土壤水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移形式研究現(xiàn)狀綜述(3)

1、土壤水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移形式研究現(xiàn)狀綜述(3)碘-淀粉顯色示蹤方法在優(yōu)先流運(yùn)動(dòng)模式和非均勻特征分析84、灌水均勻性分析及灌水效率分析92等方面都取得了較好的效果。但是，對(duì)于示蹤劑溶液中I-的合適濃度卻仍有不同的觀點(diǎn)：Lu和Wu106使用23 g/L的I-溶液來(lái)示蹤細(xì)質(zhì)地土壤中的優(yōu)先流結(jié)構(gòu)，而在研究粗質(zhì)地土壤中的優(yōu)先流結(jié)構(gòu)時(shí)，示蹤溶液中的I-濃度為34 g/L;考慮到土壤中的陽(yáng)離子（如粘土礦物中的Fe3+、Al3+）對(duì)帶負(fù)電荷的碘離子的吸附作用可能導(dǎo)致入滲方向上I-濃度減小，越來(lái)越多的研究107-108,58使用高濃度的（1530 g/L）的I-溶液來(lái)示蹤細(xì)質(zhì)地土壤中的優(yōu)先流結(jié)構(gòu)。由于過(guò)高的I-濃

2、度可能導(dǎo)致I-通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入到非流動(dòng)區(qū)域（non-flowregion）的土壤孔隙中，因此，很少有研究中使用濃度高于30 g/L的I-溶液來(lái)示蹤土壤優(yōu)先流運(yùn)動(dòng)105.近年來(lái)，越來(lái)越多的試驗(yàn)研究中同時(shí)采用多種無(wú)機(jī)離子來(lái)示蹤非飽和帶土壤中的水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)輸移過(guò)程109.在這些研究中，土壤水的入滲過(guò)程通常被分為幾個(gè)連續(xù)階段順序進(jìn)行，每個(gè)階段入滲水中的示蹤離子不同。入滲完成后，通過(guò)剖面開挖和采樣分析，可以獲得不同階段注入的示蹤劑離子分布，在此基礎(chǔ)上可以研究流動(dòng)過(guò)程中水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)輸移之間的相互關(guān)系、流動(dòng)過(guò)程中土壤大孔隙和土壤基質(zhì)之間水和溶質(zhì)的交換作用，以及土壤大孔隙和指流通道對(duì)水和溶質(zhì)輸移與分布的影

3、響110.4.3其它觀測(cè)技術(shù)土壤優(yōu)先流研究的其它觀測(cè)技術(shù)還有微張力測(cè)量技術(shù)、聲波探測(cè)技術(shù)、穿透曲線技術(shù)、非侵入影像獲得技術(shù)、地下雷達(dá)探測(cè)技術(shù)和電阻率層析成像技術(shù)等。這些技術(shù)通常需要專門的儀器設(shè)備且使用方法復(fù)雜19,因此，在優(yōu)先流（尤其是田間尺度條件下的優(yōu)先流全局性流動(dòng)） 的研究中相對(duì)不如示蹤成像技術(shù)廣泛。由于相關(guān)文獻(xiàn)18,23,41,111對(duì)這些觀測(cè)技術(shù)均有較詳細(xì)的和系統(tǒng)的介紹，在此僅對(duì)這些觀測(cè)技術(shù)做簡(jiǎn)要說(shuō)明。微張力測(cè)量技術(shù)所采用的典型儀器設(shè)備是時(shí)域反射儀（time-domain reflector,TDR）。TDR既可以測(cè)量土壤水分含量，也可以測(cè)量溶質(zhì)含量；具有對(duì)土壤結(jié)構(gòu)擾動(dòng)少、效率高、精度

4、高、勞力消耗低、操作簡(jiǎn)易和攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)111.TDR的連續(xù)監(jiān)測(cè)性和靈敏性有助于優(yōu)先流的定量化研究，是獲得優(yōu)先流模型建立所需參數(shù)的重要工具112.但TDR探頭的探測(cè)范圍有限，如果探頭布設(shè)的數(shù)量較少，則可能探測(cè)不到優(yōu)先流；而如果探頭布設(shè)的過(guò)多，則對(duì)被監(jiān)測(cè)的土壤會(huì)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)、破壞土壤的原狀結(jié)構(gòu)。聲波探測(cè)技術(shù)是無(wú)損檢測(cè)的主要方法之一。雖然聲波探測(cè)技術(shù)很早就被用于多孔介質(zhì)中的優(yōu)先流傳播速度的研究，但由于該技術(shù)的探測(cè)深度有限，前期較少涉及到水分和溶質(zhì)在多孔介質(zhì)中分布的定量研究113,而主要用于研究聲波在多孔介質(zhì)中的傳播速度、頻率以及溶質(zhì)和水分對(duì)聲波傳播的影響。直到近些年，聲波探測(cè)技術(shù)與TDR技術(shù)11

5、4或染色示蹤技術(shù)115相結(jié)合，才被廣泛地運(yùn)用于測(cè)定水分和溶質(zhì)在非飽和帶土壤中的分布。穿透曲線技術(shù)探測(cè)土壤優(yōu)先流時(shí)常在土壤表面投放示蹤劑溶液，通過(guò)收集并分析不同深度土層中的示蹤劑溶液濃度和性質(zhì)隨時(shí)間的變化關(guān)系生成穿透曲線。當(dāng)測(cè)得的穿透時(shí)間小于（基于菲克等溫吸附定律的）對(duì)流-彌散方程所預(yù)測(cè)的穿透時(shí)間時(shí)，表明土壤中有優(yōu)先流產(chǎn)生。盡管不同吸附系數(shù)下的對(duì)流-彌散方程預(yù)測(cè)的穿透時(shí)間有所差異，但在優(yōu)先流條件下，土壤的吸附性能對(duì)穿透時(shí)間并無(wú)影響116.穿透曲線的拖尾和雙峰現(xiàn)象以及曲線的不對(duì)稱性可以清晰地表示土壤大孔隙的半徑范圍、個(gè)數(shù)及分布情況，結(jié)合Poiseuille方程則可以計(jì)算土壤大孔隙直徑與密度之間的關(guān)

6、系117.雖然穿透曲線技術(shù)具有簡(jiǎn)單、快速、成本少的特點(diǎn)，但有時(shí)耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，且涉及優(yōu)先流的重要計(jì)算常常比較復(fù)雜，需要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的方法和數(shù)據(jù)作對(duì)比研究23.非侵入影像獲得技術(shù)是一種不擾動(dòng)試驗(yàn)土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)而直接對(duì)土壤進(jìn)行圖像獲取和分析的無(wú)損測(cè)量技術(shù)111.常用的有計(jì)算機(jī)X線斷層攝像（X-ray computed tomography,CT）技術(shù)和磁共振影像（magnetic resonance imaging, MRI）技術(shù)。CT技術(shù)和MRI技術(shù)具有直觀（直接研究孔隙三維結(jié)構(gòu)、直接顯示水分和溶質(zhì)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程）、掃描快速方便和無(wú)損測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)118-119.為使優(yōu)先流路徑更直觀和清晰以便于研究，CT技術(shù)和M

7、RI技術(shù)也常結(jié)合示蹤成像技術(shù)一起使用120.盡管CT技術(shù)和MRI技術(shù)對(duì)優(yōu)先流定量分析極具潛力，但目前還沒(méi)有針對(duì)土壤優(yōu)先流研究的專用CT掃描儀和MRI掃描儀，試驗(yàn)樣品通常需要外送到醫(yī)院進(jìn)行掃描，儀器軟件需要校正，試驗(yàn)分析費(fèi)用高，檢測(cè)分析過(guò)程繁瑣且結(jié)果可能不準(zhǔn)確18.地下雷達(dá)探測(cè)技術(shù)是一種用于測(cè)定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁（1 MHz1 GHz）技術(shù)，常用來(lái)探測(cè)地下水水位、土壤風(fēng)化層面以及結(jié)構(gòu)構(gòu)造等121.近年來(lái)，地下雷達(dá)探測(cè)技術(shù)已經(jīng)被成功地應(yīng)用于探測(cè)和描繪優(yōu)先流現(xiàn)象122,但目前相關(guān)的研究仍然較少。這主要是因?yàn)榈叵吕走_(dá)的探測(cè)深度有限、測(cè)量尺度大，而土壤優(yōu)先流的尺度相對(duì)較小、發(fā)生位置可深達(dá)幾米。電阻率

8、層析成像技術(shù)是通過(guò)在不同方向觀測(cè)激發(fā)電場(chǎng)的電阻率分布來(lái)反演計(jì)算探測(cè)區(qū)滲流過(guò)程的一種地球物理方法122.電阻率層析成像技術(shù)具有成像分辨率高、探測(cè)深度大、探測(cè)費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛運(yùn)用于地下水、土壤水和溶質(zhì)遷移等研究中111.但由于該方法獲得的數(shù)據(jù)僅局限于二維平面內(nèi)，加之反演計(jì)算過(guò)程中一些問(wèn)題的欠定性，增加了使用該方法的難度123.5 總結(jié)優(yōu)先流是土壤中常見的和重要的但又難于被捕捉和描述的水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移形式。大孔隙流和指流是目前研究較多的2種優(yōu)先流形態(tài)，其它一些優(yōu)先流形態(tài)也因其所引起的各種水文和環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題而被人們關(guān)注和研究。優(yōu)先流的形成和影響因素很多，土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地、入滲的初始條件和邊界條

9、件以及水流運(yùn)動(dòng)的非穩(wěn)定性（非線性）都能導(dǎo)致優(yōu)先流的產(chǎn)生并影響優(yōu)先流的發(fā)展。為準(zhǔn)確模擬和預(yù)測(cè)土壤優(yōu)先流的時(shí)空變異特征，國(guó)內(nèi)外研究者提出了眾多的模型理論和試驗(yàn)方法，其中連續(xù)性模型理論、離散模型理論和分形模型理論等是目前較為常用的優(yōu)先流模型理論方法；染色示蹤技術(shù)、離子顯色示蹤技術(shù)、微張力測(cè)量技術(shù)、聲波探測(cè)技術(shù)、穿透曲線技術(shù)、非侵入式影像獲得技術(shù)、地下雷達(dá)探測(cè)技術(shù)、電阻率層析成像技術(shù)等是目前較為常用的優(yōu)先流觀測(cè)技術(shù)。盡管近些年國(guó)內(nèi)外許多研究者對(duì)土壤優(yōu)先流進(jìn)行了大量研究，但直到現(xiàn)在也沒(méi)有完全統(tǒng)一定義和判別標(biāo)準(zhǔn)。由于優(yōu)先流的形成和影響因素眾多、表現(xiàn)形式多樣，加之優(yōu)先流的快速非平衡特征明顯以及土壤高度非均勻

10、特征，目前土壤優(yōu)先流研究的模型理論和觀測(cè)技術(shù)都不完善。因此，建立土壤優(yōu)先流的統(tǒng)一判別標(biāo)準(zhǔn)、提升優(yōu)先流模型理論的有效性、發(fā)展優(yōu)先流的專用觀測(cè)技術(shù)設(shè)備等是當(dāng)前土壤優(yōu)先流研究的主要方向和亟需解決的主要問(wèn)題。參 考 文 獻(xiàn)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 zoneJ. Journal ofHydrolog

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