土壤水流运动和溶质运移形式研究现状综述(3)
时间：2016-10-31 来源：未知 作者：chunt 本文字数：23281字 碘-淀粉显色示踪方法在优先流运动模式和非均匀特征分析[84]、灌水均匀性分析及灌水效率分析[92]等方面都取得了较好的效果。但是，对于示踪剂溶液中I-的合适浓度却仍有不同的观点：Lu和Wu[106]使用2~3 g/L的I-溶液来示踪细质地土壤中的优先流结构，而在研究粗质地土壤中的优先流结构时，示踪溶液中的I-浓度为3~4 g/L;考虑到土壤中的阳离子（如粘土矿物中的Fe3+、Al3+）对带负电荷的碘离子的吸附作用可能导致入渗方向上I-浓度减小，越来越多的研究[107-108,58]使用高浓度的（15~30 g/L）的I-溶液来示踪细质地土壤中的优先流结构。由于过高的I-浓度可能导致I-通过扩散作用进入到非流动区域（non-flowregion）的土壤孔隙中，因此，很少有研究中使用浓度高于30 g/L的I-溶液来示踪土壤优先流运动[105].
近年来，越来越多的试验研究中同时采用多种无机离子来示踪非饱和带土壤中的水流运动和溶质输移过程[109].在这些研究中，土壤水的入渗过程通常被分为几个连续阶段顺序进行，每个阶段入渗水中的示踪离子不同。入渗完成后，通过剖面开挖和采样分析，可以获得不同阶段注入的示踪剂离子分布，在此基础上可以研究流动过程中水流运动和溶质输移之间的相互关系、流动过程中土壤大孔隙和土壤基质之间水和溶质的交换作用，以及土壤大孔隙和指流通道对水和溶质输移与分布的影响[110].
4.3其它观测技术
土壤优先流研究的其它观测技术还有微张力测量技术、声波探测技术、穿透曲线技术、非侵入影像获得技术、地下雷达探测技术和电阻率层析成像技术等。这些技术通常需要专门的仪器设备且使用方法复杂[19],因此，在优先流（尤其是田间尺度条件下的优先流全局性流动） 的研究中相对不如示踪成像技术广泛。由于相关文献[18,23,41,111]对这些观测技术均有较详细的和系统的介绍，在此仅对这些观测技术做简要说明。
微张力测量技术所采用的典型仪器设备是时域反射仪（time-domain reflector,TDR）。TDR既可以测量土壤水分含量，也可以测量溶质含量；具有对土壤结构扰动少、效率高、精度高、劳力消耗低、操作简易和携带方便等优点[111].TDR的连续监测性和灵敏性有助于优先流的定量化研究，是获得优先流模型建立所需参数的重要工具[112].但TDR探头的探测范围有限，如果探头布设的数量较少，则可能探测不到优先流；而如果探头布设的过多，则对被监测的土壤会产生较大的扰动、破坏土壤的原状结构。
声波探测技术是无损检测的主要方法之一。虽然声波探测技术很早就被用于多孔介质中的优先流传播速度的研究，但由于该技术的探测深度有限，前期较少涉及到水分和溶质在多孔介质中分布的定量研究[113],而主要用于研究声波在多孔介质中的传播速度、频率以及溶质和水分对声波传播的影响。直到近些年，声波探测技术与TDR技术[114]或染色示踪技术[115]相结合，才被广泛地运用于测定水分和溶质在非饱和带土壤中的分布。穿透曲线技术探测土壤优先流时常在土壤表面投放示踪剂溶液，通过收集并分析不同深度土层中的示踪剂溶液浓度和性质随时间的变化关系生成穿透曲线。当测得的穿透时间小于（基于菲克等温吸附定律的）对流-弥散方程所预测的穿透时间时，表明土壤中有优先流产生。尽管不同吸附系数下的对流-弥散方程预测的穿透时间有所差异，但在优先流条件下，土壤的吸附性能对穿透时间并无影响[116].穿透曲线的拖尾和双峰现象以及曲线的不对称性可以清晰地表示土壤大孔隙的半径范围、个数及分布情况，结合Poiseuille方程则可以计算土壤大孔隙直径与密度之间的关系[117].虽然穿透曲线技术具有简单、快速、成本少的特点，但有时耗费时间长，且涉及优先流的重要计算常常比较复杂，需要统一标准的方法和数据作对比研究[23].
非侵入影像获得技术是一种不扰动试验土壤内部结构而直接对土壤进行图像获取和分析的无损测量技术[111].常用的有计算机X线断层摄像（X-ray computed tomography,CT）技术和磁共振影像（magnetic resonance imaging, MRI）技术。CT技术和MRI技术具有直观（直接研究孔隙三维结构、直接显示水分和溶质的运动过程）、扫描快速方便和无损测量等优点[118-119].为使优先流路径更直观和清晰以便于研究，CT技术和MRI技术也常结合示踪成像技术一起使用[120].尽管CT技术和MRI技术对优先流定量分析极具潜力，但目前还没有针对土壤优先流研究的专用CT扫描仪和MRI扫描仪，试验样品通常需要外送到医院进行扫描，仪器软件需要校正，试验分析费用高，检测分析过程繁琐且结果可能不准确[18].
地下雷达探测技术是一种用于测定地下介质分布的广谱电磁（1 MHz~1 GHz）技术，常用来探测地下水水位、土壤风化层面以及结构构造等[121].近年来，地下雷达探测技术已经被成功地应用于探测和描绘优先流现象[122],但目前相关的研究仍然较少。这主要是因为地下雷达的探测深度有限、测量尺度大，而土壤优先流的尺度相对较小、发生位置可深达几米。
电阻率层析成像技术是通过在不同方向观测激发电场的电阻率分布来反演计算探测区渗流过程的一种地球物理方法[122].电阻率层析成像技术具有成像分辨率高、探测深度大、探测费用较低等优点，因而广泛运用于地下水、土壤水和溶质迁移等研究中[111].但由于该方法获得的数据仅局限于二维平面内，加之反演计算过程中一些问题的欠定性，增加了使用该方法的难度[123].
5 总结
优先流是土壤中常见的和重要的但又难于被捕捉和描述的水流运动和溶质运移形式。大孔隙流和指流是目前研究较多的2种优先流形态，其它一些优先流形态也因其所引起的各种水文和环境地质问题而被人们关注和研究。优先流的形成和影响因素很多，土壤结构和质地、入渗的初始条件和边界条件以及水流运动的非稳定性（非线性）都能导致优先流的产生并影响优先流的发展。为准确模拟和预测土壤优先流的时空变异特征，国内外研究者提出了众多的模型理论和试验方法，其中连续性模型理论、离散模型理论和分形模型理论等是目前较为常用的优先流模型理论方法；染色示踪技术、离子显色示踪技术、微张力测量技术、声波探测技术、穿透曲线技术、非侵入式影像获得技术、地下雷达探测技术、电阻率层析成像技术等是目前较为常用的优先流观测技术。尽管近些年国内外许多研究者对土壤优先流进行了大量研究，但直到现在也没有完全统一定义和判别标准。由于优先流的形成和影响因素众多、表现形式多样，加之优先流的快速非平衡特征明显以及土壤高度非均匀特征，目前土壤优先流研究的模型理论和观测技术都不完善。因此，建立土壤优先流的统一判别标准、提升优先流模型理论的有效性、发展优先流的专用观测技术设备等是当前土壤优先流研究的主要方向和亟需解决的主要问题。
[参 考 文 献]
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近年来，越来越多的试验研究中同时采用多种无机离子来示踪非饱和带土壤中的水流运动和溶质输移过程[109].在这些研究中，土壤水的入渗过程通常被分为几个连续阶段顺序进行，每个阶段入渗水中的示踪离子不同。入渗完成后，通过剖面开挖和采样分析，可以获得不同阶段注入的示踪剂离子分布，在此基础上可以研究流动过程中水流运动和溶质输移之间的相互关系、流动过程中土壤大孔隙和土壤基质之间水和溶质的交换作用，以及土壤大孔隙和指流通道对水和溶质输移与分布的影响[110].
4.3其它观测技术
土壤优先流研究的其它观测技术还有微张力测量技术、声波探测技术、穿透曲线技术、非侵入影像获得技术、地下雷达探测技术和电阻率层析成像技术等。这些技术通常需要专门的仪器设备且使用方法复杂[19],因此，在优先流（尤其是田间尺度条件下的优先流全局性流动） 的研究中相对不如示踪成像技术广泛。由于相关文献[18,23,41,111]对这些观测技术均有较详细的和系统的介绍，在此仅对这些观测技术做简要说明。
微张力测量技术所采用的典型仪器设备是时域反射仪（time-domain reflector,TDR）。TDR既可以测量土壤水分含量，也可以测量溶质含量；具有对土壤结构扰动少、效率高、精度高、劳力消耗低、操作简易和携带方便等优点[111].TDR的连续监测性和灵敏性有助于优先流的定量化研究，是获得优先流模型建立所需参数的重要工具[112].但TDR探头的探测范围有限，如果探头布设的数量较少，则可能探测不到优先流；而如果探头布设的过多，则对被监测的土壤会产生较大的扰动、破坏土壤的原状结构。
声波探测技术是无损检测的主要方法之一。虽然声波探测技术很早就被用于多孔介质中的优先流传播速度的研究，但由于该技术的探测深度有限，前期较少涉及到水分和溶质在多孔介质中分布的定量研究[113],而主要用于研究声波在多孔介质中的传播速度、频率以及溶质和水分对声波传播的影响。直到近些年，声波探测技术与TDR技术[114]或染色示踪技术[115]相结合，才被广泛地运用于测定水分和溶质在非饱和带土壤中的分布。穿透曲线技术探测土壤优先流时常在土壤表面投放示踪剂溶液，通过收集并分析不同深度土层中的示踪剂溶液浓度和性质随时间的变化关系生成穿透曲线。当测得的穿透时间小于（基于菲克等温吸附定律的）对流-弥散方程所预测的穿透时间时，表明土壤中有优先流产生。尽管不同吸附系数下的对流-弥散方程预测的穿透时间有所差异，但在优先流条件下，土壤的吸附性能对穿透时间并无影响[116].穿透曲线的拖尾和双峰现象以及曲线的不对称性可以清晰地表示土壤大孔隙的半径范围、个数及分布情况，结合Poiseuille方程则可以计算土壤大孔隙直径与密度之间的关系[117].虽然穿透曲线技术具有简单、快速、成本少的特点，但有时耗费时间长，且涉及优先流的重要计算常常比较复杂，需要统一标准的方法和数据作对比研究[23].
非侵入影像获得技术是一种不扰动试验土壤内部结构而直接对土壤进行图像获取和分析的无损测量技术[111].常用的有计算机X线断层摄像（X-ray computed tomography,CT）技术和磁共振影像（magnetic resonance imaging, MRI）技术。CT技术和MRI技术具有直观（直接研究孔隙三维结构、直接显示水分和溶质的运动过程）、扫描快速方便和无损测量等优点[118-119].为使优先流路径更直观和清晰以便于研究，CT技术和MRI技术也常结合示踪成像技术一起使用[120].尽管CT技术和MRI技术对优先流定量分析极具潜力，但目前还没有针对土壤优先流研究的专用CT扫描仪和MRI扫描仪，试验样品通常需要外送到医院进行扫描，仪器软件需要校正，试验分析费用高，检测分析过程繁琐且结果可能不准确[18].
地下雷达探测技术是一种用于测定地下介质分布的广谱电磁（1 MHz~1 GHz）技术，常用来探测地下水水位、土壤风化层面以及结构构造等[121].近年来，地下雷达探测技术已经被成功地应用于探测和描绘优先流现象[122],但目前相关的研究仍然较少。这主要是因为地下雷达的探测深度有限、测量尺度大，而土壤优先流的尺度相对较小、发生位置可深达几米。
电阻率层析成像技术是通过在不同方向观测激发电场的电阻率分布来反演计算探测区渗流过程的一种地球物理方法[122].电阻率层析成像技术具有成像分辨率高、探测深度大、探测费用较低等优点，因而广泛运用于地下水、土壤水和溶质迁移等研究中[111].但由于该方法获得的数据仅局限于二维平面内，加之反演计算过程中一些问题的欠定性，增加了使用该方法的难度[123].
5 总结
优先流是土壤中常见的和重要的但又难于被捕捉和描述的水流运动和溶质运移形式。大孔隙流和指流是目前研究较多的2种优先流形态，其它一些优先流形态也因其所引起的各种水文和环境地质问题而被人们关注和研究。优先流的形成和影响因素很多，土壤结构和质地、入渗的初始条件和边界条件以及水流运动的非稳定性（非线性）都能导致优先流的产生并影响优先流的发展。为准确模拟和预测土壤优先流的时空变异特征，国内外研究者提出了众多的模型理论和试验方法，其中连续性模型理论、离散模型理论和分形模型理论等是目前较为常用的优先流模型理论方法；染色示踪技术、离子显色示踪技术、微张力测量技术、声波探测技术、穿透曲线技术、非侵入式影像获得技术、地下雷达探测技术、电阻率层析成像技术等是目前较为常用的优先流观测技术。尽管近些年国内外许多研究者对土壤优先流进行了大量研究，但直到现在也没有完全统一定义和判别标准。由于优先流的形成和影响因素众多、表现形式多样，加之优先流的快速非平衡特征明显以及土壤高度非均匀特征，目前土壤优先流研究的模型理论和观测技术都不完善。因此，建立土壤优先流的统一判别标准、提升优先流模型理论的有效性、发展优先流的专用观测技术设备等是当前土壤优先流研究的主要方向和亟需解决的主要问题。
[参 考 文 献]
[1] 譒imu°nek J, Jarvis N J , Van Genuchten , et al . A Review andcomparison of models for describing non-equilibrium andpreferential flow and transport in the vadose zone[J]. Journal ofHydrology, 2003, 272: 14-35.
[2] Benegas L , Ilstedt U , Roupsard O , et al . Effects of trees oninfiltrability and preferential flow in two contrastingagroecosystems in Central America Agriculture[J]. Ecosystemsand Environment, 2014, 183: 185-196.
[3] Ghafoor A, Koestel J, Larsbo M, et al. Soil properties andsusceptibility to preferential solute transport in tilled topsoil atthe catchment scale[J]. Journal of Hydrology, 2013, 492: 190 -199.
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[7]李慧颖，杜晓明，杨宾，等。多孔介质中NAPLs流体毛细管指进形态及分形表征[J].环境科学，2013,34（10）：4058-4065.Li Huiying, Du Xiaoming, Yang Bin, et al. Fractal characteristicsof capillary finger flow for NAPLs infiltrated in porous media[J].Environmental Science, 2013, 34 （10）： 4058 -4065. （in Chinesewith English abstract）
[8] van der Heijden G, Legout A, Pollier B, et al. Tracing andmodeling preferential flow in a forest soil-potential impact onnutrient leaching[J]. Geoderma, 2013, 195-196: 12-22.
[9] Murphy E M, Ginn T R. Modeling microbial processes in porousmedia[J]. Hydrogeology Journal, 2000, 8: 142-158.
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