-50％F5-10-70％2.00.31.50.2v(mm/min)50%v(mm/min)1.070%速率0.1速率0.50.00.002004006000100200300时间t(min)时间t(min)35.0F5-10-100％30.025.020.015.0v(mm/min)100%10.0速率5.00.0010203040时间t(min)图5-2飞仙关组模拟土的入渗速率曲线Fig.5-2Thewaterinfiltrationv-tcurvesofFeixianguanGroupsimulatedsoils5.2遂宁组模拟土垂直入渗情况由表5-2可知，对于遂宁组模拟土而言，当岩屑粒径为0.25-2mm时，岩屑含量从0%增加到100%的过程中，渗出水总量依次为7.56ml、122.89ml、405.38ml、1064.66ml与2379.02ml，历时分别为720min、600min、700min、680min与100min。在垂直渗透过程中，最大速率分别为0.0065mm/min、0.1950mm/min、0.3453mm/min、2.2100mm/min与16.7550mm/min；最小49 西南大学硕士学位论文速率分别为0.0032mm/min、0.0853mm/min、0.1350mm/min、0.6910mm/min与9.8850mm/min；平均速率为0.0052mm/min、0.1132mm/min、0.2630mm/min、0.9732mm/min与11.8951mm/min。与不含岩屑模拟进行比较发现，岩屑为30%、50%、70%与100%模拟土的湿润峰前进的平均速率分别增大了21.77、50.58、187.15与2287.52倍；与全岩屑比较发现，0%、30%、50%与70%模拟土的湿润峰前进的平均速率分别减小为全岩屑模拟土的0.0004、0.0095、0.0221与0.0818。当岩屑粒径为2-5mm时，岩屑含量从0%增加到100%的过程中，渗出水总量依次为7.56ml、176.02ml、417.88ml、1650.67ml与3488.15ml，历时分别为720min、720min、730min、700min与95min。在垂直渗透过程中，最大速率分别为0.0065mm/min、0.3000mm/min、0.8700mm/min、11.4600mm/min与64.4444mm/min；最小速率分别为0.0032mm/min、0.0930mm/min、0.2148mm/min、0.8205mm/min与8.9200mm/min；平均速率为0.0052mm/min、0.1393mm/min、0.3791mm/min、1.4852mm/min与18.3089mm/min。与不含岩屑模拟进行比较发现，岩屑为30%、50%、70%与100%模拟土的湿润峰前进的平均速率分别增大了26.79、72.90、285.62与3520.94倍；与全岩屑比较发现，0%、30%、50%与70%模拟土的湿润峰前进的平均速率分别减小为全岩屑模拟土的0.0003、0.0076、0.0207与0.0811。当岩屑粒径为5-10mm时，岩屑含量从0%增加到100%的过程中，渗出水总量依次为7.56ml、232.42ml、475.01ml、977.01ml与2411.18ml，历时分别为720min、860min、750min、230min与50min。在垂直渗透过程中，最大速率分别为0.0065mm/min、0.1650mm/min、0.7700mm/min、7.0200mm/min与43.6900mm/min；最小速率分别为0.0032mm/min、0.1147mm/min、0.2488mm/min、1.1145mm/min与19.7700mm/min；平均速率为0.0052mm/min、0.1447mm/min、0.4049mm/min、2.8802mm/min与24.1118mm/min。与不含岩屑模拟进行比较发现，岩屑为30%、50%、70%与100%模拟土的湿润峰前进的平均速率分别增大了27.83、77.86、553.88与4636.88倍；与全岩屑比较发现，0%、30%、50%与70%模拟土的湿润峰前进的平均速率分别减小为全岩屑模拟土的0.0002、0.0060、0.0168与0.1195。可以发现，对于遂宁组模拟土而言，水分渗出量随着时间的增加出现先增加后减少最后逐渐稳定的现象，同时渗透速率也是随着时间的迁移出现开始波动然后逐渐稳定的现象。随着岩石碎屑含量和粒径的增大，遂宁组模拟土的平均渗透速率呈现增大趋势。因此，遂宁组紫色泥岩岩不同岩屑含量模拟土的入渗速率随着岩屑含量的增大而增大，岩屑粒径越大，其入渗速率也越大。另外，与飞仙关组模拟土进行比较发现，在相同岩屑含量下，遂宁组模拟土的入渗平均速率大于飞仙关组模拟土，即紫色页岩模拟土的入渗速率要明显小于遂宁组紫色泥岩模拟土的入渗速率。50 第5章岩石碎屑对土壤水分垂直渗透的影响表5-2遂宁组模拟土垂直入渗情况Table5-2ThewaterinfiltrationofSuiningGroupsimulatedsoils渗透速率cm/min岩屑粒径岩屑比例渗出水总量（mL）历时/min最大值最小值均值0.25-20%3.787200.00650.00320.00520.25-230%122.896000.19500.08530.11320.25-250%405.387000.34530.13500.26300.25-270%1064.666802.21000.69100.97320.25-2100%2379.0210016.75509.885011.89512-50%7.567200.00650.00320.00522-530%176.027200.30000.09300.13932-550%417.887300.87000.21480.37912-570%1650.6770011.46000.82051.48522-5100%3488.159564.44448.920018.30895-100%7.567200.00650.00320.00525-1030%232.428600.16500.11470.14475-1050%475.017500.77000.24880.40495-1070%977.012307.02001.11452.88025-10100%2411.185043.690019.770024.11180%30%40(d)S0.25-250%70%35100%30Q(mL)2520渗出量1510500200400600800时间t(min)51 西南大学硕士学位论文600%30%(e)S2-550%70%50100%40Q(mL)30渗出量201000200400600800时间t(min)500%30%(f)S5-1050%70%45100%4035Q(mL)3025渗出量2015105002004006008001000时间t(min)图5-3遂宁组模拟土的渗出量与时间关系曲线Fig.5-3ThewaterinfiltrationQ-tcurvesofSuiningGroupsimulatedsoils0.0080.3S0.25-2-0％S0.25-2-30％0.0070.0060.20.0050.0040%v(mm/min)30%0.10.003速率v(mm/min)0.002速率0.0010.002004006008000200400600800时间t(min)时间t(min)52 第5章岩石碎屑对土壤水分垂直渗透的影响0.42.5S0.25-2-50％S0.25-2-70％2.00.31.50.2v(mm/min)50%v(mm/min)1.070%速率0.1速率0.50.00.002004006008000200400600800时间t(min)时间t(min)18.00.008S0.25-2-100％S2-5-0％0.00716.00.00614.00.00512.0v(mm/min)100%0.0040%速率0.00310.0v(mm/min)0.0028.0速率0.0010501001500200400600800时间t(min)时间t(min)0.41.0S2-5-30％0.9S2-5-50％0.80.30.70.60.20.5v(mm/min)30%v(mm/min)0.450%0.3速率0.1速率0.20.10.00.002004006008000200400600800时间t(min)时间t(min)6.030.0S2-5-70％S2-5-100％25.04.020.0v(mm/min)70%15.0v(mm/min)100%2.0速率速率10.00.05.00200400600800050100时间t(min)时间t(min)0.0080.2S5-10-0％S5-10-30％0.0070.0060.0050.0040%v(mm/min)30%0.003速率v(mm/min)0.002速率0.0010.1020040060080005001000时间t(min)时间t(min)53 西南大学硕士学位论文0.98.0S5-10-50％S5-10-70％0.87.00.76.00.65.00.54.0v(mm/min)0.450%v(mm/min)70%3.00.3速率0.2速率2.00.11.00.00.002004006008000100200300时间t(min)时间t(min)35.0S5-10-100％30.025.0v(mm/min)100%20.0速率15.00204060时间t(min)图5-4遂宁组模拟土的入渗速率曲线Fig.5-4Thewaterinfiltrationv-tcurvesofSuiningGroupsimulatedsoils5.3小结土壤的渗透性能是土壤重要的水力学性质之一，它与土壤质地、结构、孔隙度、有机质含量有关。渗透性能良好的土壤，在一定的降雨强度和灌溉条件下，水分可完全进入土壤储存起来或者变为土内径流；而渗透性差的土壤，则易形成地表径流，使水分损失。李雪垠[109]等通过对采用室内模拟土柱垂直入渗试验得出，紫色土中砾石夹层的存在对水分入渗产生了深刻的影响。不透水的砾石介质在增大非毛管孔隙的同时也会减小过水断面，从而降低有效孔隙度，并增加孔隙弯曲程度。在相同砾石粒径下，累积入渗量、初始入渗率、平均入渗率和稳定入渗率都随砾石含量的增加而减小，但稳定入渗历时与之相反。随着砾石粒径的增大，砾石夹层对湿润锋的阻碍作用减小。赵文举[110]等通过对西北旱去砂地土壤研究发现，砂粒覆盖能防止土壤结皮、增加孔隙，从而促进水分入渗。上述研究均表明，土壤的颗粒组成、结构与孔隙特征是影响土壤扩散特性与导水特性的非常重要的因素。本文研究结果表明，不同岩屑含量和粒径模拟土渗透水量速率随着时间的增加出现先上下波动随后逐渐稳定的现象。同时，随着岩石碎屑粒径的增大和比例的增多，其渗透速率呈现增大的趋势。因此，紫色粘土岩发育的土壤中，岩石碎屑的存在能显著提高土壤水分入渗速率，同时入渗速率与岩石碎屑含量和粒径呈现正相关关系。54 第6章结论与展望第6章结论与展望6.1主要结论在紫色粘土岩发育土壤中，存在大量的母岩碎屑物，这些碎屑称为岩石碎屑。而这些岩石碎屑的存在改变了土壤颗粒特征，影响了土壤的水文过程，进而对土壤的水力学行为产生了非常重要的影响，本研究以0.25-2mm、2-5mm、5-10mm岩石碎屑为切入点，通过对比分析三叠系飞仙关组紫色页岩模拟土与侏罗系遂宁组紫色泥岩模拟土的水分特征曲线、水分扩散性与水分入渗等内容，探讨含岩石碎屑对紫色粘土岩发育土壤水力学过程的作用机制。主要研究结果如下：（1）岩屑能够降低土壤的持水能力土壤中岩屑含量越高，水分特征曲线越靠左，其持水能力越弱，越易释放出水分。无论是紫色页岩模拟土还是紫色泥岩模拟土，其饱和含水量、田间持水量及吸湿系数均随着岩屑含量的增加而降低；对于土壤水分特征曲线而言，随着土壤吸力的增大，土壤含水量逐渐减小，对于同一粒径岩屑，随着岩屑含量的增加，整个脱水过程均存在岩屑含量越高，在相同土壤吸力下的含水量就越小。因此，紫色粘土岩发育的土壤中，岩屑能够显著降低土壤的持水能力。（2）岩屑能提高土壤的扩散性不同岩屑含量模拟土的非饱和扩散湿润峰前进的速率随着时间的增加逐渐减缓，对于飞仙关模拟土和遂宁组模拟土当岩屑含量为0.25-2mm时，随着岩屑含量的增大，扩散率也呈现增大趋势；当岩石碎屑为2-5mm和5-10mm时，模拟土的含水量明显小于0.25-2mm岩石碎屑模拟土。随着岩屑比例的增加，对于飞仙关组5-10mm岩石碎屑模拟土出现扩散率逐渐增大的趋势，而对于2-5mm岩石碎屑模拟土而言，扩散率随着含水率增加出现70%>30%>50%>0%的关系；但是对于遂宁组模拟土而言，当岩石碎屑为2-5mm和5-10mm时，70%岩屑比例模拟土扩散率明显大于其余三个比例模拟土，而对于岩屑比例为30%和50%模拟土的扩散率变化曲线则没有明显的大于或者小于的趋势。因此，紫色粘土岩发育的土壤中，岩屑含量的增加能够显著提高土壤非饱和扩散率。（3）岩屑能提高土壤的入渗性能不同岩屑含量和粒径模拟土渗透水量速率随着时间的增加出现先上下波动随后逐渐稳定的现象，同时随着岩石碎屑粒径的增大和比例的增多其渗透速率呈现增大的趋势。因此，紫色粘土岩发育的土壤中，岩石碎屑的存在能显著提高土壤水分入渗性能，同时入渗速率与岩石碎屑含量和粒径呈现正相关关系。（4）母岩性质影响了紫色泥岩与紫色页岩土壤的水力学特性紫色粘土岩均容易风化成土，但由于母岩沉积类型的不同，其风化速率与成土速率上遂宁组紫色泥岩均要显著高于飞仙关组紫色页岩。总体而言，遂宁组紫色泥岩相较于飞仙关紫色页55 西南大学硕士学位论文岩，其孔隙面积占比较大，在基础理化特性上，紫色页岩的粘粒较紫色泥岩要高，紫色页岩岩石碎屑较紫色泥岩岩屑质地更加坚硬。正是由于上述诸多基础特性的差异，就决定紫色页岩土壤与紫色泥岩土壤之间的水力学行为特性有着明显的不同，主要表现为在相同的岩屑粒径和含量下，紫色页岩土壤较紫色泥岩土壤，其持水能力更强，扩散性与渗透性较差。6.2展望目前，大量的研究集中在砾石对土壤水力学特性的影响，在紫色粘土岩发育的自然土壤中存在相当一部分岩石碎屑，这些岩石碎屑的特性与砾石完全不同，关于土壤岩石碎屑的研究并没有引起广大学者的注意，这些岩石碎屑能够改变土壤物理、化学和水文特性，诸如结构、质地、含水量、渗透速率、敏感性和径流等，本文虽然从岩屑粒径和含量的变化对水力学过程进行了探讨，但是远远不够系统和深入，例如本研究中对于岩石碎屑模拟土水分扩散部分的研究发现，土壤水分扩散速率与岩石碎屑粒径和比例并非成完全正相关关系，以往有学者研究发现砾石对土壤水分入渗过程有正负两方面的影响并存在一个阈值，所以可以通过改进实验方案进一步确定岩石碎屑含量对水文过程的影响。岩石碎屑作为土壤中先天性团聚体，其存在将直接影响土壤各方面的性质以及作物的生长。因此，明确土壤中岩石碎屑对土壤的水、热、气、肥特性的作用机理，有助于土壤资源的可持续利用。56 参考文献参考文献[1]ChaneyR,DemarsK,VanapalliS,etal.Therelationshipbetweenthesoil-watercharacteristiccurveandtheunsaturatedshearstrengthofacompactedglacialtill[J].GeotechnicalTestingJournal,1996,19(3):259-268.[2]胡浩云,刘萌萌,吴永胜.毛乌素沙地南缘沙区不同类型地表水分特征曲线测定与分析[J].科学技术与工程,2015,15(8):23-28.[3]侯晓坤,李同录,谢萧,等.甘肃Q3原状黄土的微观结构对其土-水特征曲线的影响[J].水利学报,2016,47(10):1307-1314.[4]胡传旺,王辉,刘常,等.南方典型土壤水力特征差异性分析[J].水土保持学报,2017,31(2):97-102.[5]高冰可,周微,袁志华,等.不同母质红壤测定土壤水分特征曲线的最适离心时间探讨[J].浙江农业科学,2018,59(1):110-112.[6]王红兰,唐翔宇,鲜青松,等.紫色土水分特征曲线室内测定方法的对比[J].水科学进展,2016,27(2):240-248.[7]付晓莉.土壤水分特征曲线测定过程中的压实效应研究[D].西北农林科技大学,2007.[8]金建新,桂林国,尹志荣,等.宁夏典型土壤持水性能及收缩特征[J].水土保持研究,2017,24(4):279-283.[9]邢旭光,马孝义.土壤失水过程对土体收缩特性的影响[J].农业机械学报,2016,47(6):148-153.[10]BrooksRH,CoreyAT.Hydraulicpropertiesofporousmedium[D].HydrologypaperNo.3,Civ.Engrg.Dept.,ColoradoStateUniv.,FortCollins,Colo.,1964.[11]GardnerWR,HillelD,BenyaminiY.Post-irrigationmovementofsoilwater:2.Simultaneousredistributionandevaporation[J].WaterResourcesResearch,1970,6(4):1148-1153.[12]CampbellGS.Asimplemethodfordeterminingunsaturatedconductivityfrommoistureretentiondata[J].SoilScience,1974,117(6):311-314.[13]VanGenuchtenMT.Aclosed-formequationforpredictingthehydraulicconductivityofunsaturatedsoils[J].SoilScienceSocietyofAmericaJournal,1980,44(5):892-898.[14]AryaLM,LeijFJ,vanGenuchtenMT,etal.Scalingparametertopredictthesoilwatercharacteristicfromparticle-sizedistributiondata[J].SoilScienceSocietyofAmericaJournal,1999,63(3):510-519.[15]黄晓波,高冰可.土壤水分特征曲线研究综述[J].农技服务,2016,33(4):22-23.[16]李开元,李玉山.土壤水分特征曲线的意义及其应用[J].陕西农业科学,1991(4):47-48.[17]雷志栋.土壤水动力学[M].清华大学出版社,1988.[18]徐绍辉,刘建立.估计不同质地土壤水分特征曲线的分形方法[J].水利学报,2003,34(1):78-82.57 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致谢致谢光阴似箭日月如梭，硕士研究生三年就这样很快就过去了，首先很感谢我父母对我的养育之恩，让我健康快乐的长大成人！其次研究生期间能够顺利毕业最重要的是感谢我的导师魏朝富研究员，感谢魏朝富研究员在我研究生学业各阶段都给与了我很多的指导和帮助，本论文也是在魏朝富研究员悉心指导下完成，魏朝富研究员在我眼里是一位十分和蔼可亲的老师，我觉得自己能在研究生期间作为魏朝富研究员的学生感到超级开心和幸运！本研究论文的完成还要特别感谢钟守琴师姐，无论是在实验过程中还是毕业论文的撰写上，都离不开钟守琴师姐的悉心指导和帮助！谨以此论文完成之际，我还要特别感谢我的男朋友宁越，由衷感谢他在我生活和学习上的帮助，还有在我情绪低落的时候给与我鼓励，十分开心能和我男朋友宁越相遇！特别感谢我可爱的室友樊晶晶、李玖燃、吴英博，在研究生学习生活期间的相互扶持与帮助！特别感谢刘伟平师兄、雷平师姐、廖仕梅、王婕、韩珍、连茂山、张国栋、唐嘉鸿、何灿、苏敏、李江文在学习和论文实验上的帮助！感谢刘娟师姐、樊芳玲师姐、张彤师姐、曹晓腾师兄、陈心佩师姐、黄邦玮师兄、阎叙酉师姐、邓瑶师姐、丁长欢师姐、阳丹萍师姐、左烽林师姐、唐江师姐、曾漫漫、陈林、翁昊露在学习上的帮助，也感谢你们让我度过欢乐的实验室生活！衷心感谢樊芳玲师姐、雷平师姐、张彤师姐、刘伟平师兄、张国栋、王婕、廖仕梅、连茂山、何灿、唐嘉鸿、苏敏、李江文、曾漫漫、陈林、韩珍、在学习和论文实验上的帮助，也感谢你们让我的度过欢乐的实验室生活！感谢所有关心和帮助我的亲人朋友，很开心马上就毕业啦！冉卓灵2018年3月2863 西南大学硕士学位论文64 致谢发表论文及参与课题硕士期间发表论文1.冉卓灵,钟守琴,刘波,魏朝富.紫色页岩发育土壤的颗粒特性及其对抗剪强度的作用机制[J].土壤,2018.(A2)（录用待刊）2.左烽林,钟守琴,冉卓灵,魏朝富.紫色土丘陵区新改土坡面产流产沙及水动力学参数特征[J].水土保持学报,2018,32(1):59-66.硕士期间参与课题1．国家科技支撑计划课题：“中低产田改造及其地力提升关键技术（2012BAD05B06）”。2．国家科技支撑计划课题：“乡村土地流转与资源整合关键技术示范（2013BAJ11B02）”。65'