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user: 4. 结果与分析 4.1. 入渗率对降雨的响应特征 不同降雨条件下一维土柱垂直入渗时的入渗率时程曲线。由图可知，不同降雨强度对土柱的入渗率具有如下特征： 1) 由入渗率时程曲线可知，试验黄土的最小入渗能力约为0.2 mm/min，与土体的饱和渗透系数较为接近；因此，土体的最小入渗能力在数值上可定为饱和渗透系数。 2) 当降雨强度为10 mm/h时，其强度值小于垂直土柱的最小入渗能力，降雨均沿土柱的上表面渗入土柱内，土柱上表面在整个降雨历程中均没有出现积水；因此，该降雨强度下垂直土柱的入渗率为一常数，即入渗率等于降雨强度。 3) 当降雨强度(25， 35， 45 mm/h)大于垂直土柱的最小入渗能力时，土柱的入渗率时程曲线呈3阶段分布的变化规律。第一阶段：降雨入渗初期，垂直土柱上表面的土体为非饱和状态，土体的含水率较低，其基质吸力较大，基于Green-Ampt模型可定性的断定降雨初期的垂直入渗能力较大。因此，在降雨入渗的第一阶段，垂直土柱的入渗率为一常数，等于降雨强度，直到土柱表面出现积水。第二阶段：降雨入渗中期，土柱的上表面出现积水，表面土体进入暂态饱和状态，土体的含水率增加，基质吸力减小，垂直土柱的入渗能力随着降雨历时的增加逐渐减小，直至垂直土柱的表面由暂态饱和状态进入完全饱和状态；因此，在降雨渗入的第二阶段，土柱的入渗率随着降雨历时的增加逐渐衰减至稳定值。第三阶段：降雨入渗后期，土柱表面的土体进入饱和状态后，土柱的入渗能力趋于稳定，即土柱入渗进入饱和入渗阶段；因此，该阶段入渗率趋向于饱和渗透系数。 4) 由图3可知，不同降雨强度条件下，其出现积水点和饱和点的时间点不同，降雨强度越小，土柱表面出现积水点和饱和点的时间越晚。如降雨强度为25 mm/h时，降雨历时达到300 min左右才出现积水点，约500 min达到饱和点；而当降雨强度为45 mm/h时，降雨100 min左右就出现积水点，200 min左右便达到饱和点。同时，降雨强度越小，积水点至饱和点的时间间隔越小；当降雨强度为25 mm/h时，积水点与饱和点的间隔有200 min左右，而当降雨强度为45 mm/h时，二者之间的时间间隔相差最大。 5) 根据上述分析，可将降雨强度大于土壤最小入渗能力的入渗过程分为无压入渗阶段、有压入渗阶段及饱和入渗阶段，其分界点分别为积水点和饱和点。不同降雨强度下垂直土柱的累积入渗量随降雨历时的时程曲线如图4所示。由图4可知： ① 当降雨强度为10 mm/h时，降雨强度小于土壤的最小入渗能力，所有降雨沿着土柱表面渗入土柱内部，累积入渗量曲线为一条经过坐标原点的一条直线，直线的斜率即为降雨强度。 ② 当降雨强度为25，35或45 mm/h时，降雨强度大于淤积土最小入渗能力，而累积入渗量变化呈三个阶段变化趋势，每阶段的分界点与入渗率变化曲线相似，即以积水点和饱和点为分界，第一阶段和第三阶段均为直线，其斜率分别为降雨强度和饱和渗透系数。 ③ 从试验结果可知，在降雨历时150 min左右，降雨强度为35和45 mm/h下，累积入渗量较为接近，二者差异较大，最后进入饱和入渗阶段后累积入渗量差值趋于稳定值。 ④ 对比降雨强度为25和35 mm/h时的累积入渗量曲线可知，当降雨历时小于210 min，在降雨强度为35 mm/h时，累积入渗量在无压入渗阶段增长较快，然后进入有压入渗阶段有所减缓；当降雨强度为25 mm/h时，一直处于无压入渗阶段，二者在210 min左右时累积入渗量相差较小，但35 mm/h的累积入渗量约大25 mm/h。降雨强度为25 mm/h的有压入渗阶段较短，对累积入渗量曲线影响较小；因此，该2种雨强下的累积入渗量在降雨历时大于210 min后差异较小。 图3. 不同雨强下入渗率时程变化曲线 图4. 不同雨强下累计入渗时程变化曲线 4.2. 降雨特征对浸润峰的影响 图5为不同降雨强度下，土柱浸润峰深度的时程曲线。由图5可知，不同降雨强度下土柱的浸润峰深度随降雨历时的增加具有如下的变化规律： 1) 土柱浸润峰深度的时程曲线可划分为三个阶段，但不同降雨强度下各阶段的分界点不一。第一阶段，降雨初期，土柱的基质吸力较大，雨水迅速传至土柱内；因此，该阶段土柱的浸润峰深度增长最快。第二阶段，降雨一段时间后，土柱上表面的土壤含水率增加，达到暂态饱和状态后，土柱的入渗能力慢慢衰减，浸润峰深度的增长也逐渐减小。第三阶段，当土柱上表面的土体达到饱和状态后，土柱按饱和入渗的规律均匀的向土柱内部入渗。 2) 从土柱的浸润峰深度时程曲线可知，降雨强度越大对土柱的浸润峰深度影响越大，当降雨强度为10 mm/h时，土柱最大入渗深度时程曲线的三阶段分布不明显；当降雨强度为45 mm/h时，浸润峰深度时程曲线的三阶段分布规律特别明显；同一时间节点，降雨强度越大，浸润峰的深度也越大。由某一时间段的浸润峰深度变化量Δh比上时间段Δt (Δh/Δt)，即得到不同降雨强度下土柱的平均传导率c，如图6所示，由图6可知，降雨初期，土柱的入渗能力最大，雨水在土柱内的传导最快，平均传导率最大；随着土柱上 图5. 不同雨强浸润峰时程变化曲线 图6. 不同雨强传导率时程变化曲线 表面含水率的增加，基质吸力减小，土柱的平均传导率随降雨历时的增加迅速减小；最后，当土柱上表面土壤进入饱和状态后，土柱为饱和入渗，其平均传导率趋于某一稳定值。因此，降雨强度对土柱入渗的影响，主要集中在降雨中前期。 4.3. 典型点含水率变化 4种降雨强度q下，土壤水分传感器监测的体积含水率时程曲线。当降雨强度较小时，浸润峰没有传至5#传感器；因此，降雨结束后仍对EC-5土壤水分传感器的输出信号值进行采集。不同降雨强度下监测点的体积含水率时程曲线具有如下特点： 1) 从不同降雨强度下传感器所测土壤体积含水率可知，监测点的最大体积含水率为45%，部分监测点的体积含水率只有35%左右。 2) 当降雨强度为15 mm/h时，雨强较小，土壤的基质吸力减少得相对缓慢，雨水有充足的时间向土柱下层入渗，所有监测点的体积含水率都只在30%左右，小于其他雨强下监测点的体积含水率。从5个监测点体积含水率开始增长的时间节点及分布规律可知，相邻2个监测点体积含水率开始增长的时间差相差较小，5个监测点最终含水率分布也基本在39%左右。从5个监测点体积含水率增加阶段的坐标点可知，S1监测点的坐标点最稀疏，监测点体积含水率从开始增长至达到最大值所需时间最短；而S5监测点的坐标点最密集，监测点体积含水率达到最大值所需时间最长；因此，离上表面越近达到最大含水率所需时间越短。 3) 当降雨强度为20和30 mm/h时，监测点的体积含水率时程曲线具有相同的变化规律。S1监测点的体积含水率最先开始增长，但并非是最先达到最大值；由时程曲线可知，该点的体积含水率先迅速增加至40%左右，出现暂态饱和状态，然后又缓慢增加至45%左右，降雨结束土柱上表面没有积水后又开始下降。从相邻监测点体积含水率开始增长的时间节点可知，S1与S2监测点的时间间隔最短，S4与S5监测点的时间间隔最长。由5个监测点的体积含水率曲线可知，S3，S4及S5监测点的最终体积含水率较为接近，但小于S和S2监测点的体积含水率。 4) 在降雨强度为45 mm/h时，S1和S2监测点的体积含水率从初始体积含水率迅速增至最大值，无缓慢增加阶段，其最大体积含水率小于降雨强度为20和35 mm/h下的最大体积含水率；且5个监测点的最大体积含水率较为接近，相差2%左右；因此，在该雨强下土柱表面出现暂态饱和区的时间较长。 5) 在同一降雨强度下，从监测点体积含水率增长阶段的坐标点分布可知，S1监测点的坐标点分布最为稀疏，S5监测点最密集；因此，距土柱上表面越近，监测点的坐标点越稀疏。同理，对同一监测点，在不同降雨强度下体积含水率增长阶段的坐标点分布可知，10 mm/h最密集，45 mm/h最稀疏；因此，降雨强度越大，监测点的坐标点分布越稀疏。