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1、 D01:10.13758/ki.tr.2012.06.012 土壤 （ Soils)， 2012,44 (6): 905-916 土壤优先流研究现状与发展趋势 徐宗恒 1,徐则民 1 ，曹军尉 2,孟庆会 1 (1 昆明理工大学建筑工程学院土木系，昆明 650500; 2 云南云铜锌业股份有限公司，昆明 650000) 摘要： 优先流是近年来针对土壤水运动所提出的术语，是土壤中水运动机制研究由均匀走向非均匀领域的标志，是指 在土壤芥向异性的情况下，水分和溶质在多重因素的共同作用下，沿着特走的路径向下发生非稳定渗流的现象。优先流是造成 降雨型滑坡、泥石流等地质灾害以及地下水质污染、农业土壤中养
2、分流失等现象的主要诱因之一，所以深入开展优先流的研宂 显得尤为重要。本文从优先流的界定出发，主要介绍回顾了优先流数学模型的发展和研究优先流所采用的技术手段和方法，最 后总结并探讨了优先流研宂中存在的问题和发展趋势。 关键词：土壤：优先流；数学模型；技术方法；趋势 中图分类号： TIJ4： ! 上世纪中期以来，全球变暖趋势日益加剧，强降 雨及异常 高温等极端天气过程及其诱发的次生灾害的 发生频率越来越高 14,在山区流域，包括暴雨、大暴 雨和特大暴雨在内的强降雨过程 M促使广大的谷坡 区形成了滑坡泥石流等区域性、群发性斜坡灾害。而 对于这一现象，既有研究更多概括为 “ 降雨诱发滑坡 ”, 但这只
3、是一种习惯性说法，从斜坡水文学及水文工程 地质学的角度看，诱发植被发育斜坡失稳的并非降雨 本身，而是降雨转化的地下水，从时序上来看，降雨 与滑坡是通过 “ 降雨 部分雨水穿透植被盖层 大部 分雨水以优先流形式迅速补充斜坡地下水 地下水与 岩土体相互作用 滑坡 ” 这一过程 系列间接相连的。 1980 年，美国长岛东部居民的 1 000 多个饮用水 被Aldicarb 所污染 ml; 2004 年 11 月，第二届土壤污 染和修复国际会议上中国土壤专家表示，在长江三角 洲地区己经测出 16 种多环芳烃类物质， 100 多种多氯 联苯，还有 10 余种其他毒性更强的持久性有机污染物 12，对于这一
4、现象，污染物的源头和地下水体受污染 主要是通过“ 农用化学物质施于田间或者工业废水等 的排放 部分污染物经降雨、灌溉水分溶解 化学污 染物与水分一起以优先流形式进入地下水并迁移 地 下水体受污染 ” 这一过程起作 用的。 以上的现象并不是个别案例，更多的例子此处不 再详述 7。强降雨后尾随的斜坡地质灾害和地下水受 污染对人类造成的严重威胁己引起了世界各国的广泛 关注，而以上所述的现象与本文所研宄的土壤优先流 有着密切的关系，深入开展优先流的研宄工作显得尤 为重要。 1 优先流的界定 优先流是一个土壤水文学概念，由于土壤的异质 性，它是一种较为常见的土壤中水分运动形式，优先 流目前并没有统一的概
5、念，许多科学家仅针对自己的 研究成果，从不同角度提出了对优先流的不同认知。 Beven 和Gennaniib1982 年针对土壤在大孔隙中快速 迁移的现象来阐述了优先流，提出优先流就是水流通 过大孔隙而绕过土壤基质快速向下迁移的现象。限于 当时的条件和认知，此种说法很狭隘地将优先流归结 为大孔隙流。Hendrickx 和 Fhuy14将优先流又称之为 非均匀流，非平衡流，是水份和溶质沿某些特定的路 径运动而绕过部分多孔介质向下入渗的的现象。 81123等 15通过对用于优先流定量化研究的不同技 术的回顾，提出了优先流是水分（连同溶解物和悬浮 物）通过在总孔隙网络中所占比例较小，但比微观尺 度大
6、得多的孔隙中传输的现象。 此观点从空间网络尺 度对比的角度提出了对优先流的见解。总的来说，各 种观点的提出都有共同的特点，即在土壤各向异性的 情况下，优先流就是在众多外部因素的共同作用下， 基金项目：国家自然科学基金 -云南联合资金重点项目 （ U1033601 )和交通部西部科技项目 （ 2M831876723)资助。 * 通讯作者 （ ) 作者简介：徐宗恒 （ 19S7 ， 男，云南永胜人，博士研宄生，主要从事水文地质方面的研究。 E-mail: xuz ngheng2Q 906 土 壤 第 44 卷 沿着特定的路径向下发生非稳定性渗流的现象。所以 说，水分在非饱和带中的运移是不简单的一维
7、垂直向 下流动，而是越过大部分土壤的体积沿着优先路径进 行流动，其湿润前锋推进的速度远远超出了流动处于 低速层流状态得到的 Richards 方程所预测得到的结 果，即是说，开展土壤中优先流的研宄要比对流动处 于低速的平稳流研宄要复杂得多。 由于土壤的异质性以及土壤中的干裂缝、植物根 系、虫孔等大孔隙的存在，土壤优先流有多种的表现 形式，有各自的流动形式。牛健植和余新晓 1U6在分 析总结其他学者的研究成果的基础上，提出了优先流 的表现形式主要有大孔隙流、环绕流、管流、指流、 漏斗流、沟槽流、短路流、部分置换流、地下强径流、 非饱和重力流、异质流、摆动流及低洼再蓄满 ： Suzmme 等 15
8、在对优先流不同的研宄技术回顾的基础上，指出 优先流可划分为裂隙流、孔穴流、 指流、侧向流以及 大孔隙流。而就既有研宄情况来看，优先流的研宄主 要偏重于大孔隙流，指流和漏斗流三类非平衡渗流方 面 17-19。 对于优先流的研宄，最早可以追溯到 1864年入渗 过程中针对 “ 大孔 ” 的研宄 11，之后各国学者针对土 壤水入渗过程中水分和溶质沿裂缝、虫孔、植被根系 快速迁移的大孔隙流和层状土壤中的指流等优先流现 象进行了较系统的研宄，但这些试验大多都是破坏性 试验，而且这些研宄都只是停留在对优先流现象的定 性描述层次上。随着 Hounsfiledl973 年发明的计算机 层析成像技术的问世，以
9、及 20 世纪 90 年代初期，以 CT 成像技术为代表的现代化仪器以及染色示踪等无 损伤试验技术在优先流研究领域得到了广泛的运用， 极大地推动了优先流的定量化发展。进入 21 世纪，既 有研宄侧重于借用现代化仪器观测优先流现象，进一 步揭示了优先流的形成机制以及对优先流现象进行精 确定量化。 2 土壤优先流数学模型研究现状 优先流的存在，使水分的运动不遵循经典的达西 定律，且由于优先流自身的表现形式很多，所以开展 优先流的数学模型的研究难度较大。本节从水流动的 Richards方程和溶质迁移的对流 -弥散方程入手，来探 讨在优先流数值模型方面取得的进展。 2.1 平衡渗流模型 最基本的渗流模
10、型是基于水分迁移的 Rcichards方 程和基于溶质迁移的对流 -弥散方程得到的平衡渗流 模型 de d dh - = -Km- + m-S ，推 +网 +_ dt dt ot ob & 式中为坐标值、 f 为时间、 A 为压力水头、 为含 水量、 A 为非饱和水力传导系数、 c 和 5 为在固相和 液相中溶质的含量、 g 为单位体积流量密度、为一 阶速率常数、 r 为零阶速率常数、为土壤体积质量 (容重）、 D为弥散系数。虽然上述模型仅适用于平 衡渗流的情况，但目前的很多模型，如双重孔隙模型 和多重孔隙模型，都是附加假设条件，对平衡渗流模 型进行改进得到的模型，所以平衡渗流模型是建立其 他
11、模型的基础。 对于上述模型的求解，因缺少计算非饱和导水系 数r 和弥散系数 D 的一般有效公式，使得计算存在一 定的凼难，而目前采用的经验法和反复迭代法使得计 算具有很多的经验成分。王印杰和王玉珉 pl针对上述 的缺陷，从土壤微观统计学角度出发，用各向均一无 结构土壤“ 切片 ” 孔径级配函数构建的统计毛管束模 型和土壤水分布的力学原理，提出了非饱和土壤水分 特性函数的一般有效计算公式。王玉珉和王印杰 22根 据前述一般有效计算公式，用分离变量法直接求解 Rcichards 方程，用土壤水动力学方法分别导出了含有 渗前土湿因子的新入渗公式。为了协调平衡渗流模型 在精度、稳定性和计算效率之间的矛
12、盾，田富强和胡 和平 23对时间步长进行优化控制，发展了一种变步长 的计算模型，计算结果表明，该模型具有较高的计算 精度、求解效率和稳定性好等优点； 1 6 技 1等 24给 出了一种基于质量守恒，计算混合形式 Richards 方程 的数值求解自适应的吋间步长和容许误差的方法，该 方法的关键在于压力水头局部截断误差近似值的计 算。 2. 2 单孔隙模型 最简单的非平衡渗流模型是 Ross和 Smettem:5 建立的单孔隙模型，它是基于平衡渗流模型得到的， 将方程（ 1)中紧耦合的含水量 0 和水头压力 A 解耦以 后，附加一个线性的驱动函数，将得到的结果用隐式 有限差分方程表示出来得到如下
13、方程： 0 = + (6I,+1 -6 )1- exp(-Af/ r) (2) 式中： r 为平衡稳定时间， Af 为时间步长，上标片 1 和 /表示在时间间隔内两相 邻的时间点。单孔隙模型 优点在于模型中仅运用一个附加参数来研究非平衡渗 流，而且还可以运用到现有的饱和渗流模型中。 Nathan等 p6利用有效的场地尺度参数建立了地 表下排水场地水分和溶质迁移的单孔隙模型，针对水 第 6 期 徐宗恒等：土壤优先流研究现状与发展趋势 907 分： r -=K(h)v(h-z) dt J q = -K(h)Vh-z) n S er I n t l + ahrh) r 当办 o 时， : 当 r,:
14、别较系统地研 宄了非饱和土壤中的浅层 土壤的溶质含量与声波传播速度的关系以及砂土中黏 粒含量和孔隙特性对介质中声波波速的影响。 到达 20 世纪末，声波探测作为一种辅助工具，与 TDR 技术，或者染色示踪技术相结合，被广泛地运用 于非饱和渗流问题的研宄中，以此来确定水分和溶质 在非饱和带土壤巾的分布。 Flamme 丨、等 和則 1丨丨丨 1等 p6 是最先将声波探测技术运用于非饱和渗流研宄的人。 Flammer等 85利用声波探测技术研究了非饱和土壤中 的水分流动形式，他通过用穿过土壤的声波脉冲信号 的传输速率和土壤对声波的吸收 情况来反映土壤含水 量的变化，并用Bmtsaert 模型对实验
15、数据进行数值模 拟，将得到的结果和示踪剂得到的水分分布情况作对 比，结果表明用示踪剂试验得到的结果与理论分析和 声波脉冲试验方法得到的结果相吻合。 Blum 等 用 TDR 技术将声波的传输时间转换成声波的速度分布， 再将声波的速度分布通过 21个时间系列转换成土壤 的含水量，从而确定土壤的优先流路径。 3. 6 电阻率层析成像法 电阻率层析成像是通过向地下供电，形成以供电 电极为源的等效点电源激发的电场，再由在不同方向 观测的电位或电位差来研宄探测区的电阻 率分布的一 种地球物理方法 87。由于土体的电阻系数是土壤含水 量、结构等物理参数的空间和吋间变异性的反映（土 壤电阻系数可以表示成土壤
16、物理参数的函数 ）， 所以 该方法为研宄土壤中物理参数随时间的变化提供了有 利的工具。电阻率层析成像技术具有探测深度大、分 辨率高、代价小等优点，广泛运用于地下水探测、水 分和溶质迁移等土壤科学研宄中。 1987 年 Shinia 和 Sakayama 在 SEG (经济地质学 家学会 ） 会议上首次提出了这种具有非破坏性的探测 技术，并称之为 “resistivity tomography” s，随后， Scollar等 1891 给出了此种地球物理探测方法用于获取物 理参数的基本原理，指出用电阻率层析成像法来研宄 土壤导电率和土壤物理参数之间关系主要集中在研宄 其与土壤含水量之间的关系，而
17、在研究时都是假定了 溶质的导电性是恒定不变的，忽略了其于土壤含水量 变异对其的影响。Archie%用新鲜的砂岩在实验室条 件 下 研 究 得 到 经验公式 （ Archie 定律 ） ： ,式中： S 为饱和度，为与饱和度 有关的系数，常数 a 为饱和系数，常数 m 为胶结因子， 为孔隙水的电阻率， 0 为孔隙度。 第 6 期 徐宗恒等：土壤优先流研究现状与发展趋势 911 电阻率层析成像方法研宄渗流问题属于反演计算 的范畴，它是通过探测技术获得了土壤含水量等参数 随时间的变化结果，然后重组各参数在空间的分布问 题，然而在反演计算过程中，一些反演问题是欠定的， 而且该方法获得的数据仅局限于二维
18、平面内，从而增 加了使 用 该 方 法 的 困 难 。 为 了 克 服 此 缺 陷 ， Vanderborght 等 92以人造蓄水层为研究对象，借助延 时 ERT 方法，用数值的示踪试验来研宄了土壤渗透系 数和二维平面内染色剂迁移特性的空间关系，其中示 踪剂在平面内的迁移模式用等效的对流 -弥散迁移模 型来解释，获得其在空间内的等效迁移特性，并用流 管模型来表征局部的穿透曲线。 表 1 列出了 6 种目前常用的试验技术手段的优点 和缺点。 表 1 6 种优先流研究所采用的技术方法优缺点对照表 Table 1 Advantages and disadvantages of six tedini
19、cal means for preferential flow researdi 技术 _ 染色示踪技术 非浸入式影像获得技术 CT 技术 MRI 技术 地下雷达探测 （ GPR)技术 微张力测蛍 （ TDR)技术 声波探测技术 电阻率层析成像法 （ ERT) 优点 _ 操作简单、代价小、直观明了 非破坏、直观、扫描快速方便、精 确确定 2D和 3D 孔隙 N 络 非破坏、精确度高、 3D 水分或溶质 迁移有很高的空间分辨率 位罝确定准确、精度高 非扰动性、低劳力消耗、操作简易、 便于携带性 声波对水分的分布更敏感、穿透力 强、设备简单、对人体无害 探测深度人、分辨率卨、经济实惠 缺点 _ 人
20、都是破坏性试验、定性、需借助现代化设备才能实现定蛍化 需要专业技术、代价高、需要往外送扫描单样品、小尺度的样 品不能取到代衣作用、稍大的样品扫描困难、处理以及误差大 辐射范网较小，同时顺磁物质的存在会干扰成像 探测深度有限、多适用于人尺度条件下 会受温度和湿度等多闪素的影响、输入电磁波的能蛍耗散人， 会导致反射接收的信息模糊，造成失准 93 显示不太直观、探测难度大、识别需要 -定的专业技术 反演问题 般欠定，获取数据仅局限于平面内 现代化技术在研究多孔介质水份分布和溶质迁移 方面起到了重要作用，除上述的现代化技术外，如光 子发射 （ SPEC) p4，伽马射线 95，中子成像 96等 _系
21、列的成像技术，如烟气注射 97、松脂浸入 ps等一些简 单易行的方法也相继运用于非饱和介质渗透研宄，但 这些技术目前运用在实践中不是很成熟，仍需一个实 践的过程，过程中反映出来的不足之处也是目前学者 们需要解决的一系列问题。 需要提出的是，单独使用各种试验研宄技术进行 优先流研宄的时候，会有各自的缺陷。如：运用 CT 技 术可以精确地构建土壤中大孔隙网络图，但并不能知 道在哪一个孔隙网络部分水力性能活跃。以及染色示 踪的剖面能显示示踪剂在孔隙网络的传输，而土壤的 吸 附作用可能会使示踪剂在某一孔隙网络中得不到真 实的反映。所以，很多时候试验研究技术需要同时使 用来互相弥补不足或者利用多个方法得
22、到的试验数据 进行比对论证，才可达到预期的研宄优先流的目的 13 161。如： Morris 和Mooney在实验室条件下进行人 工降雨，取一个大体积非扰动土柱，用染色示踪技术 结合 TDR 技术来研宄优先流的物理和形态学特性，为 获取一系列的高分辨率的优先流路径图像提供了 -种 方法。 4 土壤优先流研究中的问题和展望 (1) 前期土壤优先流的研究大致可以分为 3 个 阶段： 最初对入渗过程 中大孔现象研宄引起的对优 先流定性化的研宄； CT 成像等无损技术投入到室内 室外试验中，并借助数学手段对优先流进行定量化的 研究 ， 目前更多的先进仪器投入到试验中，提高了 计算精度。下一步的研究重点
23、仍在于借助先进仪器， 采用多因素综合分析方法，使得优先流的研宄进一步 精确定量以此来揭示优先流运动机理。 (2) 优先流是造成降雨型滑坡、地下水质受污染、 泥石流等灾害以及农业土壤中养分流失等现象的主要 诱因之一，但所进行的相关试验条件则有偏于实际情 况，如针对降雨型滑坡、泥石流的研究， Zhang 等 1M 在三峡船闹附近进行现场渗透试验时，为消除植被对 入渗的影响，铲除了植被及其根带；周中等 lm在贵州 某堆积层边坡进行降雨致滑试验时不仅清除了试验区 植被，而且按 1:2.5坡度进行了刷坡；室内模拟试验 更无法再现真实的植被覆盖及其枯落物对降雨 入渗的影响。这些既有成果来描述无植被裸坡对降
24、雨 入渗产生的优先流现象的响应，显然与植被发育斜坡 对优先流的响应行为之间的差异显然是巨大的。所以， 所进行的试验应该尊重研宄对象的实际情况，得到的 912 土 壤 第 44 卷 研宄成果才更具针对性，指导意义更明确。 (3) 土壤优先流既有研究对象单一，主要集中在 斥水性砂土、粗质砂土、黄土粉土等性质的土壤，试 验条件也较少涉及冻土等异类环境条件。另一方面研 究主要集中在水分和溶质在优先流路径中的非平衡迁 移，较少涉及到微粒随水分或有毒气体（如：瓦斯等 ） 在土壤或岩体中的非平衡迁移，所以优先流的研究应 该扩展于广义的优先流范畴，让其更具一般性。 (4) 土壤优先流的既有研宄具有分散性，并未
25、形 成一个统一的研宄体系。学者们对优先流都有着自我 认知，所进行的试验提取的数据均具有强地域性，使 得研究不具有普遍性，确定优先流中的参数同时就有 了地域性。因此，应该加强优先流的统一化研究，一 方面可以引入和完善随机理论（如：蒙特卡洛法 ） 、 统计学方法等理论来完善既有的研宄成果，另一方面 可以提高试验手段和精确数据处理。 (5) 优先流的定量化是一个研宄热点，光子发射 (SPEC)、 伽马射线及中子成像等一系列的现代化成 像技术将会为定量化研宄带来新的曙光，尝试运用新 技术进行试验将是优先流研究往后发展的趋势。另外， CT扫描技术、磁共振技术等在试验过程中存在诸多的 不足，它们并不是专属
26、于土壤优先流的研究工具，所 以设计发明一套专业的、简单但又不失精度的专用于 优先流研宄的仪器是当前科研人员的一个攻克目标。 参考文献： 1 Dehn M, Burger G, Bum a J, Gasparetto P. Impact of climate change on si ope stability using expanded downscaling. Engineering Geology, 2000, 55(3): 193-204 2 IPCC. Climate Change 2001: Synthesis Report. A Contribution of Working G
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