随着社会经济的快速发展，各种工程建设呈现出大规模、高速度的发展态势，如城镇建设、道路建设、矿产资源开发、水利工程建设等.这些工程建设对原生地面造成的破坏、扰动，以及构筑人工边坡、排弃大量的松散弃土弃渣物质，在无有效防护措施下随雨水冲刷将造成严重的水土流失(Bhattarai et al., 2011；朱波等，2005；字春霞等，2005；孙虎等，1998).弃土弃渣作为一种物质组成极不均匀的土石混合物，具有粗细混杂、结构松散的特征，在降雨及地表径流冲刷下，极易发生剧烈的水土流失及泻溜和滑坡等地质灾害，而弃土弃渣下垫面特征是其水分下渗、产流产沙形成的重要因子(奚成刚等，2002；李忠武等，2001；倪含斌等，2006).目前，国内生产建设项目水土流失研究主要集中在工矿区人为再塑地貌水土流失形式、形成机制及影响因素(李文银等，1996；白中科等，1998)，城镇建设侵蚀过程及特点(甘枝茂等，1999；孙虎，2001)，公路建设侵蚀环境及侵蚀机制(史东梅，2006；江玉林等，2008)和铁路建设侵蚀特点(奚成刚等，2002；李忠武等，2001)等几个方面，而对紫色丘陵区弃土弃渣下垫面入渗机理及模型的研究较少.环刀法是室内测定土壤入渗过程的常用方法(刘目兴等，2012；蒋芳市等，2013)，比双环法和人工模拟降雨方法更加简便易行，其与试验小区的结合不仅可以测定不同碎石含量下垫面的入渗特征，还可长期观测弃土弃渣随时间的演变规律.因此，本文采用环刀法对紫色丘陵区不同碎石含量弃土弃渣入渗特征进行深入研究，分析弃土弃渣水分入渗过程的影响因素，确定入渗过程的适宜性模型，以期为生产建设项目弃土弃渣水土流失规律研究提供科学依据.

为深入研究不同碎石含量条件下弃土弃渣下垫面入渗特征，在西南大学生产建设项目水土流失定位试验基地上布设观测小区.试验弃土弃渣为重庆北碚区房地产地基开挖土壤，土壤母质为中生代侏罗系沙溪庙组灰棕紫色沙泥页岩，表层土壤发育成中性紫色土.本研究确定粒径<1 cm颗粒为土质，>1 cm颗粒为石质，并以碎石含量为0、20%、40%的土质、偏土质和土石混合质弃渣设计5种不同下垫面条件，具体见表 1.试验前将弃土弃渣混合均匀后按照已设计的碎石含量分层填入小区，弃渣填入厚度为70 cm，用铁耙将其平整后自然沉降1个月.

表 1(Table 1)

表 1 不同弃土弃渣下垫面小区基本情况 Table 1 Summary of the experimental plots characteristics of different underlying surfaces

表 1 不同弃土弃渣下垫面小区基本情况 Table 1 Summary of the experimental plots characteristics of different underlying surfaces 编号 下垫面条件 坡长/m 坡度/(°) 宽度/m 坡向 碎石含量 取样断面 Ⅰ 25°土质弃渣 10 25 1 西南 0 2、5、8 m Ⅱ 30°偏土质弃渣 8 30 1 西南 20% 1、4、7 m Ⅲ 35°偏土质弃渣 8 35 1 西南 20% 1、4、7 m Ⅳ 35°土石混合质弃渣 6 35 1 西南 40% 1、3、5 m Ⅴ 40°土石混合质弃渣 4 40 1 西南 40% 1、2、3 m

试验按照《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)于2012年11月进行，分别采集各小区表层0~10 cm弃渣样品，采样时在小区上、中、下3个断面分别采集3个环刀样品(环刀直径7.0 cm，体积200 cm³)和1个混合土样，其中，6个用于测定下垫面物理性质，3个用于测定下垫面渗透性能，每个小区的采样断面位置见表 1.采用烘干法测定弃土弃渣下垫面初始含水率，环刀法测定下垫面容重和毛管孔隙度，总孔隙度利用容重经验公式得到，计算公式如下：

式中，ρ为弃土弃渣总孔隙度，d为弃土弃渣容重(g · cm^-3).

采用环刀法测不同碎石含量弃土弃渣下垫面入渗率.将上述环刀带回实验室，在环刀有刃面垫一层纱布(防止环刀内弃渣颗粒流出)，取一个规格相同的环刀对接在装有土样的环刀上方，从外侧密封两个环刀间的缝隙；将准备好的双环刀固定在铁架台的玻璃漏斗上，保持环刀口水平，在漏斗下方放置烧杯，收集穿透弃渣的水分.实验时，用马氏瓶定水头测量，水头保持在5 cm，待漏斗中滴下第一滴水开始计时，入渗测定过程中前5 min内每0.5 min记录1次渗水量，5~10 min内每1 min记录1次渗水量，10~20 min内每2 min记录1次，20~50 min内每5 min记录1次，50~90 min内每10 min记录1次，90 min后每30 min记录1次读数，直到连续4次读数相差不大为止.

描述水分入渗规律的数学模型有很多，本文采用Horton模型(2)、Kostiakov模型(3)和Philip模型(4)来拟合不同碎石含量弃土弃渣下垫面入渗过程.

式中，f(t)为入渗率(mm · min^-1)，t为入渗时间(min)，f₀为初始入渗率(mm · min^-1)，f_c为稳定入渗率(mm · min^-1)，k为经验参数，a、n为拟合参数.

用入渗率的相对误差δ表示模型拟合的优化程度，以反映模型计算入渗率与实测入渗率的离散程度，计算公式为：

式中，δ为入渗率相对误差，f_计为模型计算入渗率(mm · min^-1)，f_实为实测入渗率(mm · min^-1).

弃土弃渣作为一种物质组成极不均匀的土石混合物，具有物质成分多样性、结构不均一性和材料介质非连续性等特点，是介于土体和岩体之间的特殊地质体.为掌握弃土弃渣基本粒径组成，分析不同下垫面物理性质变化特征，对选取的5种弃土弃渣下垫面进行了颗粒分析试验(图 1).可以看出，不同下垫面弃渣体的不均匀系数均大于8，说明弃渣中包含的粒径级数较多，粗细粒径之间差别较大，颗粒级配曲线的曲率系数大于1，级配良好.

图 1(Fig. 1)

图 1 不同下垫面条件下弃土弃渣粒径分布曲线图 Fig. 1 Size distribution curves of different underlying surfaces

表 2为不同弃土弃渣下垫面物理性质.可以看出，不同弃土弃渣下垫面之间弃渣体初始含水率、容重、总孔隙度和非毛管孔隙度均存在差异，这主要与弃土弃渣物质组成及其内部结构特征有关.35°土石混合质弃渣(IV)容重最小而总孔隙度和非毛管孔隙度最大，说明其结构较疏松、通气和透水能力强，保水能力差；而35°偏土质弃渣(Ⅲ)容重最大，总孔隙度和非毛管孔隙度最小，说明其结构较紧实、通气和透水能力差，具有较强保水能力.

表 2(Table 2)

表 2 不同弃土弃渣下垫面物理性质 Table 2 Physical properties of different underlying surfaces

表 2 不同弃土弃渣下垫面物理性质 Table 2 Physical properties of different underlying surfaces 编号 初始含水率 容重/(g·cm-3) 总孔隙度 毛管孔隙度 非毛管孔隙度 Ⅰ 11.763%±1.167% 1.440±0.044 46.383%±1.384% 23.283%±1.910% 23.100%±3.254% Ⅱ 15.507%±0.812% 1.460±0.115 45.693%±3.766% 20.837%±1.211% 24.857%±2.697% Ⅲ 13.500%±0.835% 1.570±0.050 42.200%±1.746% 21.263%±1.476% 20.937%±3.081% Ⅳ 11.843%±1.243% 1.383±0.029 48.220%±0.930% 20.780%±1.722% 27.440%±2.635% Ⅴ 12.367%±1.125% 1.470±0.085 45.420%±2.850% 20.993%±1.806% 24.427%±2.415%

由图 2可知，不同碎石含量弃土弃渣下垫面入渗性能随时间的延长而发生变化.在入渗初期(0~10 min)，下垫面土壤初始含水率低、水势梯度大，入渗率最大且下降迅速，初始入渗率最高的为30°偏土质弃渣(Ⅱ)，从66.81 mm · min^-1下降到44.75 mm · min^-1，而并非是初始含水率最低的25°土质弃渣(I)，说明影响初始入渗率的因素除初始含水率外还有碎石含量等其它因素；10~70 min阶段，下垫面含水率逐渐增加，弃渣体颗粒吸水膨胀且细颗粒随水分向下运动堵塞毛管及非毛管孔隙，改变了弃渣内部颗粒排列结构，导致入渗能力下降，其中30 min瞬时入渗率较初始入渗率明显减小，由大到小依次为35°土石混合质弃渣(Ⅳ，43.5 mm · min^-1)>30°偏土质弃渣(Ⅱ，41.8 mm · min^-1)>35°偏土质弃渣(Ⅲ，36.5 mm · min^-1)>40°土石混合质弃渣(V，31.25 mm · min^-1)>25°土质弃渣(I，30 mm · min^-1)，土质弃渣入渗率最小且在入渗过程中始终最小；70~180 min阶段，下垫面水分渐趋饱和，入渗基本保持恒定，趋于一个定值即稳定入渗率.

图 2(Fig. 2)

图 2 不同下垫面土壤入渗率随时间的变化 Fig. 2 Variation of soil infiltration rate over time under different underlying surfaces

初始入渗率、稳定入渗率和平均入渗率是评价水分入渗中最常用的3个指标(倪含斌等，2006).由图 3可知，不同弃土弃渣下垫面初始入渗率、稳定入渗率和平均入渗率存在较大差异，这与其下垫面物质组成及物理性质有关.可以看出，各下垫面初始入渗率在39.19~66.81 mm · min^-1之间变化，其中以 30°偏土质弃渣(Ⅱ)下垫面初始入渗率最大，而25°土质弃渣(Ⅰ)下垫面最小.稳定入渗率和平均入渗率随着碎石含量增加而增大，这主要是因为碎石的存在改变了弃渣容重、孔隙度等物理特性，随着碎石含量的增大，颗粒之间排列更加松散，接触面积减小，增加了弃渣的孔隙度和大孔隙连通性，从而提高弃渣的入渗率.将坡度项删除后分析发现碎石含量为40%的弃土弃渣下垫面稳定入渗率、平均入渗率分别是土质弃渣下垫面的1.13和1.54倍，表明碎石的存在对弃土弃渣入渗特征的影响是显著的， 这与Cerdà(2001)得出入渗量随砾石含量的增加而增加的结论相一致.

图 3(Fig. 3)

图 3 不同下垫面入渗特征 Fig. 3 Infiltration characters of different underlying surfaces

弃土弃渣作为一种典型的非均质多孔介质，其渗透特性与颗粒的大小、颗粒组成、孔隙比及颗粒形状关系密切(周中等，2006).碎石作为弃渣体中相对不透水介质，对入渗的一个重要影响就是减少水流过水断面的面积，增加其孔隙的弯曲度，即会延长水分运移的路径；但同时碎石的存在会增加有利于水分运动的非毛管孔隙度.故碎石对弃土弃渣入渗率的影响最终取决于这两种不同影响的共同作用.为分析弃土弃渣下垫面初始含水率、容重、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度等物理性质对其入渗性能的影响，对各因子与初始入渗率和稳定入渗率用SPSS进行了相关分析(表 3).

表 3(Table 3)

表 3 不同弃土弃渣下垫面物理性质与渗透性能的相关性 Table 3 Relationships between physical properties of different underlying surfaces and permeability

表 3 不同弃土弃渣下垫面物理性质与渗透性能的相关性 Table 3 Relationships between physical properties of different underlying surfaces and permeability Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ f0 fc f0 fc f0 fc f0 fc f0 fc 注：**表示1%的差异显著性水平，*表示5%的差异显著性水平. 初始含水率 -0.883** -0.470* -0.811** -0.423* -0.912** -0.368* -0.826* -0.773* -0.689* -0.253* 容重 -0.218* -0.910** -0.557* -0.909** -0.524* -0.745** -0.952* -0.995** -0.956* -0.999** 总孔隙度 0.917* 0.836* 0.867* 0.914** 0.721* 0.494* 0.999** 0.973* 0.999* 0.960** 毛管孔隙度 -0.996 -0.526 -0.193 -0.677 -0.986 -0.897 -0.978 -0.980 -0.497 -0.753 非毛管孔隙度 0.409** 0.975** 0.775** 0.972** 0.709** 0.961** 0.992** 0.999** 0.807** 0.999**

表 3结果表明，不同碎石含量弃土弃渣下垫面渗透性能与容重呈显著负相关，与总孔隙度、非毛管孔隙度呈显著正相关，而与毛管孔隙度的相关关系不显著，其中，初始入渗率与初始含水率的相关系数在-0.689~-0.912之间，稳定入渗率与容重相关系数为-0.745~-0.999.结果表明，弃土弃渣下垫面容重越大，弃渣体越紧实，则渗透性差；非毛管孔隙度越大，弃土弃渣通气透水能力越强，则渗透性越好.初始入渗率与初始含水率成反比，而稳定入渗率则主要与弃土弃渣下垫面自身物理性质有关.弃土弃渣下垫面渗透性能与非毛管孔隙度呈显著正相关，而与毛管孔隙度的相关关系不显著，说明非毛管孔隙度对弃土弃渣渗透性能影响更大.

为比较不同拟合模型对弃土弃渣下垫面入渗过程的拟合优度，分别采用Horton、Kostiakov和Philip模型对不同下垫面入渗过程进行了优化模拟.3种入渗模型对不同弃土弃渣下垫面回归分析结果如表 4所示，回归模型在不同弃土弃渣下垫面的拟合优度存在差异，其中，Philip模型的平均拟合可决系数为0.606；Kostiakov模型的平均拟合可决系数为0.814，拟合效果较好；而Horton模型的平均拟合可决系数均在0.899以上，拟合效果优于Kostiakov模型.因此，Horton模型可以更好地对本研究区域弃土弃渣下垫面入渗过程进行拟合.

表 4(Table 4)

表 4 不同弃土弃渣下垫面入渗模型回归分析结果 Table 4 The regression analysis results of infiltration model on different underlying surfaces of waste soil and residue

表 4 不同弃土弃渣下垫面入渗模型回归分析结果 Table 4 The regression analysis results of infiltration model on different underlying surfaces of waste soil and residue 编号 Horton模型 R2 Kostiakov模型 R2 Philip模型 R2 Ⅰ f(t)=24.08+15.19e-0.0327t 0.924 f(t)=47.69t -0.1441 0.857 f(t)=40.72t-0.5+24.08 0.524 Ⅱ f(t)=16.95+39.33e-0.0351t 0.903 f(t)=77.12t -0.2262 0.746 f(t)= 68.58t-0.5+16.95 0.460 Ⅲ f(t)=21.78+31.25e-0.0356t 0.899 f(t)=62.72t-0.1954 0.846 f(t)= 48.41t-0.5+21.78 0.787 Ⅳ f(t)=16.69+26.89e-0.0377t 0.951 f(t)=58.23t-0.2012 0.832 f(t)= 63.45t-0.5+16.69 0.709 Ⅴ f(t)=27.42+23.64e-0.0380t 0.908 f(t)=49.58t-0.2545 0.790 f(t)= 24.81t-0.5+27.42 0.549

为检验不同拟合模型计算入渗率与实测入渗率的吻合程度，分别点绘Horton、Kostiakov和Philip模型拟合方程计算入渗 率与实测入渗率，结果如图 4所示.由图 4可知，不同拟合方程对弃土弃渣下垫面计算入渗率与实测入渗率拟合精度均存在差异，但Horton模型对弃土弃渣下垫面入渗率拟合精度要高于Kostiakov及Philip模型且可决系数在0.899以上.Horton模型计算入渗率与实测入渗率平均相对误差最小(2.64%)，相对误差在0.07%~6.60%之间变化，而Kostiakov和Philip模型计算入渗率与实测入渗率的平均相对误差分别为5.33%、17.19%.结果表明，Horton模型可以更好地对弃土弃渣下垫面入渗过程进行拟合.

图 4(Fig. 4)

图 4 不同入渗模型入渗率计算值与实测入渗率关系 Fig. 4 Relationship between measured and calculated infiltration rates by different infiltration models

下垫面入渗率是一个随时间递减的一个过程，不同入渗模型对不同下垫面入渗的衰退阶段和稳定入渗阶段拟合的效果可能不同，因此，对入渗模型在入渗的不同阶段进行进一步的对比分析.Horton模型在t=0时，f(t)=f₀，而当t→∞时，f(t)=f_c，这与下垫面实际入渗过程相符，尤其在稳渗阶段拟合效果更佳，模型参数K反映了入渗率的递减情况，K值越大，入渗率随时间减小越快.Kostiakov模型比较符合实际情况，其中，n值反映了入渗率的递减情况，n值越大，入渗率随时间减小越快；但当t=0时，f(t)→∞；当t→∞时，f(t)=0，这与客观事实不符；Philip模型的计算入渗率计算值普遍高于实测入渗率且相对误差最高可达50.17%，其a值在一定程度上反映了下垫面初始入渗率大小.

综上所述，Horton模型对弃土弃渣下垫面拟合结果优于Kostiakov模型和Philip模型，且其模型参数具有物理意义，可作为紫色丘陵区不同弃土弃渣下垫面入渗过程的适宜性模型.

1)不同碎石含量弃土弃渣下垫面入渗特征差异显著.随着碎石含量增加，下垫面稳定入渗率越大，达到稳定入渗的时间越长且入渗过程呈波动下降，其中，40%碎石含量弃土弃渣稳定入渗率(24.19 mm · min^-1)是土质弃渣下垫面的1.13倍，达到稳定入渗时间(180 min)是土质弃渣下垫面的1.71倍.

2)弃土弃渣下垫面物理性质对水分入渗影响显著.弃土弃渣下垫面渗透性能与容重呈显著负相关，与总孔隙度、非毛管孔隙度呈显著正相关，而与毛管孔隙度的相关关系不显著.

3)Horton模型对不同弃土弃渣下垫面入渗率拟合优度高于Kostiakov模型和Philip模型，且Horton模型计算入渗率与实测入渗率相对误差在0.07%~6.60%之间，可决系数在0.899以上.Horton模型计算入渗率接近实测入渗率，且模型参数具有物理意义，可作为紫色丘陵区不同弃土弃渣下垫面入渗过程的适宜性模型.