层状结构是河流相松散沉积物中最常见的沉积结构，也广泛分布于冰川、风和湖泊等地质营力作用下的沉积物中，是沉积物非均质的一种重要形式。这种类型的沉积物表现出一些特有的水力学性质，如渗透系数各向异性，介面效应和毛细壁垒效应等。这些特性对水分的入渗和蒸发，污染物的迁移和转化以及水土保持等方面均有重要影响^[1]。

层状介质的入渗与均质介质入渗有很大差异，持水能力也显著不同，因此，层状介质中复杂的水分入渗运动受到水文地质及环境研究者的广泛关注。层状介质中水分运动存在一种被称为毛细壁垒效应的现象^[2]，即在非饱和层状沉积物中，当细粒介质层上覆于相对较粗的介质层时，粗粒层阻碍水分向下运动，而使细粒层持有更多的水分^[2-3]。只有当水分在细粒层积累使界面处吸力达到某一特定值，通常认为达到下伏粗粒层的进水值，水分才会开始进入下部粗粒层^[4]。由于毛细壁垒效应阻碍水分下渗，因此会增加上覆细粒层的含水率^[5-6]。毛细壁垒效应的强弱以上覆细粒层持水能力增量大小为标志，在相同水分入渗条件下，相邻2层介质粒径差异越明显，则上覆细粒层持水能力增量越大，毛细壁垒效应越强^[7-8]。Stormont等^[9]的试验也得出同样结论，并用定量方法计算出毛细壁垒效应使细粒介质含水率的增加量；但是，目前毛细壁垒效应的大部分研究是室内简单层状介质入渗实验取得的，对于野外天然层状沉积物的研究很少。

笔者通过一个天然河流相非饱和松散层状沉积物中含水率、介质粒度、密度等性质的原位测定，研究天然状态下层状松散沉积物中水分分布特征及其与各层沉积物粒度的关系，在此基础上分析天然层状沉积物中毛细壁垒效应对水分分布的控制作用。

试验场地位于渭河陕西咸阳段的一处河漫滩上，地理位置为E 108°49′47″，N 34°22′39″。该地区年平均气温13.2 ℃，年均降雨量540 mm左右，60%左右的降雨发生在7、8和9月^[10]，而年均潜在蒸发量500 mm左右，属于典型的半干旱地区^[11]。渭河在该地发育宽广的河漫滩，均具有明显的层状沉积特征，滩面较平坦，表层为粉砂, 下为含砾石的细、中砂。河漫滩开垦指数高，以建造堤坝和河滩公园为主^[12]。河漫滩地下水位埋深＜4 m^[13]。

实测剖面是在该河漫滩一个人工挖掘的陡坎基础上改造而成的，剖面保留完整且层理特征明显，具有典型的河流沉积特征。沿陡坎坡面向前挖掘4.0 m左右形成一个高度为1.42 m的垂直沉积物剖面，以避免陡坎坡面的侧壁效应对剖面测量产生影响。剖面上水平层理和交错层理构成典型的河漫滩二元沉积结构。根据肉眼可辨识的层面，将剖面上的沉积物分为11个层系，除上部扰动层外，从上到下按英文字母顺序命名，依次从A到K(图 1)。同一层中不同取样点用该层字母加数字下标进行标记。最底部K层是以粗砂为主的水平层理，其上部J层和I层中有明显的“上截下斜”的交错层理特征，层系界面为平面且彼此不平行。G~D层具有近似水平的层理，层系界面呈曲面且纹层与之一致。剖面上部的A、B和C层为水平层理，层中的层理产状与层面产状基本相同。有些层会形成尖灭，如G层左侧和J层。

图 1(Figure 1)

黑圆点为含水率测量和取样的位置，在三角形标记的位置除含水率测量和取样外还进行了吸力测量。图中的大写字母和数字下标为测量和取样位置编号。图中铁锹长度为1 m。 Black dots denote positions of water content measurement and sampling, and the suction was measured additionally on the position denoted by triangle; the capital letters and numbers in subscripts denote the numbering of measurement and sampling locations. The length of shovel is 1 m. 图 1 研究剖面的沉积结构 Figure 1 Layer sedimentary structure on the profile

在所选剖面上测量A~K层各取样点天然含水率、粒度分布和密度。另外，J层与上部I层及下部K层的粒度差异明显，具备形成毛细壁垒的条件，且J层厚度较大，便于测量探头的安装；因此在I层(I₁和I₂)、K层(K₃)和J层(J₁、J₂、J₃、J₄、J₅和J₆)进行沉积物的吸力测量。

2015年12月4日在渭河滩进行试验，此前至少20 d左右没有降雨或降雪过程。含水率测量采用土壤含水率传感器(EC-5, Decagon Devinces Inc, USA)，测量精度为0.001 cm³/cm³，测量误差为±0.01 cm³/cm³。吸力测量采用土壤水势传感器(MPS-6, Decagon Devinces Inc, USA)，测量精度为0.1 kPa，测量误差为±2 kPa。含水率和吸力测量数据均采用在线采集和储存系统(EM50, Eecagon Devinces Inc, USA)。在野外测量前72 h，先在室内将水势传感器预埋在含水率0.05 cm³/cm³左右(与野外介质的含水率相当)的细砂中并达到平衡，这样大大减少野外测量时水势传感器与介质之间的平衡时间。在野外原位测量吸力时，13 h即达到平衡。为方便讨论，笔者将吸力单位转化为cmH₂O(1 kPa=10.2 cmH₂O)。野外测量时，设置的吸力测量频率为1次/20 min，在野外连续测量15 h，取平衡后吸力实测值的平均值作为该测量点的吸力值。在吸力测量结束时，进行含水率原位测量，测量频率为每2 min1次，每个测量点连续测量10 min，取平衡后含水率随时间无变化的值作为该取样点实测含水率。

密度采用重量法测定。在测量位置上用体积为98.18 cm³的环刀取原状样品，每个位置取2个共40个样品，装袋密封，在实验室烘干后称量求其密度。另外，利用筛分法，将不同筛孔直径的标准筛固定于振筛机上，筛分完成后通过称量得到样品的粒度分布。

研究剖面各层沉积物中值粒径(d₅₀)在0.16~0.39 mm之间，总体上各层介质呈现粗细相间的特征。粒度相差较大的相邻层分别为D层(粗)和E层(细)、G层(细)和H层(粗)、J层(细)和K层(粗)(图 2)。剖面中最粗层为H层，最细层位于J层底部。

图 2(Figure 2)

A-K are corresponding to the points in Fig. 1. 图 2 沉积物剖面各层含水率、中值粒径和密度 Figure 2 Water content, median grain size and bulk density in each layer of the sediments profile

观测剖面上密度变化范围介于1.32~1.53 g/cm³之间。与相邻层中值粒径大小相间相对应，各层密度也存在大小相间分布的特征；但趋势与粒径变化趋势相反，粗粒层密度较小，而与其相邻的细粒层密度相对较大(图 2)。

所测9个采样点(图 1)的吸力范围为98~122 cm H₂O，相邻层的吸力值相差并不大。9个吸力测量点实测吸力与含水率如表 1。介质的含水率与吸力的关系可用水土特征曲线描述，不同介质的水土特征曲线在同一吸力下对应不同的含水率，如采样点J₁和J₆，吸力相等，含水率却不相同，分别为0.012 cm³/cm³和0.110 cm³/cm³。

表 1(Table 1)

表 1 剖面中I、J和K层实测吸力值与实测含水率 Table 1 Measured suction and water content for the samples in the layer I, J and K 采样点 Sampling point 含水率 Water content/ (cm3·cm-3) 吸力 Suction/ (cm H2O) I1 0.148 108 J1 0.012 110 J2 0.061 99 I2 0.052 98 J3 0.032 106 J4 0.127 101 J5 0.010 122 J6 0.110 110 K3 0.010 113 注：以上3组取样点分别对应图 1中3组垂向吸力实测点。Note: 3 sampling points belong to 1 group, and each of them corresponds to actual measuring point denoted by triangle in Fig. 1.

表 1 剖面中I、J和K层实测吸力值与实测含水率 Table 1 Measured suction and water content for the samples in the layer I, J and K

刚挖掘出的新鲜剖面表观呈现湿润特征，含水率分层现象不明显。经过不到30 min的风干后，剖面表层可以观察到明显的颜色差异，含水率测定结果表明深色层(A、C、E、G和I)的含水率均高于相邻的浅色层(B、D、F、H和K)(图 2)。剖面图像整体呈现干润相间的特征(图 1)。在剖面20个取样点中，I层左侧取样点I₁含水率最高，为0.148 cm³/cm³，而最底部K层3个取样点含水率最低，均为0.01 cm³/cm³。相邻2层含水率差别较大的为取样点I₁和J₁，含水率相差0.136 cm³/cm³，J₄和K₂相差0.117 cm³/cm³，J₅和J₆相差0.1 cm³/cm³。

图 2中含水率与中值粒径(d₅₀)随土层深度变化趋势相反，为更加定量的描述二者的关系，对剖面20个取样点(图 1)所测得的含水率和d₅₀数据进行统计分析，可得含水率大小与d₅₀成负相关关系(图 3)，密度该规律本质上与土壤非饱和理论一致，反映含水率和介质粒度的相互关系。在天然层状沉积物中，假设沉积物各层水分运动已达平衡，即总水头(位置水头与吸力水头之和)相等，相邻2层界面附近位置水头忽略不计，即认为相邻层吸力水头相等。由水土特征曲线可得，同一吸力下，细介质含水率必然高于粗介质含水率，也即处于平衡状态时的层状沉积物中，相邻2层细粒层含水率大，粗粒层含水率小，这就是相邻层含水率差别较大的原因之一。

图 3(Figure 3)

图 3 样品中值粒径与含水率的关系 Figure 3 Relationship between median grain size and corresponding water content for all the samples

即使在同一层内，由于沉积物粒径的变化也会引起含水率的变化。取样点J₁、J₂和J₄位于同一层面，从图 4样品的粒度分布曲线可以看出，3个样品由细到粗为J₄、J₂、J₁，含水率依次为0.127、0.061、0.012 cm³/cm³，介质越细，含水率越高。

图 4(Figure 4)

图 4 J1、J2和J4取样点处样品的粒度分布曲线 Figure 4 Cumulative grainsize distribution curve of three sediment samples (J1, J2 and J4)

层状沉积物中各层含水率受介质粒度的影响外，层状结构本身也是控制水分分布的另一重要因素。天然状态下，上细下粗的层状结构为毛细壁垒的形成提供了条件。在水分入渗时，水分不易穿越下伏粗粒层下渗，而是在上覆细层积累^[4]。这时候的下伏粗粒层充当“毛细壁垒”，阻碍水分的流动^[14]。Iqbal^[7]的研究指出，相邻2层粒度差异越明显，毛细壁垒效应越强，上覆细粒层持水量越多。

毛细壁垒效应对天然沉积物水分分布的控制可通过相同粒度层含水率不同来论述。取样点中的J₂和G具有相同的粒度分布，但含水率却不同，分别为0.06和0.08 cm³/cm³。它们在各自的毛细壁垒结构中是位于上部的细层，下伏粗层分别是K₁和H，在入渗情况下，水分在细层J₂中积累，其吸力随含水率的增加而减小，达到K₁的进水值时，水分才会开始进入K₁层^[4]。由中值粒径可以判断K₁比H更细(表 2)，因此K₁的进水值更高。与G相比J₂可以更早的达到相应下层的进水值，壁垒效果更弱，水分在J₂层的积累量更少，含水率更低。一般情况下，在上细下粗结构中，如果上覆细粒层为同种介质，对应于下伏粗粒层介质越细的含水率越低，这与Stormont等^[8]通过土柱试验研究毛细壁垒效应的结果一致。

表 2(Table 2)

表 2 取样点J2、K1、G、H处的含水率与d50 Table 2 Water content and median grain size of four sediment samples (J2, K1, G and H) 采样点 Sampling point d50/ mm 含水率 Water content/ (cm3·cm-3) 备注 Notes J2 0.25 0.061 上覆细粒层 Overlying layer with fine grain K1 0.35 0.010 下伏粗粒层 Underlying layer with coarse grain G 0.25 0.081 上覆细粒层 Overlying layer with fine grain H 0.39 0.013 下伏粗粒层 Underlying layer with coarse grain

表 2 取样点J2、K1、G、H处的含水率与d50 Table 2 Water content and median grain size of four sediment samples (J2, K1, G and H)

J₁和J₃均位于毛细壁垒的粗层，与之相对的上覆细粒层分别为I₁和I₂。取样点J₁和J₃粒径分布相同，含水率大小却不相等(表 3)，在入渗情况下，水分会先在上覆细层I₁和I₂中积累。由于I₁比I₂更细，因此水分在I₁层积累达到比I₂层更高的含水率，才能使吸力等于下伏粗层的进水值(下伏粗层J₁和J₃的进水值相等)，水分才会开始下渗。对于J₁和I₁这一毛细壁垒结构，水分更难进入下伏粗层J₁，因此与J₃相比，J₁含水率更低。一般情况下，在上细下粗结构中，如果下伏粗层为同种介质，上覆细粒层越细，所对应的粗粒层含水率越低。

表 3(Table 3)

表 3 取样点I1、J1、I2、J3处的含水率与d50 Table 3 Water content and median grain size of four sediment samples (I1, J1, I2 and J3) 采样点 Sampling point d50/ mm 含水率 Water content/ (cm3·cm-3) 备注 Notes I1 0.16 0.148 上覆细粒层 Overlying layer with fine grain J1 0.28 0.012 下伏粗粒层 Underlying layer with coarse grain I2 0.23 0.052 上覆细粒层 Overlying layer with fine grain J3 0.28 0.032 下伏粗粒层 Underlying layer with coarse grain

表 3 取样点I1、J1、I2、J3处的含水率与d50 Table 3 Water content and median grain size of four sediment samples (I1, J1, I2 and J3)

用粒度与毛细壁垒效应共同解释天然层状沉积物中水分分布，与实际测量结果吻合。在天然层状沉积物中，各层沉积物粒度大小和毛细壁垒效应共同控制含水率分布。

同一种介质，即可充当毛细壁垒结构中的粗粒层，也可在另一毛细壁垒中充当细粒层。如图 5所示，取样点F和I₃的概率累积曲线基本重合，可视为相同粒径分布的介质，F层在E层和F层构成的毛细壁垒中为下伏粗层，I₃层在I₃层和J₅层构成的毛细壁垒结构中为上覆细层；因此，粒径分布相同的2层，由于在毛细壁垒结构中充当的角色不同，含水率也会不同。

图 5(Figure 5)

图 5 E、I3、F和J5取样点样品的粒度分布曲线 Figure 5 Cumulative grainsize distribution curve of sediment samples at E, I3, F and J5

野外层状沉积物中水分运动主要与降雨入渗和土壤水蒸发这2个水文过程有关。天然水分分布是在不同水文过程中，在沉积物粒度及层状结构的影响下，水分运动达到平衡后的结果。

已有室内实验通过模拟降雨来观察简单层状沉积物中降雨强度和时间对毛细壁垒效应的影响^[15]。基于此，我们进一步分析降雨时野外复杂层状沉积物中毛细壁垒效应对水分运动的影响。降雨入渗时，由于沉积物各层粒度粗细相间的特征，一定存在相邻2层上细下粗的结构。当水分从上覆细粒层入渗时，下伏粗粒层形成水分运动的壁垒，使水分在细层积累。界面处吸力水头达到粗粒层的进水值时，水分才会开始进入粗层。当水流至下一个上细下粗结构，也会出现相同的水分入渗特点。这与Zornberg等^[6]对降雨时毛细壁垒效应的描述一致。虽然他用细粒层和粗粒层渗透系数的不同来解释下伏粗粒层对水分的阻碍作用，但本质上与进水值的原理一致。野外层状沉积物中水分天然分布正是入渗平衡后的结果，水力学性质不同的两层形成的毛细壁垒效应，阻碍水分的重分布过程，使得细粒层出现较高的含水率^[16]。

沉积物蒸发过程为水分向上运动的过程，此时上粗下细的层状结构是毛细壁垒形成的基础。已有室内研究发现，上砂下黏型层状介质的土壤累积蒸发量小于上黏下砂型层状土壤^[17]，也有研究者通过土柱实验发现土柱中粗介质夹层存在可显著减少蒸发量，主要原因为上粗下细层状结构中的毛细壁垒效应抑制了水分的蒸发作用^[18-19]。在野外层状沉积物的水分蒸发过程中，水分从下伏细粒层开始向上运动，上覆粗粒层作为水分运动的壁垒，抑制了水分的蒸发，且蒸发过程散失的水分主要来源于粗粒介质^[17]。在一定程度上，野外层状沉积物粗细相间的结构能够减少水分的蒸发，提高沉积物的持水性。

渭河咸阳段河流松散沉积物具有明显的粗细相间的层状特征，水分分布也呈现干层与湿层相间的层状分布特征，各层含水率的大小与粒度成负相关。另外，沉积物粗细相间的层状特征为毛细壁垒的形成提供条件，使水分分布也受到毛细壁垒效应的控制。在降雨入渗和土壤水蒸发过程中，毛细壁垒对水分运动的控制会导致细粒层持有更多的水分。降雨入渗时，毛细壁垒会阻碍水分入渗，而蒸发过程中，毛细壁垒也会阻碍蒸发。总体上层状松散沉积物中水分的分布，受粒度和沉积结构二者共同控制。层状松散沉积物中这种水分分布规律，为垃圾填埋场防渗系统，土壤再利用及水土保持工程的设计提供了新的思路。