土壤水流运动和溶质运移形式研究现状综述(2)

　　2.3土壤水流自身运动的非稳定性
　　
　　非结构性土壤中即使不存在大孔隙，由于入渗湿润锋不稳定也能在土壤中形成指状的优先流通道[59].Raats[37]最初描述指状水流的形成及持续特征时指出，当锋面的压力梯度与水流方向的压力梯度相反时，湿润锋的非稳定就会出现。其后，Philip[60-61]与Parlange和Hill[62]等的进一步研究表明，如果湿润锋的迁移速度随着入渗深度增加，则入渗过程中的微小扰动将使得锋面变得不稳定，开始呈均匀状态的湿润锋将增长并最终形成优先流通道。
　　
　　Nguyena等[63]提出指流在以下几种条件下都有可能产生：1）不易被水湿润的和非常干的土壤条件，2）水力传导度随土壤深度增加，3）湿润锋前部空气压力增加。但这些因素对指流的产生是必要而非充分条件，另外的一个条件是水分特征曲线的滞后性[64].Nieber[65]提出，如果在主要的湿润曲线进入毛管压力的水小于排水曲线进入毛管压力的气时，初始不稳定湿润锋将产生。Ritsema和Dekker[66]通过理论分析和模型模拟指出，指流由土壤水分特征曲线的滞后作用形成，指流的形成特征取决于水分特征曲线的湿润曲线和排水曲线；指流一旦形成，滞后作用在降雨过程中将引起指流沿着相同路径再发生。
　　
　　3 优先流模型理论的研究进展
　　
　　3.1连续性模型理论
　　
　　基于试验尺度和均匀介质假设条件下建立的连续性模型理论是描述土壤水运动和溶质运移的主要理论方法。在连续性模型理论中，土壤水动力参数是影响和控制水及溶质迁移和传输的关键资料。对于介质空间变异条件下水和溶质的运动与传输的模拟，很多研究都是在分析水动力参数空间变异性的基础上进行的，通过连续性方程模拟水流和溶质运动及分布的非均匀性和不确定性[67].近年来，随机模拟方法被用来直接考虑自然界的各向异性，模拟非均匀介质条件下的水流运动[68].应用随机模拟方法，比如蒙特卡洛方法，关键的一步就是确定所研究单元的运移参数和土壤性质的统计量，即均值、方差和空间变异结构[69].在结构参数确定后，采用条件或者非条件的方法产生水动力随机分布场，作为数值模型的输入参数分布，模拟土壤水和溶质在非均匀介质中的运动、分析流动的统计特性。针对土壤水动力参数的空间变异特性[70]和尺度特性[71]也均相应的进行了大量的试验研究和理论分析。但是，野外条件下的土壤水动力参数的测量是相当困难、昂贵和耗时的，并且大尺度范围条件下的水动力参数更加难于获得。
　　
　　连续性模型中，不论是在整个多孔介质中，还是在细网格尺度上都具有相同的几何维数。在应用三维模型时，人为的将几何维数设定为3.然而，对于单独的优先流通道，其几何维数接近1,导致模型模拟流速要小于实际流速，从而造成对于优先流通道中高速运动水流特性模拟偏差的增大。为了克服这种缺陷，一些研究[1,72]认为，土壤中的结构孔隙是流体快速运动的主要原因；研究区域可划分成由土壤团聚体间孔隙、大孔隙和裂隙构成的优先域和由小孔隙（团聚体内部孔隙）构成的基质域，2个区域相互影响和作用；优先流运动和基质流运动共同存在于同一位置，实际水流运动是2种流动在某种程度上的耦合。目前，对于基质域中的水流运动，一般都采用Darcy定律和Richard方程来描述，而对于如何描述优先域中的水流运动则还未达成一致的观点；许多研究者根据自己的研究成果，对优先域中的水流运动提出了不同的简化模型和经验公式，但由于参数较多且缺乏标准的测定方法，目前为止，这些模型和公式仍局限在理论和室内控制条件下的研究[1].此外，目前的连续性模型都还无法很好地解释和预测指流的形成和发展过程[73].
　　
　　由于流体运动的各向异性、尺度效应和非线性（不稳定性），传统的连续性模型假设土壤水和溶质在均匀介质条件下运移的理论和方法不能用于解决非均匀介质中的水流运动问题[74].与连续性模型的模拟结果相比，非均匀介质中水流运动和溶质运移表现出更复杂的特性，因此，在田间尺度或更大的观测尺度下，连续性模型理论也不能用于描述介质中水流运动和溶质运移的行为[75].Wood和Norrell[76]的研究就表明，在100、101以及102 m2甚至更大的观测尺度上，流动均表现出非均匀性和动力传输的非线性（或非稳定性）。Wood等[77]运用连续性模型模拟裂隙结构中的水流运动，结果表明即使对在更小的室内尺度下进行的非均匀水流运动和溶质传输试验，连续性模型仍不能取得较满意的结果。Busenberg等[78]对地下水中化学物质含量的监测结果也表明，水流通过非饱和区补给地下水的速度比连续性模型的模拟预测结果要快很多。
　　
　　3.2离散模型理论
　　
　　针对连续性模型基础和实际应用中所面临的各种难于解决的问题，近年来离散模型逐渐被用于描述非均匀水流运动。不同于连续性模型，离散模型将土壤中的水体作为具有一定形状和包含一定信息的“粒子”结构体，通过某种简单的运动规则使这些“粒子”结构体产生复杂的空间分布，所产生的分布模式与土壤水流的非均匀运动模式从统计意义上来说具有某种相似性[79],弥散限制聚合（diffusion limited aggregation,DLA） 模型[80]和入侵渗透（invasion percolation,IP）模型[81]都属于这类方法。
　　
　　DLA模型的一个典型特征是能产生具有分形特性的“丛”（cluster）。最初的DLA模型以点源作为源粒子，现今的研究中大多运用Meakin[82]引入的线源DLA模型，他运用该模型模拟了溶质迁移试验的边界条件。通过改变粒子在不同方向上的行走概率，DLA模型既能模拟均匀分布的化学物质（如活塞流动），也能模拟由于大孔隙和指状流引起的复杂的分布[83].该模型已成功地应用于描述优先流产生的试验结果[84].此外，DLA模型已用于水文动态非饱和混合置换的粘性指状分析[85].
　　
　　IP模型最早由Wilkinson和Willemsen[81]提出，他们用该模型模拟了湿润区为稳定压力势的渗透。Glass[86]用改进的入侵渗透模型（modified invasion percolation, MIP）模拟水流速度很小、在孔隙尺度只考虑重力（忽略粘滞力）作用时，受重力驱动的指流形成及湿润锋结构。IP模型模拟指状流时不存在明显可见的长度尺度，而MIP模型模拟重力指流时，长度尺度可按指流的宽度大小顺序定义[86].基于IP理论构建的模型，如元胞自动机动态模型和晶格结构气体模型，已运用于水流和溶质传输规律研究[87].
　　
　　目前，DLA模型已被成功地用来描述小尺度的试验结果，但是这种模型的计算工作量大，还不能用来解决大尺度的问题；同时，用这种模型来描述非饱和水流及溶质的运移时，还缺乏完整的理论基础[79].IP模型主要被用来描述孔隙尺度的流体运动过程，也取得了一定成功，但是这种模型的物理意义尚不明确，同样还无法用来解决大尺度的实际问题[79].
　　
　　3.3分形模型理论
　　
　　分形是自然现象的普遍特征。近年来的研究表明优先流具有明显的分形特征[58].如，Flury和Flühler[59]采用DLA模型模拟了溶质的运动模式，研究结果表明优先流不仅表现出分形特征，并且描述分形特征的参数也表现出一定的规律性；Persson等[84]观测到染色剂在土壤中的运动路径具有分形特征；Wang等[88]对砂土条件下的优先流进行了一系列的染色示踪试验，并采用分形理论对流动模式进行了模拟，结果也显示用于描述优先流特征的参数表现一定的随入渗条件变化的规律性。Liu等[89]指出离散模型之所以能捕捉到优先流的细部特征，正是在于这类模型能够产生与优先流相似的分形（多重分形）结构，并在此基础上建立了用于描述裂隙介质中水和溶质输移过程的活动裂隙模型（active fracture model,AFM）[89].
　　
　　为描述非饱和带土壤中的水流和溶质运动过程，Liu等[79]在AFM基础上根据土壤介质特性和流体运动特征建立了活动流场模型（active region model,ARM）。ARM模型参数为优先流运动分形维数的函数，从而抓住了优先流的细部（分形）特征。Sheng等[58]的试验研究证明ARM有效的捕捉到了多种入渗条件下优先流运动的整体非均匀信息，并且ARM模型参数（可用于描述和比较优先流的非均匀特征）也表现出一定的标度不变性。然而，相对于土壤介质的物理和水动力性质的分形研究而言，土壤优先流分形性质的研究才刚起步，分形模型建立的理论基础、模型参数确定、模型参数与土壤介质性质之间的关系以及模型对于非均匀流动描述的效果等问题都还需进一步的研究。
　　
　　4 优先流观测技术的研究进展
　　
　　研究优先流发展变化的特征和规律，关键的一步就是要确定优先流流场和流场内土壤含水率的分布。近年来许多新方法和新技术被用于优先流的室内外观测中。其中，染色示踪技术和离子显色示踪技术由于它们能直观的显示优先流分布模式且无需大量的经费投入而得到广泛应用[90].
　　
　　4.1染色示踪技术
　　
　　染色示踪技术是通过随入渗水流渗入到土壤中的染色剂来显示土壤优先流现象的一种试验技术[91].由于其颜色鲜明、价格低廉、与土壤基质颜色差异明显、试验耗时短等优点，染色示踪技术已成为判断和研究优先流的结构和动力学特征的常用方法[92].染色剂溶液通常采用人工模拟降雨的方式播撒至土壤表面，在野外也可以用喷壶等它工具来喷洒染色剂溶液[93],或用矩形或圆形入渗框（环）在土壤表面形成瞬间或恒定积水入渗[94].待入渗完成后，通过开挖土壤剖面（水平剖面或垂直剖面），可获得土壤优先流路径的直接分布，从而为进一步分析土壤中水分和溶质的运移模式提供依据。
　　
　　可用于优先流示踪研究的染色剂种类很多。如，Bouma等[95]和Natano[97]应用亚甲基蓝（methylene blue）作为染色剂分别观测了野外粘土中溶质的运移状况和土壤中大孔隙的形态特征；Sollins和Radulovich[96]运用罗丹明（rhodamine,WT）作为染色剂研究了土壤中植物根孔对优先水流和溶质运移过程的影响；Flury等[98]和Forrer等[99]利用亮蓝（brilliant blue,FCF）作为染色剂研究了不同类型土壤中大孔隙流的差异性；Noguchi等[100]利用丙烯酸纤维树脂乳剂（acrylic resin emulsion）作为染色剂研究了马来西亚热带雨林土壤的物理特征与优先流路径。王康[101]在其专着《多孔介质非均匀流动显色示踪技术与模拟方法》中列出了可用于非饱和带土壤水流运动示踪研究的染色剂的一些信息，包括染色剂种类、商用命名、通用名、色调、荧光性和用途等；指出亮蓝、若丹明、亚甲基蓝和酸性红（acid,IU）等是土壤优先流示踪研究最为常用的染色剂。
　　
　　Flury和Flühler[59]与Flury和Wai[102]指出，作为土壤水流运动示踪的理想染色剂应当具备以下特征：1）具有鲜明的颜色，以便于被人工或计算机软件识别出来；2）在水中有较高的溶解度，且具有与水流相一致或接近一致的迁移特征，以便能准确显示土壤水流运动的范围；3）这种染色剂本身及其衍生物应当是无毒或低毒的，以免造成环境影响或破坏；4）染色剂本身在自然环境中的本底值较低，以便能从背景环境中被方便的识别出来；5）染色剂对土壤溶液化学性质的变化不敏感，其迁移转化不受溶液的酸碱度和离子影响。近年来大量的研究[97]表明，亮蓝（brilliant blue,FCF,颜色索引：42090） 是同时具有以上特征的理想染色剂：亮蓝的颜色极为鲜明，且蓝色与土壤基质颜色（砖红色、灰色或黄色）反差大、易于识别；亮蓝在水中的溶解度高，随水流迁移的一致性较好（尤其是在沙土中）；亮蓝是一种食品添加剂，在其使用的浓度范围内，几乎不具有毒性；亮蓝在自然环境中的本底值为0,且其化学性质极为稳定。此外，亮蓝价格相对便宜，这也有利于其广泛使用，尤其适用于开展大尺度的野外试验。但需要注意的是，土壤粘粒（特别是粘粒含量较高时）对亮蓝分子的吸附作用会导致亮蓝染色剂的示踪范围明显滞后于入渗湿润锋的实际迁移范围[103].
　　
　　4.2离子显色示踪技术
　　
　　与染色示踪剂不同，用于优先流示踪研究的离子显色示踪剂自身一般不具有颜色，需要通过附加的显色反应（如I-经氧化剂氧化成I2后与淀粉生成蓝紫色的反应）才能指示出优先流路径。Cl-、Br-和I-等无机负离子由于其几乎不被土壤粘粒（带负电荷）所吸附[102],因此，这些离子即使在粘性土壤条件下也具有与土壤水入渗湿润锋相一致的迁移速特征。其中，I-由于其溶解度高、毒性低、经显色反应生成的蓝紫色易于识别等优点，特别适用于粘性土壤条件下的优先流示踪研究[104-105].由于需要附加的显色反应，碘-淀粉显色示踪技术相对以亮蓝为示踪剂的染色示踪技术而言要复杂和耗时。具体选择哪一种示踪技术，主要取决于试验土壤的性质。