基于電阻率層析成像技術的農田土壤優先流原位動態監測

盛 豐，文 鼎，熊祎瑋，王 康

基于電阻率層析成像技術的農田土壤優先流原位動態監測

盛 豐1,2,3，文 鼎1,2，熊祎瑋1,3，王 康4

（1. 長沙理工大學水利工程學院，長沙 410114；2. 水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室，長沙 410114；3. 洞庭湖水環境治理與生態修復湖南省重點實驗室，長沙 410114；4. 武漢大學水利水電學院，武漢 430072）

針對現有觀測技術無法原位監測和判別農田土壤優先流類型、發育位置和演化過程的問題，該研究采用電阻率層析成像技術對野外大尺度條件下的NaCl溶液入滲過程進行原位監測，根據不同時刻監測的剖面視電阻率分布對試驗區域的土壤結構分布特征進行分析，對優先流通道發育位置、優先流類型和演化過程進行識別，同時對電阻率層析成像技術識別優先流的精度進行研究。結果表明，試驗區域的土壤結構性質不均勻，水平方向5.0～10.0 m范圍內的土壤較水平方向0～5.0 m范圍內的土壤更為密實；入滲過程中在試驗區域土壤疏松區水平方向4.0～5.0 m區間中有非均質指流形成；該指流通道在灌入NaCl溶液9～14 min完全形成，在灌入NaCl溶液60 min時完全退化成基質流；冪函數模型可用來建立剖面視電阻率與Cl-濃度之間的關系。研究成果對農田土壤優先流發育位置與演化過程的原位監測與識別以及防治因水和溶質優勢入滲而引起的資源浪費、環境污染和工程地質災害等具有參考價值。

入滲；土壤；農田；電阻率層析成像；視電阻；優先流；指流；原位監測

0 引 言

優先流又稱優勢流、非均勻流，是指“水和溶質沿某些特定的路徑（優勢路徑）運動而繞過部分多孔介質的現象”[1]，是土壤中常見的水流運動和溶質運移形式。優先流增大了溶質在土壤中的運移速度、縮短了溶質在土壤中停留降解的時間、減少了土壤顆粒對溶質的吸附和截留[2]，是造成農田施肥[3-4]、重金屬[5-6]、垃圾填埋場滲濾液[7-9]等污染地下水系統的重要因素。此外，降雨沿優先流通道快速到達深層土壤甚至地下水的非平衡水分運動，影響了地表和地下徑流過程，是誘發地面沉降與塌陷、滑坡、泥石流和山體崩塌等工程地質災害的重要因素之一[10]。因此，準確識別和掌握土壤優先流的時空分布特征和演化規律對于農業資源高效利用、污染控制和地質災害防治等都有重要意義。目前，優先流的觀測技術主要有示蹤成像技術、微張力測量技術、非侵入影像獲得技術和電阻率層析成像技術（Electrical Resistivity Tomography，ERT）等[11]。示蹤成像技術操作簡單、試驗成本低、成像效果直接，是目前最常用的優先流觀測技術[12]；但該技術需要開挖土壤剖面來獲得優先流路徑，破壞土體結構，因此不能進行原位長期監測，也限制了其在大尺度研究中的應用[13]。微張力測量技術對土壤結構擾動少、效率和精度高、勞動力消耗低、操作簡易、可進行長期的原位監測[14]；但微張力探頭的探測范圍有限，探頭布設太少則可能探測不到優先流路徑，而布設太多則會破壞土壤的原狀結構[15]。非侵入影像獲得技術可直接顯示水流運動過程且掃描快速方便、不破壞土壤內部結構，但目前還沒有針對土壤優先流研究的專用掃描儀，試驗樣品通常需要外送到醫院進行掃描，試驗分析費用高且檢測分析過程繁瑣[16]。ERT技術通過向地下供電，形成以供電電極為源的等效點電源激發的電場，再由在不同方向觀測的電位或電位差來研究探測區的電阻率分布，在此基礎上進一步研究土壤物理參數及入滲水分和溶質的空間分布和變化過程[17]。ERT技術具有設備輕便、試驗成本低、探測深度大、探測范圍廣、成像分辨率高等優點，且ERT技術不需破壞原狀土壤就可以動態監測，因此被廣泛運用于工程地質勘察、水文地質和環境地質調查及資源勘探之中[18]。然而，優先流是一種高度不均勻和不穩定的瞬變流，持續時間短、響應速度快，其動態過程很難捕捉，目前仍然是各種觀測技術所面臨的一項重要挑戰[19]。此外，如何在不破壞土壤結構條件下對農田大尺度的優先流類型、發育位置和演化過程進行識別與判斷，目前仍然是工程學界和科學界的熱點和難點問題[20-21]。針對以上難題，本文擬利用ERT技術原位無損動態監測優點，對野外大尺度條件下的入滲過程進行連續監測，建立由ERT監測土壤視電阻率分布和演化數據判別試驗區域的土壤結構性質空間分布特征和反演農田土壤優先流發生、發展和消亡全演化過程的技術與方法，為防治因水和溶質優勢入滲而引起資源浪費、環境污染和工程地質災害提供理論參考和技術支持。

1 試驗與方法

1.1 試驗過程

ERT試驗在武漢大學南望山進行（114°24'05" E，30°31'52"N），試驗區域土壤為黏土，具體結構性質與水動力參數如表1所示。電阻率層析成像試驗示意圖如圖1所示。

表1 土壤物理及水動力參數

試驗前將選定的試驗區域進行平整，并小心地除去地表的雜草。試驗區域平整后，人工開挖出長度為10.0 m、寬度為0.2 m、深度為0.2 m的矩形試驗區域。目前，應用ERT監測土壤水分與溶質分布研究中的測量電極間距多在0.1～10 m量級之間（如，Zieher等[22]、Oberd?rster等[23]和Vogelgesang等[24]的研究中，ERT測量電極間距分別為0.75、2.0和2.0～6.0 m）；考慮到土壤優先流的不均勻性和瞬變性，參考石素梅[25]和de Carlo等[26]的研究（測量電極間距分別為0.3 m和0.15 m），采用沿試驗區域中心線按0.25 m等間距的布設40根ERT測量電極的布置方案，以有效和精確地捕捉農田大尺度條件下土壤優先流的分布特征和演化過程。ERT測量電極布置完成后，開機掃描試驗區域的初始視電阻分布。掃描完成后，將配置好的體積為120 L（折合入滲水深60 mm）、濃度為2.5 g/L的NaCl溶液（NaCl是一種常用的示蹤劑，其輸移運動與入滲水流運動具有極好的一致性；且NaCl作為一種強電解質，其分布可以明顯地改變土壤電阻率和電導率分布，從而易于被ERT監測和捕捉）灌入試驗區域。由于試驗區域較大，灌入前先將配置好的氯化鈉溶液均分成10等份承裝在干凈的塑料小桶中，并在試驗區域0.5～9.5 m范圍按1.0 m的間距放置10把小平鏟，將小桶承裝的NaCl溶液貼近試驗區土壤，然后同時快速地注入到小平鏟上，通過小平鏟的緩沖作用來防止灌入的NaCl溶液沖刷試驗區域表層土壤，避免因直接灌水造成試驗區域土壤形成沖刷坑從而導致灌水集中入滲并影響試驗精度。NaCl溶液灌入后迅速取出小平鏟并記錄試驗開始的時間。

1.2 優先流ERT監測與圖像處理

由于入滲過程中NaCl溶液改變了其流經區域土壤介質的導電性（即改變了介質的視電阻），利用通過地表布設的高密度ERT電極進行實時掃描監測，即可獲得入滲過程中試驗區域土壤剖面不同深度處的視電阻率變化，在此基礎上即可研究入滲過程中土壤優先流的演化過程和溶質的輸移過程。試驗以重慶奔騰數控技術研究所研制的WDJD-3多功能數字直流激電儀為測控主機，配以WDZJ-3多路轉換器構成ERT測量系統。ERT野外測量試驗及圖像處理步驟主要包括：電極布設與接線、參數設置、掃描測量、圖像處理等步驟。

1）電極布設與接線。測量開始前，首先根據試驗目的及實際情況進行電極的布設。確定好電極布設方案后，使用多芯電纜線將等間距布設的各電極與WDJD-3高密度電阻率測量系統試驗主機相連并進行調試。電極布設完成后，確定電極裝置類型及測量布置方案。本次試驗采用溫納（Wenner）裝置[27]進行測量。

2）參數設置。在WDJD-3主機上進行工作參數的設定，包括測量裝置、滾動總數、使用電極數、點距、間距數、剖面數。其中滾動數需根據剖面數、間距數和使用電極數等提前計算。本次試驗區域長度10 m，共使用40根電極，電極間距為0.25 m。

3）掃描測量。使用所選擇的測量裝置自上而下分層掃描測量土壤視電阻率，其中第1層為0.125 m，相鄰兩層間距為0.125 m，最大測量深度為1.625 m（第13層），共進行21次掃描測量。由于每次掃描測量需要一定的時間（掃描全部13層需耗時約6 min），且測量深度越大、層數越多，所耗時間也越長，為有效捕捉NaCl溶液的入滲過程，=0和2 min時僅掃描第1層，=5 min時掃描最上2層，=9和14 min時掃描最上4層，=20、25和30 min時掃描最上5層，=40 min時掃描最上7層，從=50 min開始（=50、60、70、80、90、100、110、120、135、150、165、175 min）掃描全部13層，最后一次掃描測量時間為175 min。

4）ERT圖像處理。將ERT所測量的各個時刻的視電阻率數據通過BTRC2004軟件（重慶奔騰數控技術研究所）轉換為Surfer網格格式并導入Surfer 8.0程序中，按照橫縱比5∶1的克里格法，經過白化處理后繪制視電阻率等值線圖[28]。

1.3 采樣與分析

ERT試驗結束后，立即在試驗區內按1.0 m間距用土鉆鉆取土柱，取樣深度為1.0 m。土柱取得后，沿深度方向按間距10.0 cm采集土樣。土樣采集后，用蒸餾水浸提土壤中的氯離子，然后在中性至弱堿性范圍內（pH=6.5～10.5），以鉻酸鉀為指示劑，用硝酸銀標準滴定溶液滴定浸提液中的氯離子[29]。由所消耗的硝酸銀標準溶液的量，求得土壤中氯離子的含量。

2 結果與分析

2.1 剖面土壤結構分布特征分析

根據ERT試驗各監測點位不同時刻的視電阻率數據，繪制出試驗區域的初始視電阻率分布（即入滲前的視電阻率分布）等值線圖及入滲過程中不同時刻剖面的視電阻率分布等值線圖分別如圖2a～k所示。

圖2a顯示，試驗區域土壤初始視電阻率大約在23～82 Ω·m之間，且視電阻率隨著深度增加逐漸減小。這主要是因為表層土壤因為蒸發作用含水率較低，因而電導率較小、電阻率較大。圖2a同時顯示，試驗區域=5.0～10.0 m范圍存在一個厚度自左向右逐漸增加的高視電阻率區。圖2b～k顯示，在NaCl溶液入滲過程中，試驗區域的深層土壤視電阻率反而較其初始視電阻率小幅升高。這主要是因為上層土壤被灌入的NaCl溶液濕潤甚至是飽和，其導電性顯著增強、視電阻率劇烈下降；而深層土壤或因入滲NaCl溶液尚未被傳導至本層而保持原來的導電性，或因入滲的NaCl溶液量較少而使得導電性增幅較??；由于供電電流優先選擇從電阻率低、導電性強的上層土壤直接流過，導致深部土壤中的電流降低，因而視電阻率反而小幅度升高（這也是ERT測量的是土壤視電阻率而不是真實電阻率的原因）。

對比圖2a和圖2b～k可知，試驗區域=5.0～10.0 m范圍土層中的視電阻率在灌入NaCl溶液后明顯降低（相對于其初始視電阻率），但仍明顯高于=0～5.0 m范圍相同深度處土層的視電阻率，尤其是在灌入NaCl溶液后的20 min內。該結果表明ERT監測土壤剖面的結構性質不均勻，其中=5.0～10.0 m范圍土層較=0～5.0 m范圍土層更為密實，使得入滲的NaCl溶液并未向=5.0～10.0 m范圍的深層土壤迅速運動，從而導致入滲過程中該范圍的土壤視電阻率均高于=0～5.0 m范圍相同深度處的土壤視電阻率。由于土壤電阻率隨著土壤孔隙比的減?。赐寥涝矫軐崳┒龃骩30]，因此，試驗區域=5.0～10.0 m范圍的土壤初始視電阻率高于=0～5.0 m范圍的土壤初始視電阻率（如圖2a所示）。

2.2 優先流發育位置識別與類型判斷

圖2a顯示，雖然試驗區域=5.0～10.0 m范圍的土壤初始視電阻率自左向右增大，但試驗區域的土壤初始視電阻率分布在水平方向上總體變化不大但沿深度方向則明顯降低。圖2b～k顯示，入滲過程中視電阻率小于20 Ω·m的土壤低視電阻率區始終出現在試驗區域表層，而不存在自試驗區域表層向下延伸至試驗區域深層或貫穿整個試驗區域的視電阻率小于20 Ω·m的低視電阻率區（路徑或通道）。以上結果表明ERT監測試驗剖面中不存在明顯的大孔隙流通道。因為，土壤大孔隙是水流和溶質天然的優勢輸移路徑，入滲水和溶質在通過土壤大孔隙進行集中輸移時，將引起優先流通道范圍內的土壤視電阻率明顯降低，而這一現象并未在試驗過程中觀測到，即便是在ERT所監測的入滲開始前期的2、5、9、14和20 min的土壤視電阻率分布圖中也未能觀測到（如圖 2b～f所示）。這可能是因為試驗場地平整時清除了表層40～60 cm的土壤和植物根系，從而消除了土壤干縮裂縫和大孔隙。李萼等[31-34]在本試驗區域附近所開展的示蹤試驗也清除了試驗區域表層20～40 cm的土壤和作物根系，這些研究成果也均顯示其所在試驗區域的土壤在清除表層土壤后均不存在明顯的土壤大孔隙。

圖2a同時顯示，盡管試驗區域的土壤初始視電阻率分布不均勻（尤其是表層土壤中的初始視電阻率），但除=6.0～10.0 m范圍表層0.5 m厚度的局部區域外，整個剖面其他區域的視電阻率等值線均連續分布且不封閉。而圖2b～f卻顯示，灌入NaCl溶液后的前20 min內，=0～5.0 m范圍的低視電阻率區隨著入滲時間的延長向深層土壤迅速拓展，而=5.0～10.0 m范圍的低視電阻率區雖也向下發展變厚但總體厚度仍相對較小，由此導致原來連續且沿方向波動變化不大的初始視電阻率等值線波動幅度變大并在=4.0～5.0 m區間（也即剖面初始視電阻率分布圖（圖2a）中的高視電阻率區域外圍邊緣附近）向下明顯突出（如圖2d～f所示）。隨著流動的進一步發展，原來連續分布的視電阻率等值線在=4.0～5.0 m區間最終被分割開來（如圖2g～k所示）。以上結果表明在試驗區域=4.0～5.0 m區間的土壤中形成了明顯的優先流通道。造成這一現象的主要原因是試驗區域=5.0～10.0 m范圍的土壤比=0～5.0 m范圍的土壤更為密實。由于密實區的土壤導水性能較弱，施加于其上的NaCl溶液入滲困難，從而導致灌入的NaCl溶液沿著其與疏松區（=0～5.0 m范圍）的邊緣并在疏松區（=4.0～5.0 m區間）土壤中進行優勢運移（即導致土壤優先流的形成）。根據優先流表現形式分類，該種優先流形態為非均質指流。

指流是由于入滲濕潤鋒在發展過程中不穩定，原來均勻的濕潤鋒受擾動被“撕裂”成一個個柱狀流動路徑，從而形成優先流運動形式[35]，在非均質土壤和均質土壤中都可形成。由于入滲土壤的非均質性，原本均勻施加于土表的NaCl溶液在試驗區域的=5.0～10.0 m范圍無法被迅速傳到至深層土壤，在其緩慢下滲的同時向左側（=0～5.0 m范圍）流動；當側向水流運動到臨近的土壤疏松區時（即=4.0～5.0 m區間），對該區域的入滲濕潤鋒產生擾動從而導致入滲濕潤鋒不穩定并進而發展形成指狀優先流（指流）?？紫檠訹36]也指出，土壤作為一種多孔介質是不可能完全均質的，當土壤介質中某一點鄰域的滲透性比周圍區域高時，會在該點處的入滲濕潤鋒產生一個“突點”（即產生一個微小的擾動，使入滲濕潤鋒向前略微“突出”）；若此微小擾動能隨時間增大而衰減（水量補充不足），則入滲濕潤鋒是穩定的（即不會產生指流）；若此微小擾動能隨時間增大而增強（水量補充充足），這種微小的擾動將迅速增長，從而使得“突點”以“手指狀”迅速向前延伸，即產生指流現象。本研究中試驗區域右側（=5.0～10.0 m范圍）的土壤密實、滲透性差，該區域上所施加的NaCl溶液側向補充“突點”，使得擾動放大并最終導致了優先流通道（指流）的形成。由于灌入的NaCl溶液集中在優先流通道中快速輸移，優先流通道中的土壤含水率和溶質濃度明顯高于通道兩側的基質區土壤中的含水率和溶質濃度，從而顯著降低了優先流通道區域的土壤視電阻率并將原來連續的視電阻率等值線分割開來。

2.3 優先流演化過程分析

圖2b～h顯示，試驗區域=0～5.0 m范圍的低電阻率土層厚度在灌入NaCl溶液后的9 min內迅速增大，而在灌入NaCl溶液9 min后又迅速減小，并在灌入NaCl溶液后30 min時其厚度下降到與=5.0～10.0 m范圍的低視電阻率土層厚度近乎相等（但仍略大）。以上結果表明，監測土壤剖面中的優勢入滲通道在灌入NaCl溶液9 min后開始形成，并迅速將入滲的NaCl溶液迅速傳導至深層土壤，從而導致=0～5.0 m范圍上層土壤的視電阻率升高、低視電阻率土層厚度減小。進一步對比=9、14、20和40 min的剖面視電阻率分布圖（如圖2d～h所示）可知，入滲的NaCl溶液在試驗區域=2.0～3.0 m和=4.0～5.0 m兩個區間各產生了一個入滲濕潤鋒“突點”；其中，=2.0～3.0 m區間的入滲濕潤鋒“突點”在入滲前期發育相對更為明顯（如圖2d所示）。然而，由于試驗區域=5.0～10.0 m范圍土壤密實、滲透性差，施加于該區域的NaCl溶液側向流向疏松區并補充“突點”，使得與其臨近的=4.0～5.0 m區間的入滲濕潤鋒“突點”擾動放大并最終導致了優先流通道（指流）在該區間（=4.0～5.0 m）形成。由于優先流通道最終在=4.0～5.0 m區間發育形成，=2.0～3.0 m區間的入滲濕潤鋒“突點”因水量補充不足（入滲NaCl溶液側向補充在=4.0～5.0 m區間形成的優先流通道）而衰減退化成基質流。因此，隨著NaCl溶液入滲的進一步發展，=2.0～3.0 m區間的入滲濕潤鋒“突點”逐漸消退而=4.0～5.0 m區間的入滲濕潤鋒“突點”則始終較為明顯（如圖2e～h所示）。該結果進一步表明監測土壤剖面中的優先流通道在灌入NaCl溶液9～14 min已完全形成。

圖2i～k顯示，試驗區域上層土壤中原來被優先流通道割裂的視電阻率等值線在灌入NaCl溶液60 min后重新恢復成連續分布狀態，且整個剖面的視電阻率分布（=60 min）與之后=100和175 min的視電阻率分布無明顯差異。該結果表明=4.0～5.0 m區間的土壤優先流通道在灌入NaCl溶液60 min時已完全消退，優先流完全退化成基質流。而深部土壤（=0.8～1.4 m、=3.3～5.1 m）中長時間存在一個塊狀的低視電阻率區（如圖2i～k中呈環狀分布的視電阻率為30 Ω·m的等值線）也表明優先流通道此時已經消退，正是由于基質流較低的導水能力才使得這一低視電阻率區能夠長時間的維持。同時，這也從另一個方面證明了該監測土壤剖面中的優先流類型為指流而非大孔隙流，因為土壤大孔隙對入滲水和溶質具有極高的傳導能力并對在其中輸移的水和溶質產生屏蔽作用[37]，且大孔隙不會在水流傳導完畢后消失，因此不會在大孔隙發育位置滯蓄入滲的NaCl溶液并形成低電阻率區。

2.4 ERT識別土壤優先流精度分析

根據實驗室實測的土壤Cl-濃度及其對應位置上的視電阻率，繪制土壤視電阻率和Cl-濃度關系箱型圖如圖3所示（以Cl-濃度增量50 mg/L為一區間）。

由圖3可知，整體上土壤視電阻率隨Cl-濃度的增加呈下降趨勢，且區間統計的視電阻率平均值、中位數、上下邊緣點等統計量均隨著Cl-濃度增加而下降。這是因為土壤電導主要來自于其中的土壤水及其所溶解的溶質（即土壤溶液）；土壤含水率越高、土壤水中帶電離子濃度越大，其導電效率越強、視電阻率越低；其中，土壤溶液中的強電解質（NaCl）對土壤電導率的影響更為顯著。此外，隨著Cl-濃度的增加，各區間視電阻率的變化幅度減??；當Cl-濃度大于150 mg/L時，視電阻率集中分布在16～17 Ω·m之間。以上結果表明，當Cl-濃度較低的時候，視電阻率的變化對Cl-濃度的變化敏感；而隨著Cl-濃度的增大，視電阻率不斷減小并趨于一定值，對Cl-濃度的變化不敏感。一些研究成果[38-39]也表明溶液的電導率與溶液離子濃度成正比（即離子濃度與電阻率成反比）；且當離子濃度較小時，電阻率隨著離子濃度的變化而迅速變化；而當離子濃度足夠大時，電阻率則逐漸趨近于定值。

根據圖3中視電阻率與土壤水Cl-濃度的關系，分別采用冪函數和指數函數擬合出采樣位置的土壤Cl-濃度與對應點位的視電阻率之間的相關關系成果如表2所示。表2顯示，按冪函數關系來建立起來的土壤視電阻率和Cl-濃度相關關系具有更高的精度（2=0.690、NSE= 0.883）。采用擬合的土壤Cl-濃度與視電阻率之間的冪函數關系，由最末監測時刻（=175 min）的剖面土壤視電阻率分布反演出該時刻的剖面土壤Cl-濃度分布如圖 4所示。

表2 視電阻率和Cl-濃度關系擬合結果

注：為視電阻率，Ω·m；為Cl-濃度，mg·L-1；**表示顯著性水平<0.01。

Note:is apparent electrical resistivity, Ω·m;is concentration of Cl-, mg·L-1; ** represents significance at 0.01 level.

對比圖4a（剖面視電阻率分布圖）和圖4b（按冪函數相關關系反演出的Cl-濃度分布圖）可知，按冪函數關系反演出的最末監測時刻（=175 min）的剖面土壤Cl-濃度分布與該時刻的剖面土壤視電阻率分布較為一致。如，圖 4b中的Cl-濃度等值線走勢和低Cl-濃度區域分布分別與圖 4a中的視電阻等值線走勢和高視電阻率區域分布較為一致；在圖4a深部（=0.8～1.4 m、=3.3～5.1 m）土壤中存在一個塊狀的低視電阻率區，而圖4b的該區域也存在一個形狀相似、范圍大小接近的高Cl-濃度區。此外，圖4b也表明在NaCl溶液的入滲過程中，在試驗區域=4.0～5.0 m區間的土壤中形成了明顯的優先流通道，從而使得該范圍內土壤中的Cl-濃度相對于相同深度上其他區域土壤中的Cl-濃度明顯偏高，與前文分析一致。

土壤視電阻率影響因素眾多，包括土壤類型、物質組成、孔隙率與孔隙結構、含水率和溶質濃度等內在因素和季節（溫度、濕度）、自然電場、測量儀器與測量方法（電極布置位置、間距和深度）等外在因素[40]。其中，土壤含水率和溶質濃度是最重要的影響因素[41]。但視電阻與土壤含水率之間的關系非常復雜，目前常用Archie公式[42]來擬合視電阻率與土壤含水率之間的函數關系。然而，Archie公式不僅涉及的參數眾多，而且部分參數測定極為困難（如黏土體積百分比），因此，自Archie公式提出以來人們都在不斷的研究和改進該公式。此外，由于土壤的非均質性，Archie公式所需的參數（黏土體積百分比）需要在試驗區域上布設較多的采樣點，不僅勞動強度大而且破壞了監測土壤剖面的原狀結構。而由圖3和圖4可知，土壤視電阻率與溶質（Cl-）濃度之間的關系好、形式簡單，（按冪函數關系）反演出來的Cl-濃度分布與土壤視電阻分布具有較好的一致性且符合實際情況。由于土壤優先流一旦形成，土壤滯后作用（指流）、大孔隙（大孔隙流）、土壤管道（管道流）或土壤中的粗土斜夾層（漏斗流）將引起入滲水流沿著相同路徑（優先流通道）重復發生[43]，因此，ERT監測強電解質溶液（如NaCl溶液）入滲過程的土壤視電阻率變化可有效用于土壤優先流（位置和過程）識別。

3 結 論

1）土壤介質特性影響入滲溶液的流動與分布，而入滲溶液的流動與分布又反過來影響土壤介質的電導率和電阻率。因此，通過對比分析入滲前后電阻率層析成像技術（Electrical Resistivity Tomography，ERT）監測土壤剖面的視電阻率分布，可對試驗區域的土壤結構性質分布特征進行分析研究。本文試驗所監測的土壤剖面結構性質不均勻，其中，水平方向0～5.0 m范圍為剖面土壤疏松區，水平方向5.0～10.0 m范圍為剖面土壤密實區。

2）入滲溶液沿優勢入滲通道運動，顯著地改變了剖面土壤的電導率和視電阻率分布；且隨著優先流的發展，剖面土壤電導率和視電阻率分布也隨之進行演變。因此，通過對比分析ERT監測土壤剖面不同時刻的視電阻率分布，可對入滲過程中試驗區域的優先流類型、發育位置和演變過程進行識別和研究。本文所開展的ERT監測NaCl溶液入滲過程試驗中，灌入的NaCl溶液在土壤密實區外緣水平方向4.0～5.0 m區間的土壤疏松區中以非均質指流形式進行優勢輸移，指流通道在灌入NaCl溶液9～14 min內完全形成，在灌入NaCl溶液60 min時完全退化成土壤基質流。

3）采用冪函數關系建立的視電阻率和Cl-濃度之間的相關方程具有較好的精度（2=0.690），按冪函數關系反演出來的剖面土壤Cl-濃度分布與實測剖面土壤視電阻率分布較為一致，表明冪函數可用于建立土壤視電阻率和Cl-濃度之間的關系。由于土壤視電阻率與土壤溶質濃度之間較好的冪函數關系，采用ERT監測強電解質溶液的入滲過程可有效用于土壤優先流位置與過程的識別。

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In-situ monitoring of preferential soil water flow with electrical resistivity tomography technology

Sheng Feng1,2,3, Wen Ding1,2, Xiong Yiwei1,3, Wang Kang4

(1.,&,410114,; 2.,410114,; 3.,410114,; 4.,430072,)

Preferential flow, which contributes to the rapid water flow and solute transport in unsaturated soils, is common in the natural unsaturated soils. Preferential flow allows irrigated water and applied agriculture chemicals to move through unsaturated zone to groundwater table quickly with limited degradation and filtration, increasing the losses of applied resources and energy, and making the groundwater under high contamination risks. The non-equilibrium water movement, via preferential flow channel, to deep soil or even groundwater is one of the important factors inducing engineering and geological disasters such as land subsidence and collapse, landslide, debris flow and mountain collapse. However, the capturing of its dynamic process, especially the identification and judgment on the type, position and evolution of preferential flow without destroying soil structure, is still the hot topic and hard nut to crack in both science and technology all over the world. In this research, Electrical Resistivity Tomography (ERT) was applied to monitor the filed infiltration process of NaCl solution in situ. The distribution and change of apparent electrical resistivity of the monitored soil profile was measured at different time during infiltration. And the distribution of Cl-concentration of the monitored soil profile was analyzed in laboratory by soil sampling after infiltration. Based on these measured data, the heterogeneous distribution characteristics of soil structure, and the position, type and evolution of preferential flow in the monitored soil profile were analyzed and identified. Besides, the relationship between apparent electrical resistivity and Cl-concentration of the monitored soil profile was analyzed to evaluate the precision of applying ERT to identify preferential infiltration. The results showed that soil structure and properties affected the movement and distribution of applied NaCl solution, on the contrary, the movement and distribution of applied NaCl solution also affected the soil electrical conductivity and resistivity. Thus, the distribution characteristics of soil structure and properties were able to be detected by comparing the ERT monitored distribution of soil electrical resistivity before and after infiltration. The structure of the soil profile monitored by ERT was not uniform, with the soil within the horizontal direction of 5.0-10.0 m being much denser than that within the horizontal direction of 0-5.0 m. The preferential flow channel that constrained the applied NaCl solution with a greater concentration obviously changed the distributions of soil electrical conductivity and resistivity. And the distributions of soil electrical conductivity and resistivity changed as the preferential flow developed. Thus, the kind, generation position and evolution process of preferential flow were able to be detected by comparing the ERT monitored distribution of soil electrical resistivity at different time during the preferential flow process. During the infiltration process, a heterogeneous fingering flow was developed in the loose soil area within the horizontal direction of 4.0-5.0 m. The fingering channel was completely formed during 9-14 minutes after the application of NaCl solution to the monitored soil surface, and the preferential flow completely degraded to matrix flow no late than 60 minutes after the application of NaCl solution to the monitored soil surface. Power function was capable of establishing relationship equation between apparent electrical resistivity monitored by ERT and the measured Cl-concentration of the monitored soil profile (the coefficient of determination of 0.690). As the preferential flow repeated along the same path once the preferential flow was formed, the ERT monitoring the infiltration process of NaCl solution was of good efficiency in identifying the position and evolution of preferential flow in engineering and geology survey. This results provide valuable information for the prevention and control of losses of applied resources and energy, groundwater contamination and engineering and geological disasters caused by preferential soil water flow.

infiltration; soils; farmland; electrical resistivity tomography; apparent electrical resistivity; preferential flow; fingering flow; in-situ monitoring

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2020-10-16

2021-03-10

國家自然科學基金項目（51579020）；湖南省教育廳科學研究項目（17A009）

盛豐，博士，副教授，研究方向為非飽和帶土壤水動力學與水土環境。Email：fsaint8586@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.013

S152

A

1002-6819(2021)-08-0117-08