天然花岗岩残积土大孔隙水分迁移特征的染色示踪试验

蔡沛辰，阙云，李显

(福州大学土木工程学院，福建 福州 350108)

0 引言

花岗岩残积土主要分布于我国东南沿海地区，具有孔隙比大、扰动性强等特点[1]. 除自身存在孔隙外，受动植物孔隙、土壤干湿、冻融循环等影响，使土壤内分布着许多大孔隙，且大孔隙的存在导致水流绕过大部分基质土壤，快速到达土壤深层，即产生大孔隙流[2]，并常伴有边坡失稳、渗透变形等不利影响. 因此，揭示天然边坡土体内大孔隙水分迁移特征对预防灾害发生具有重要意义.

目前，大孔隙流的研究方法主要有数值模拟和宏观试验两种. 在数值模拟研究方面，如吴继强[3]采用Hydrus2D软件模拟了不同深度大孔隙土壤水分渗流情况； Stump等[4]采用Hydrus1D和DM模拟降雨条件下大孔隙土柱的水分运移，得出了优先流对出流通量的贡献率. 虽然数值模拟研究方法可以对大孔隙渗流机理进行研究，但模拟结果可信度仍有待进一步验证，同时数值模拟研究大都有假设条件，与真正的大孔隙水分运移存在一定差距[5]. 近年来，宏观试验在大孔隙流方面的研究主要集中于土壤水分穿透曲线(breakthrough curve，BTC)、渗透仪和染色示踪等方法. 如： ① 基于土壤水分穿透曲线. Li等[6]通过研究人造大孔隙土体的穿透曲线，表明细质结构土壤更易发生优先流. ② 基于渗透仪法. Cey等[7]尝试将张力入渗仪与染色示踪结合起来，发现了-3 cm进水压力是产生大孔隙流的临界水头. ③ 基于染色示踪方法. Wang等[8]分别采用亮蓝和淀粉-碘化钾染剂研究了土壤大孔隙流水分迁移情况； 曾强等[9]研究了不同植被区域土体剖面大孔隙流分布范围及分化程度； 吕捷等[10]研究了降雨条件下边坡土体内大孔隙优势流的空间响应规律. 综上所述，目前土体内部孔隙水分迁移特征研究方法中最为直接、广泛的是染色示踪法，该方法优点在于能够直观展现水分在孔隙中的渗流路径[11-12]. 上述相关研究已取得了丰硕成果，但多侧重于室内大孔隙渗流的研究，一方面所采用的原状土柱或重塑土代表性低且取样、运输过程势必产生扰动，特别是扰动性强的花岗岩残积土，会致使试验精度欠佳； 另一方面，试验所用土柱长度有限，与实际孔隙结构有一定差异，对实践不能起到很好的指导意义.

鉴于此，本研究以天然坡地花岗岩残积土为对象，借助亮蓝染色剂开展大孔隙水分迁移入渗试验，观察原生态土体大孔隙发育节理特征及水分入渗情况，直观展现各剖面孔隙区域内的水分渗流分布情况，并分析大孔隙渗流特征. 该研究可为土体大孔隙水分迁移数值模拟中孔隙与基质域的边界条件设定提供借鉴，并可进一步丰富冲刷型滑坡理论基础并预防灾害产生.

1 试验与图像处理

1.1 试验场地

图1 试验场地Fig.1 Field sampling

试验场地选取福州市闽侯县某地植被茂密的花岗岩残积土坡，位于我国东南沿海地带，属亚热带海洋性季风气候，雨量充沛，年平均降雨量800 mm以上[13]，试验区坡地表层含有杂草，坡度较缓，对表层以下40 cm范围内含大孔隙发育带的土体大孔隙水分迁移特征进行研究. 试验现场如图1所示. 为防止残积土大孔隙发育的空间变异性对试验结果产生影响，选取间隔10 m以上的两处场地同时进行染色示踪试验. 此外，对所选场地的土体进行基本土工试验，结果如表1、2所示.

表1 基本物理参数

表2 粒度分布

1.2 试验方法

图2 试验区域挖掘Fig.2 Excavation of test area

染色示踪法是常用于研究土壤水分迁移的方法[14]，具有快速、廉价、能准确显示水分渗流路径等优点. 如图2所示为试验区域挖掘现场，试验前，将两个试验区域位置周围的土挖出，保留核心部分土体，然后将中间预留的土体用削土刀慢慢削成尺寸为15 cm×15 cm×40 cm. 试验采用压力式喷壶将染色剂喷淋在土体的表面，考虑到在喷淋过程中染色溶液可能外溢、试样表面低凹处可能出现积水等情况影响试验结果，在试验开始前采用小铲清理上层土壤，使其略低于表层2 cm，并进行整平.

喷洒开始前对周围土样进行试喷，以确定最终试验所采用的喷洒强度和持续时间，试喷结果如图3所示，最终确定以36 mL·min-1的喷洒强度对试样表面进行均匀喷洒. 整个喷淋过程持续时间为30 min，并控制土体表面不出现积水，待喷淋结束后用防水和隔热材料包裹试验区，静置24 h后每隔3 cm切一个剖面，剖面切分示意图如图4所示. 每个试验区获得4张剖面图像，每个剖面切分后采用高精度摄像机对剖面进行拍照，得到剖面图像. 其中，试验所用高亮蓝染色剂质量浓度为4 g·L-1.

图3 试喷结果示意图Fig.3 Schematic diagram of test spray results

图4 剖面切分图(单位： cm)Fig.4 Section cut diagram(unit: cm)

1.3 图像处理

为方便后期对染色面积进行计算分析，需对获取的剖面图像进行处理. 先通过Photoshop软件对图像拍摄过程中产生的偏斜、杂色及边缘变形等问题进行处理，再将调整后的剖面图像导入ImageJ软件，在Threshold工具中调出图像的HIS曲线，通过选定不同的HIS曲线阈值，最终将图像分割为孔隙和土壤基质，其中黑色表示染色路径，白色表示土壤基质. 结果如图5所示.

(a) 试验区1

(b)试验区2

1.4 计算理论

试验区剖面的土壤染色面积比可揭示水分沿入渗方向的优势孔道连通性和分布情况. 依据Janssen等[15]定义的土壤染色面积比，剖面染色面积占剖面总面积的百分比如下式所示.

式中：SR为剖面中染色的面积，cm2；S为剖面总面积，cm2； SAR为土壤染色面积比.

借助ImageJ软件中color threshold和total area功能，根据土壤染色面积比的含义分别统计不同剖面的染色情况.

2 实验结果与分析

通过对不同试验区原生态土体染色结果计算分析，可获得花岗岩残积土大孔隙优势渗流特性，详细分析如下. 为方便描述，将试验区1的剖面2定义为#1-2，其他剖面类似.

图6为试验区1和试验区2的等分剖面图，其中箭头代表水分迁移方向，从图中可以得到如下结论.

1) 亮蓝溶液能很好地对土壤孔隙水分迁移进行跟踪，两个试验区表层染色面积占比都达到总染色面积的80%以上，分析原因是土体表层孔隙分布较均匀、土质较松散，水分主要以均质流形式下渗.

2) 各试验区剖面的染色面积均呈现出随入渗深度的增大而减小的趋势，同时，试验区1和试验区2中部分剖面较深处位置出现了众多点状染色土壤(图中红色圆圈部分)，表明水分在渗流过程中绕过了大部分基质土壤，从大孔隙通道中渗入到土壤深处，充分体现了优势流特征.

3) #1-2、#1-3、#1-4中大孔隙流通道分布方向各异，存在高度的不均匀性，但以垂直、倾斜方向为主，由于大孔隙通道并不特别明显，致使水分无法快速渗流而是向周围基质缓慢扩散，即大孔隙流与基质域间相互作用异常显著. 其他剖面大孔隙通道较为明显，但水分并非完全沿大孔隙贯通流入，而是与基质之间同样存在不同程度的水分交互现象.

(a) 试验区1

(b) 试验区2

图7为试验区1和2的剖面染色面积比变化趋势图，每2 cm深度计算一次土壤染色面积比. 结合图6，从中可以看出： 染色区域主要分布在土体表层，其中试验区1的4个剖面0～16 cm土层染色面积比分别为75.1%、85.8%、80.1%、75.8%，试区2的4个剖面0～16 cm土层染色面积比分别为90.3%、83.5%、87.2%、76.8%，整体来说，试验区2的染色面积比大于试验区1的染色面积比，对比表1土体的孔隙比参数可以发现，试验区2的孔隙比为0.772，而试验区1的孔隙比为0.520，表明土体孔隙比越大，进行染色试验时染色面积比越大. 此外，试验区2的染色区域主要集中于0～20 cm，而试验区1的染色区域集中于0～16 cm，试验区2的染色集中区较试验区1更深，结合试验区地貌特点，分析原因是： 试验区2植被较为茂密且位于树下，土体内部植物根系众多，致使土体内的大孔隙多，大孔隙优势流现象也更为明显.

(a) 试验区1

(b) 试样区2

3 结语

借助亮蓝染色溶液开展天然花岗岩残积土大孔隙水分迁移入渗试验，对原生态土体内部大孔隙分布特征及水分入渗情况进行研究，得到以下结论： 天然土体表层土质松散，孔隙分布较为均匀，水分主要以均质流形式下渗. 部分剖面较深位置有众多点状染色土壤出现，表明水分在渗流过程中可绕过大部分土壤基质，从大孔隙通道渗入土壤深处，充分体现了优势流特征. 但同时部分大孔隙通道分布方向各异，存在高度不均匀性，使得大孔隙流并非完全沿大孔隙贯通流入土体深层，而是与基质域间存在不同程度水分交互现象，其可为土体大孔隙水分迁移数值仿真中孔隙与基质域的边界条件设定提供借鉴.

最后，定量化研究不同剖面染色面积比变化规律，发现染色面积随入渗深度呈先增大后减小趋势，其中水分浸入区域主要分布在土体表层，浸入量高达80%以上.