砂砾层覆盖于土壤表面，具有抑制土壤水分蒸发、抵抗土壤侵蚀的作用。砂田作为
一种旱作覆盖技术，长期应用于我国西北干旱半干旱地区，具有明显调节农田微环境的
效果。相关研究具有理论与实用价值。
降雨过程中，雨水穿过覆盖层砂砾颗粒间的空隙下落至土壤表面并渗入土壤，其中
部分雨水会被砂砾覆盖层截留。本项研究根据颗粒物质物理与力学、材料学和统计学理
论，构建了均一和非均一砂砾覆盖层截留降雨量的计算模型。通过模拟降雨测定砂砾覆
盖层截留量的实验验证了模型的有效性。
本研究取得的主要结果包括：
（1）对于均一砂砾覆盖层，可采用平均等效粒径表征其颗粒特征。形状、大小各异
的颗粒构成的群体，具有一定自相似特征，可以用分形维数来表征；如土粒质地情况就
可以细度分形维数来表征。但由于砂砾级配中往往存在某一粒级（较小的粒级）范围内
的质量为零情况，零的对数不存在，以致不能确定其分形维数，因而不能用分形维数表
征覆盖层砂砾的颗粒特征。
（2）对于非均一砂砾，根据筛分析法的实验结果可求得非均一砂砾试样的总体等效
平均粒径。确定了总体等效平均粒径作为表征非均一粒径砂砾试样的技术指标。
（3）砂砾层持水量可分为动态持水量和静态持水量。在降雨过程中，覆盖层中砂砾
颗粒间空隙中流动的水体，会因降雨不断地流入覆盖层而被更新；这部分只在降雨过程
中存在于砂砾覆盖层中的水量称为动态持水量。动态持水过程比较复杂，试图用模型定
量描述其过程或计算其技术指标比较困难。降雨停止后，砂砾覆盖层中滞留的雨水经过
一段时间的排滴过程，当不再有水体下流时，被截持在砂砾覆盖层中的水量称为静态持
水量。静态持水量是降雨后实际被截留在覆盖层中雨水量。
（4）根据对均一砂砾覆盖层物理特性的分析，提出了确定均一砂砾覆盖层的最大静
截留水量的计算方法。用模拟降雨实验检测结果对模型计算结果进行 Paired-Samples T
Test 过程双侧检验，结果显示，模型计算结果与实验检测的结果差异无显著性。5）根据对非均一粒径砂砾的级配特征的分析，提出了确定非均一粒径砂砾覆盖层
截留雨水量的计算方法。将模型的计算结果与实验检测结果进行 Paired-Samples T Test
过程双侧检验，结果表明，模型计算和实验检测的结果无显著性差异。
本项研究所确定的砂砾覆盖层最大静截留水量的计算模型，是建立在覆盖层技术特
征分析基础上的半理论半经验模型。模型考虑了水与砂砾间的物理作用，较统计模型具
有更广泛的通用性和更明确的物理意义。研究结果可以用于定量预测砂砾覆盖层截留降
雨量的大小。
关键词：砂砾覆盖层；入渗；产流；蒸发；截留降雨；计算模型