田間飽和水力傳導(dǎo)度量測方法之比較

1、田間飽和水力傳導(dǎo)度量測方法之比較林俐玲 前言 土地利用往往會影響表土或底土的土壤物理性質(zhì)，進(jìn)而影響土壤的水分移動情形。目前此問題已廣受矚目，因而發(fā)展出電腦模式來分析和推估土壤水分如何從地表進(jìn)入土壤剖面和污染物的移動。這些模式輸出結(jié)果之品質(zhì)與信賴度乃與輸入的土壤、土地利用和氣候資料有密切的關(guān)係。土壤之水力傳導(dǎo)特性已被認(rèn)為是傳導(dǎo)模式中最重的參數(shù)。所以定量的決定土壤水力傳導(dǎo)參數(shù)為模式發(fā)展者與使用者當(dāng)前重要的任務(wù)之一。 飽和水力傳導(dǎo)度(Saturated hydraulic conductivity, Ks)在很多的水文，排水和非點(diǎn)源污染模式中，為一敏感度很高之參數(shù)(Stepheus et al.,

2、1984; Rudra et al., 1985; Jruy, 1987； 林俐玲等，1997)?，F(xiàn)地量測水力傳導(dǎo)度的方法很多，其中包括滲漏筒(Bouwer and Jackson, 1974; Kessler and Dosterbean, 1974),定水頭的滲透計(jì)和其它滲透計(jì)(Philip, 1985; Reynolds and Elrick, 1986; Stephens et al., 1984)。飽和水力傳導(dǎo)度乃由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)再經(jīng)一維或三維的穩(wěn)定狀態(tài)滲透公式計(jì)算之。飽和水力傳導(dǎo)度推估的準(zhǔn)確性乃受實(shí)驗(yàn)時(shí)達(dá)到穩(wěn)定流程度，和分析時(shí)理論和實(shí)際限制選擇之影響。本研究之目的為比較利用單筒滲漏計(jì)與G

3、uelph滲透計(jì)推估茶園現(xiàn)地的飽和水力傳導(dǎo)度。 研究試驗(yàn)地簡介 本研究試驗(yàn)地位於南投縣魚池鄉(xiāng)貓欄山之東南，鄰近日月潭，隸屬於行政院農(nóng)委會茶業(yè)改良場魚池分場。試驗(yàn)地共分為8個(gè)樣區(qū)，各樣區(qū)的大小為長12.43公尺，寬2公尺，平均坡度52。樣區(qū)採完全逢機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，四種處理，二重複。四種處理方法為A：平臺階段臺面植生覆蓋(BVC)；B：平臺階段枯草敷蓋(BSM)；C：平臺階段臺面淨(jìng)耕(BCT)和D：裸露對照區(qū)(BC)。平臺階段上每平方平公尺種植一棵茶樹，其株距為50公分；裸露對照區(qū)未種植茶樹。各樣區(qū)皆設(shè)有逕流收集池(分為內(nèi)外槽，面積為1.98X0.97m2)，當(dāng)逕流量過大時(shí)將形成溢流，而溢流之部分將通

4、過分水裝置，將十分之一之溢流量流入外槽。 試驗(yàn)方法與分析步驗(yàn) 本研究中決定土壤飽和水力傳導(dǎo)度之方法，根據(jù)水的流動方式可分為兩大類：(1) 根據(jù)一維水流理論的單筒滲漏計(jì)法(RI)，和(2)根據(jù)三維水流理論的Guelph滲透計(jì)法(GP)。 實(shí)驗(yàn)從1997年7月1日開始利用兩種不同儀器測定不同處理試區(qū)的飽和水力傳導(dǎo)度。各區(qū)之飽和水力傳導(dǎo)度分別於各處理區(qū)之上下邊坡量測。茲將兩種量測方法之原理簡述如下。1.單筒滲漏計(jì)(RI) 單筒滲漏計(jì)為一直徑20公分，深30公分，厚2公釐之圓筒，使用時(shí)將筒用機(jī)械壓入土中20公分，打入時(shí)盡量避免擾動土壤，然後注入水量，並在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中維持5公分的定水頭，如此可維持一維

5、的水流狀態(tài)。記錄累積滲透量與時(shí)間即可求得滲透率。利用Philips滲透公式分析滲透資料即可決定飽和水力傳導(dǎo)度。 Philip(1957)提出在定水頭狀態(tài)下，一維的滲透量與時(shí)間指數(shù)關(guān)係，下列公式將引用於此研究中飽和水力傳導(dǎo)度之計(jì)算。 式中I：累積滲透量(cm) A：傳導(dǎo)參數(shù)(cm/min) S：吸著力(cm/min1/2) t：滲透開始到結(jié)束的時(shí)間 A參數(shù)為濕潤區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)滲透率，S參數(shù)為滲透的一分力，此乃在滲透初期土壤基質(zhì)勢能之垂直梯度所引起的。此兩參數(shù)與飽和水力傳導(dǎo)度(Ks)成函數(shù)關(guān)係。而兩參數(shù)之值乃由實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)曲線套疊公式(1)求得。Ks值為A值乘以2/3求得(Youngs, 1968)2.

6、Guelph滲透計(jì)(GP) 利用Guelph滲透計(jì)量測田間飽和水力傳導(dǎo)度乃假設(shè)不飽和土壤管中為三維穩(wěn)定狀態(tài)滲透流(Reynoeds and Elrick, 1985)。Guelph滲透計(jì)包括兩個(gè)同心管，內(nèi)管為空氣注入管，提供空氣，外管貯存測量時(shí)所需的水分。外管底部裝置一漏斗式(funnel-shaped)之開關(guān)，量測時(shí)把內(nèi)管向上移動，移動的距離決定水頭的大小貯水用的外管大小隨實(shí)際的情形而定。在此研究中，穩(wěn)定流(Q)乃在兩種水柱高度(5.0和10.0cm)下量測。田間飽和水力傳導(dǎo)度(Kfs)和基質(zhì)勢能乃由下列公式求得(Reynolds and Elrick, 1985)： 式中Q：穩(wěn)定狀態(tài)流量(

7、cm3/min)H：管中水的深度(cm)a：孔之半徑(cm)C：形狀係數(shù)(淹沒水面壓力水頭梯度之積分)：基質(zhì)流束勢能(cm2/min)(Kfs/)：ln(ks)與壓力勢能曲線斜率 以上公式為三維穩(wěn)定狀態(tài)滲透公式之解答，5公分與10公分管中水深之形狀係數(shù)C1和C2乃由Elrick et al.(1987)發(fā)展出的圖形決定之。由公式(2)可同時(shí)解出水力傳導(dǎo)度和基質(zhì)流速勢能(Elrick et al., 1987)。 利用GP方法量測田間飽和水力傳導(dǎo)度(Kfs)時(shí)，由於空氣陷入之影響，其值往往低於飽和水力傳導(dǎo)度，Reynoeds and Elrick (1985)和Stephens et al. (

8、1985)建議將所測得的田間飽和水力傳導(dǎo)度(Kfs)乘以2即為土壤的飽和水力傳導(dǎo)度(Ks)。結(jié)果與討論 結(jié)果顯示由兩種方法所測得之飽和水力傳導(dǎo)度變化很大。Guelph滲透計(jì)之測值範(fàn)圍較小，從0.428到10.716cm/hr；而單筒滲透筒之測值範(fàn)圍較大，從0.114到23.622cm/hr。兩種方法所測得之平均飽和水力傳導(dǎo)度分別為滲透筒的5.15cm/hr和Guelph滲透計(jì)的4.194cm/hr。兩者比較利用單筒滲透筒所測得之Ks較高，但在統(tǒng)計(jì)上並無顯著的差異。滲漏筒法所量測之飽和水力傳導(dǎo)度因不同的水土保持處理，而有顯著的差異，平臺階段植生覆蓋處理之飽和水力傳導(dǎo)度最大，其次為平臺階段枯草敷蓋

9、，再次為平臺階段臺面淨(jìng)耕，而裸露對照區(qū)之飽和水力傳導(dǎo)度最小，僅0.682cm/hr，為平臺階段覆蓋的6。平臺階段植生覆蓋處理區(qū)之土壤由於植生根系的生長與腐爛的過程，增加土壤的大孔隙與連續(xù)孔隙，所以增加了土壤的導(dǎo)水能力，又因植生的殘株混入土壤亦增加了土壤的有機(jī)質(zhì)而加速土壤水分的吸收，此亦增加飽和水力傳導(dǎo)度的原因之一。而裸露對照區(qū)因土壤表面長期受雨滴打擊，土壤分散而阻塞表土的孔隙形成表面結(jié)殼(surface crust)而影響土壤的導(dǎo)水能力，降低土壤飽和水力傳導(dǎo)度。Guelph滲透計(jì)法量測之飽和水力傳導(dǎo)因其測值變異範(fàn)圍較小，所以平臺階段各處理間無顯著的差異，裸露對照區(qū)的飽和水力傳導(dǎo)度仍然偏小。 田

10、間量測之水力傳導(dǎo)度會有如此大的變異並不令人訝異。以往已有很多研究指出水力傳導(dǎo)度是水分流動參數(shù)中變化最大的(Gupta et al., 1993)，各種量測方法所涵蓋的面積大小亦會影響量測之大小，本研究中滲漏筒法所涵蓋的面積較Guelph滲透計(jì)法大。其變異亦較大。 兩種量測方法另一相異因子為在現(xiàn)場完成一測量測所需的時(shí)間，利用滲漏筒法，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)滲透需100分鐘，完成一次量測需2個(gè)小時(shí)；而Guelph滲透計(jì)法達(dá)到穩(wěn)狀態(tài)滲透僅需15到20分鐘，完成一次量測僅需1小時(shí)。在田間狀況下，土壤水分移動常為多維的(multi-dimensional)，所以正確的水力梯度(hydraulic gradient

11、s)不易獲得。Bouwer(1986)指出利用滲漏筒法不能完全避免側(cè)向的水分流動，所以此種量測方法不能真正達(dá)到一維的水分流動狀態(tài)。又利用Guelph滲透計(jì)決定正確的飽和水力傳導(dǎo)度(Ks)乃受C1和C2兩形狀係數(shù)之影響，C1與C2乃受Ha(水深和試驗(yàn)孔大小)之影響。Reynolds and Elrick (1986)指出，錯誤的選擇C1及C2將導(dǎo)致30之誤差。 結(jié)論 利用不同量測方法量測田間的土壤飽和水力傳導(dǎo)度其變異很大，在本研究中利用滲漏筒量測之Ks大於利用Guelph滲透計(jì)之值，但在統(tǒng)計(jì)上無明顯的差異，但利用Guelph滲透計(jì)量測所需的時(shí)間較短且用水量較少，所以較適合利用於偏遠(yuǎn)且水源缺乏的地

12、區(qū)，但其儀器的成本較高。所以方法的取決乃基於使用者的需求與現(xiàn)場的狀況。而所需考慮的因子除了正確性外，量測地點(diǎn)的選擇，量測所需的時(shí)間和其它的資源應(yīng)一併考量。在相同的土壤狀況，地表的處理和植生亦為影響水力傳導(dǎo)度的重要因子；在陡坡地上構(gòu)築平臺階段配合植生覆蓋及敷蓋等水土保持措施，可增加飽和水力傳導(dǎo)度，減少坡地的逕流量。 參考文獻(xiàn) 1. 林俐玲、林文英 (1997) , 水蝕推估模式WEPP之評估與驗(yàn)證，中華水土保持學(xué)報(bào)，28(2):145-156。2. Bouwer, H., (1986) “Intake rate: Cylinder infiltrometer”. In Methods of So

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