黄土 - 古土壤序列渗透性与微观结构演化：基于沉积时间的预测模型分析

饱和导水率（Ks）是评估黄土水致灾害的关键参数，但其测定因黄土 - 古土壤序列复杂性而困难。研究通过竖井取样和实验，构建以沉积时间（T）为变量的Ks预测模型，揭示其随时间的三阶段演化及微观机制，为地质灾害评估等提供可靠参数。

　　

黄土高原上的 “水密码”：破解黄土层渗透性预测难题

在广袤的黄土高原，层层叠叠的黄土与古土壤犹如大地的 “年轮”，记录着数百万年的气候变迁。然而，这些看似普通的土层中，却隐藏着影响地质安全的关键密码 —— 饱和导水率（K_s）。作为衡量水分在土体中流动能力的核心参数，K_s直接关系到黄土地区的 collapsibility（湿陷性）、土壤侵蚀和滑坡等灾害的发生风险。但长期以来，黄土 - 古土壤序列复杂的空间变异性、多层结构的差异性以及取样成本高等问题，使得精准测定K_s成为地质与岩土工程领域的一大挑战。传统的实验测试和经验估算方法不仅耗时费力，而且不同方法得出的结果差异显著，难以满足工程实践中对成本效益和准确性的双重需求。

为了攻克这一难题，来自长安大学等国内研究机构的科研团队，将目光聚焦于黄土沉积过程中最具时间刻度意义的 “沉积时间（T）” 变量。他们在陕西泾阳县选取了一处具有 880 千年沉积历史的黄土 - 古土壤剖面，以 1 米为间隔采集样本，开展了系统的实验研究。通过 falling head permeability tests（变水头渗透试验）测定各层位的K_s值，结合压汞法（MIP）和扫描电子显微镜（SEM）技术，深入分析孔隙结构演化与渗透性变化的内在关联，最终构建了基于沉积时间的K_s预测模型。这项研究成果发表在国际地学领域知名期刊《CATENA》上，为黄土地区水文工程设计和地质灾害评估提供了全新的解决思路。

研究方法概览

研究团队采用了多技术联用的方法体系：

1. 竖井取样与分层测试：在黄土高原南部剖面获取连续 1 米间隔的黄土 - 古土壤样本，覆盖 880 千年沉积序列。
2. 变水头渗透试验：使用 TST-55 渗透仪，依据 GB/T 50123-2019 标准对样本进行真空饱和处理，测定K_s值。
3. 孔隙结构分析：通过压汞法（MIP）测定孔隙大小分布（PSD），将孔隙分为微孔（d <2μm）、小孔（2μm < d < 5μm）、中孔（5μm < d < 20μm）和大孔（d> 20μm）；利用扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构特征。

研究结果解析

1. 物理性质与K_s的时空分布

随着沉积时间增加，黄土层含水率（MC）呈现波动上升趋势，表层约 8.0%，底层增至 20.0%，古土壤层平均含水率（19.1%）高于黄土层（16.4%）。K_s值与沉积时间呈现显著负相关，上层黄土因压实作用较弱，K_s较高；深层古土壤因致密结构和高黏粒含量，K_s显著低于同层位黄土。

2. K_s演化的三阶段模型

通过孔隙结构与 SEM 图像分析，揭示了K_s随时间的三阶段演化规律：

• 高峰期（沉积初期）：新沉积黄土具有松散多孔结构，大孔（d > 20μm）和中孔占比高，K_s达到峰值。
• 衰减期（成土与压实阶段）：随着 pedogenesis（成土作用）增强和上覆土层压力增大，黄土中的悬浮孔隙被压缩，古土壤中的裂隙逐渐闭合，中孔和大孔减少，K_s呈指数级下降。
• 稳定期（长期压实后）：当沉积时间超过一定阈值，孔隙结构趋于稳定，K_s变化速率减缓，进入相对稳定状态。

3. 微观机制与模型验证

压汞法结果显示，黄土孔隙分布呈双峰型，主要峰值集中在 1-10μm 和 0.01-0.1μm 区间，而古土壤以微孔和小孔为主。SEM 图像直观展示了黄土从松散堆积（含架空孔隙）到紧密压实（孔隙减少）、古土壤从团粒结构（含裂隙）到均质密实的转变过程。构建的K_s-T预测模型通过多组样本验证，能有效捕捉不同沉积时间下的渗透性变化，预测误差低于传统方法。

研究结论与意义

本研究首次将沉积时间作为核心变量，建立了黄土 - 古土壤序列K_s的动态预测模型，揭示了其演化的三阶段特征及孔隙结构控制机制。研究发现，沉积时间不仅是地质年代的标志，更是土体物理性质和渗透性演变的 “驱动因子”，通过该模型可低成本、高效地预测不同层位的K_s及其变异性，为解决工程中合并土层导致的参数偏差问题提供了科学依据。

这项成果的重要性体现在多个层面：对地质灾害防治而言，精准的K_s数据可提升降雨诱发滑坡和土壤侵蚀模型的预测精度；对水文工程设计而言，减少了传统大量取样的成本，为地下水资源评估和防渗工程提供了可靠参数；从学术角度看，拓展了黄土沉积学与岩土力学的交叉研究，为全球类似风积物地区的渗透性研究提供了新范式。正如研究团队指出，黄土高原的 “时间密码” 不仅藏在层理之中，更能通过科学模型转化为守护大地安全的有力工具。