黃土優(yōu)勢(shì)滲流研究進(jìn)展與展望

孫恒飛，朱興華，成玉祥，張智鋒，張卜平，蔡佳樂

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054； 2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

黃土是一種特殊的第四紀(jì)沉積的松散堆積物，在我國堆積形成了世界上分布最集中、占地面積最廣的黃土高原區(qū)。該區(qū)域土性結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地形地貌破碎、山脈縱橫交錯(cuò)，所以造成地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年約有30%的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在約占國土面積6%的黃土高原區(qū)，災(zāi)害數(shù)量多，機(jī)理復(fù)雜[2]。

“十水九滑，無水不滑”，在地質(zhì)災(zāi)害眾多誘發(fā)成因中，水是主控因素之一，眾多學(xué)者也對(duì)此做出了大量的研究。徐張建等[3]對(duì)黃土滑坡的分布規(guī)律和地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為持續(xù)降雨或暴雨及大面積灌溉是主要誘因之一。巨玉文等[4]認(rèn)為山西西部滑坡、泥石流等黃土地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與降雨有密切聯(lián)系。Dominik等[5]對(duì)黃土地表徑流災(zāi)害及徑流在災(zāi)害形成過程中的作用進(jìn)行研究和實(shí)例分析。Gu等[6]分析灌溉前后邊坡滲流場(chǎng)和穩(wěn)定性的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)灌溉會(huì)改變邊坡內(nèi)部的孔隙水壓力分布，使地下水位快速上升，嚴(yán)重影響邊坡穩(wěn)定性。龍建輝等[7]通過數(shù)值模擬分析認(rèn)為地下水滲流是滑坡變形破壞的啟動(dòng)因素和決定因素。同時(shí)水也是黃土地區(qū)災(zāi)害鏈形成的重要激發(fā)因子，是災(zāi)害鏈演化后期固體物質(zhì)運(yùn)移的載體，對(duì)黃土水力侵蝕—滑坡—泥流災(zāi)害鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)、演化機(jī)理的研究也很重要[8-9]。另外黃土是一種特殊土，不同于其他類型土體，黃土在形態(tài)上具有直立性，結(jié)構(gòu)上孔隙較為發(fā)育；此外黃土還具有獨(dú)特的水敏性、濕陷性及崩解性等水理特性，這些黃土特殊的性質(zhì)都嚴(yán)重影響著地表水的入滲方式和形態(tài)，使得地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生往往與水及黃土工程地質(zhì)特性的影響密不可分。

然而，黃土地區(qū)的大型黃土地質(zhì)災(zāi)害涉及范圍廣、深度深。而據(jù)試驗(yàn)表明地表水在黃土中的入滲深度有限，且入滲緩慢，并不影響深部的含水率[10]。那么，在黃土地區(qū)水是如何快速進(jìn)入、以何種形式進(jìn)入土體深部來改變土體性質(zhì)致災(zāi)害發(fā)生是一個(gè)十分重要的科學(xué)問題。因此黃土優(yōu)勢(shì)入滲及優(yōu)先流研究成為一項(xiàng)重要的熱點(diǎn)研究課題。本文主要通過論述優(yōu)勢(shì)通道及優(yōu)先流的類型劃分，探索黃土地區(qū)優(yōu)勢(shì)通道形成原因及優(yōu)先流的影響因素；對(duì)現(xiàn)今優(yōu)勢(shì)滲流的研究方法、滲流模型進(jìn)行歸納分析，最后總結(jié)探討黃土優(yōu)勢(shì)滲流研究的不足及未來發(fā)展方向。

1 優(yōu)先流定義及研究歷程

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)優(yōu)先流的定義有很多，但整體上大同小異。優(yōu)先流是指水流及溶質(zhì)沿著孔隙、裂隙等原生或次生通道等導(dǎo)水能力強(qiáng)的滲透路徑，繞過土壤基質(zhì)，以違背達(dá)西定律的形式，快速到達(dá)土體深部和地下水的一種非平衡流現(xiàn)象[11-12]。這種導(dǎo)水能力強(qiáng)的滲透路徑即為優(yōu)勢(shì)通道，而優(yōu)先流沿著優(yōu)勢(shì)通道快速下滲致土體深部的過程即為優(yōu)勢(shì)入滲。從優(yōu)先流的定義上可以看出優(yōu)先流的兩大重要特性：一是優(yōu)先流是一種非平衡流；二是優(yōu)先流的下滲必須通過優(yōu)勢(shì)通道。

早在19世紀(jì)優(yōu)先流就已被發(fā)現(xiàn)，但缺乏充分的理論研究，直到Beven等[13]在20世紀(jì)末針對(duì)土壤內(nèi)大孔隙流及溶質(zhì)的運(yùn)移特征進(jìn)行試驗(yàn)研究、定量分析，使優(yōu)先流研究漸漸得到重視。最初主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程方面，針對(duì)土壤中水及溶質(zhì)的運(yùn)移過程機(jī)制進(jìn)行研究。Vervoort等[14]認(rèn)為優(yōu)先流與土體結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與土體染色穿透試驗(yàn)分析土壤結(jié)構(gòu)影響下的水及溶質(zhì)的運(yùn)移規(guī)律。馮杰等[15]應(yīng)用CT掃描、數(shù)值模擬等方法對(duì)優(yōu)先流在大孔隙土壤中的運(yùn)移機(jī)制進(jìn)行深入探究。郭會(huì)榮等[16]通過降雨入滲試驗(yàn)、室內(nèi)土柱穿透曲線試驗(yàn)等手段定性定量的分析了優(yōu)先流的入滲補(bǔ)給特征及溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律。

20世紀(jì)是優(yōu)先流迅猛發(fā)展的一個(gè)時(shí)期，經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，優(yōu)先流的相關(guān)研究有了飛躍式的突破：基本健全了優(yōu)先流的流動(dòng)機(jī)制、總結(jié)了優(yōu)先流的影響因素、拓展了優(yōu)先流研究的技術(shù)方法及構(gòu)建了優(yōu)先流的滲流模型。Beven等[17]總結(jié)了1864到1984這一個(gè)多世紀(jì)的優(yōu)先流研究進(jìn)展與成果，對(duì)優(yōu)先流的發(fā)展歷程及未來研究問題進(jìn)行詳細(xì)論述，有很重要的指導(dǎo)意義。到了21世紀(jì)，優(yōu)先流和優(yōu)勢(shì)入滲研究領(lǐng)域不斷拓展，逐漸應(yīng)用于水文、地質(zhì)、環(huán)境科學(xué)等方面。

黃土地區(qū)的優(yōu)勢(shì)入滲致災(zāi)機(jī)理研究就是其中一大方面。在斜坡地帶地下管流的存在導(dǎo)致地下水快速富集和孔隙水壓力的增加，是產(chǎn)生滑坡的主要原因之一[18-19]。Hencher等[20]通過實(shí)例說明地下優(yōu)勢(shì)滲流通道系統(tǒng)對(duì)滑坡的類型及形成時(shí)間有很大的影響。曾磊等[21]通過降雨模型試驗(yàn)表明黃土邊坡失穩(wěn)的原因是雨水沿優(yōu)勢(shì)通道到達(dá)土體深部的隔水層，導(dǎo)致上層滯水。彭建兵等[22]指出黃土地區(qū)的一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，即優(yōu)勢(shì)通道是如何控制降雨和地表水入滲，水進(jìn)入土體后怎樣改變區(qū)域水文條件和應(yīng)力狀態(tài)以致黃土地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。張茂省等[23]指出對(duì)優(yōu)先流的運(yùn)移規(guī)律及定量刻畫方法研究是水致黃土滑坡研究中很重要的一環(huán)。馬鵬輝等[24]對(duì)蔣劉黃土滑坡研究中發(fā)現(xiàn)滑坡區(qū)節(jié)理裂隙等優(yōu)勢(shì)通道發(fā)育，使地表水快速補(bǔ)給地下水導(dǎo)致區(qū)域潛水位抬升，邊坡失穩(wěn)。

優(yōu)先流是一種非平衡流，優(yōu)勢(shì)入滲規(guī)律復(fù)雜，涉及領(lǐng)域廣泛。現(xiàn)今有許多學(xué)者對(duì)黃土優(yōu)勢(shì)滲流的致災(zāi)機(jī)理進(jìn)行深入探究，但仍存在很大的爭(zhēng)議與未解決的問題。需要進(jìn)步研究?jī)?yōu)先流在土體內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律及與土的相互作用，進(jìn)而完善黃土地區(qū)優(yōu)勢(shì)入滲致災(zāi)機(jī)理。

2 優(yōu)勢(shì)滲流分類研究

2.1 優(yōu)勢(shì)通道分類研究

優(yōu)勢(shì)通道是指能使降水及地表水快速滲入土體深部的集水通道。黃土因特殊的結(jié)構(gòu)和水敏性導(dǎo)致垂直裂隙發(fā)育、顆粒隨機(jī)排列、粒間孔隙多樣等特征[25]。因此形成了各種形態(tài)不同、大小不同、性質(zhì)不同的優(yōu)勢(shì)通道。按規(guī)模大小可以將優(yōu)勢(shì)通道劃分為宏觀、細(xì)觀及微觀優(yōu)勢(shì)通道[26]。也可以根據(jù)土壤水分特征曲線中孔徑與基質(zhì)吸力的關(guān)系對(duì)黃土的大孔隙和小孔隙進(jìn)行界定，對(duì)土壤大孔隙進(jìn)行形態(tài)學(xué)分類[27]。按發(fā)育特征將優(yōu)勢(shì)通道劃分為均勻介質(zhì)、優(yōu)勢(shì)介質(zhì)及灌入介質(zhì)，研究3種優(yōu)勢(shì)通道下的優(yōu)先流入滲特征[28]。

根據(jù)先前學(xué)者的研究總結(jié)，可以將黃土優(yōu)勢(shì)通道按形態(tài)劃分為面狀、管狀及粒間優(yōu)勢(shì)通道。面狀優(yōu)勢(shì)通道以黃土發(fā)育的結(jié)構(gòu)面為主，包括節(jié)理、裂隙等，見圖1( a )，形成的主要原因是黃土具有直立性、破碎性，這會(huì)使黃土垂直節(jié)理及拉張裂隙發(fā)育。王景明等[29]對(duì)黃土節(jié)理進(jìn)行分類，并深入研究構(gòu)造節(jié)理的力學(xué)性質(zhì)及區(qū)域性特征。盧全中等[30-31]對(duì)黃土體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了綜合分類及災(zāi)害效應(yīng)剖析，指出黃土結(jié)構(gòu)面是地下水的運(yùn)移通道和儲(chǔ)存場(chǎng)所。同時(shí)地表水也會(huì)通過垂直節(jié)理等黃土結(jié)構(gòu)面進(jìn)入土體內(nèi)部，使黃土塊體重度加大、強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生[32]。

圖1 優(yōu)勢(shì)通道分類模型圖Fig.1 Classification model diagram of preferential passage

管狀優(yōu)勢(shì)通道以黃土洞穴(落水洞、暗穴等)、根孔及蟲洞為主，見圖1(b)、(c)，主要原因是黃土具有水敏性，濕陷性及崩解性等水理特性。水敏性使黃土的結(jié)構(gòu)特性遇水顯著降低，易遭受侵蝕或掏蝕，形成洞穴；濕陷性會(huì)影響黃土的沉降，尤其是自重濕陷性是黃土洞穴產(chǎn)生的最直接因素；崩解性可使黃土易被侵蝕搬運(yùn)，加速黃土洞穴的形成與發(fā)展[33]。鄒錫云[34]等對(duì)黑方臺(tái)的黃土洞穴分布及特征進(jìn)行調(diào)查，分析洞穴災(zāi)害的主要影響因素。李喜安等[35]，Peng等[36]討論了黃土高原黃土洞穴的分類特征，對(duì)其成因機(jī)制、發(fā)育規(guī)律及對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響進(jìn)行深入分析。張焱等[37]針對(duì)黃土洞穴發(fā)育地區(qū)對(duì)滑坡土體及穩(wěn)定性的影響進(jìn)行深入分析。

粒間優(yōu)勢(shì)通道以黃土內(nèi)部孔隙為主，形成原因是黃土顆粒具有碎散性及粘聚性，見圖1( d )，黃土的碎散性使黃土內(nèi)部的孔隙發(fā)育，粘聚性使黃土顆粒形成團(tuán)聚體，團(tuán)聚體之間相互交錯(cuò)分布形成土體骨架及孔隙，為水的入滲提供微觀通道。雷祥義等[38-39]利用掃描電鏡對(duì)黃土孔隙按成因和大小分別進(jìn)行分類，并剖析各種孔隙結(jié)構(gòu)在不同區(qū)域及層位上的變化規(guī)律。彭建兵等[40]通過壓汞實(shí)驗(yàn)獲得黃土孔徑分布圖，找到了黃土微孔隙、粒間孔隙、架空孔隙及大孔隙的分界點(diǎn)。

不同形態(tài)的黃土優(yōu)勢(shì)通道形成演化機(jī)制會(huì)不同，其優(yōu)先流的流動(dòng)機(jī)制和規(guī)律會(huì)不同，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響程度也會(huì)有所不同。優(yōu)勢(shì)通道是水快速進(jìn)入土體內(nèi)部的媒介，對(duì)優(yōu)勢(shì)通道的研究是黃土優(yōu)勢(shì)滲流致災(zāi)研究中不可或缺的一部分，現(xiàn)優(yōu)勢(shì)通道主要針對(duì)宏觀—細(xì)觀—微觀不同尺度下的滲流特征及分布形態(tài)特征進(jìn)行研究。而對(duì)探究不同形態(tài)下優(yōu)勢(shì)通道中優(yōu)先流的流動(dòng)規(guī)律、對(duì)土體強(qiáng)度性質(zhì)的影響及在導(dǎo)水過程中的演變機(jī)制和變化趨勢(shì)研究較少，是未來黃土地質(zhì)災(zāi)害研究的一個(gè)重點(diǎn)。

2.2 優(yōu)先流分類研究

優(yōu)先流是水流通過優(yōu)勢(shì)通道快速下滲的一種非平衡流，由于形成機(jī)理及濕潤(rùn)峰不同，其入滲模式也不同且種類較多，并具有不同反映現(xiàn)象的名稱，如大孔隙流、指流、漏斗流、非飽和重力流、溝槽流、異質(zhì)流、擺動(dòng)流等[42-43]。現(xiàn)優(yōu)先流研究主要在大孔隙流、指流及漏斗流方面，本文主要針對(duì)此3種形態(tài)的優(yōu)先流進(jìn)行論述。

2.2.1 大孔隙流

在優(yōu)先流研究中，大孔隙流研究比較普遍且深入。大孔隙流( macropore flow )指水繞過結(jié)構(gòu)密實(shí)、滲透率低的土壤基質(zhì)，沿著根孔、節(jié)理裂隙等導(dǎo)水能力強(qiáng)的大孔隙下滲的非平衡流[44]，滲流模型見圖2。

圖2 大孔隙流滲流模型[13]

Lawes等[45]發(fā)現(xiàn)部分地表水通過大孔隙快速入滲，且論證了大孔隙流的存在。隨后許多學(xué)者對(duì)大孔隙流進(jìn)行深入研究。吳繼強(qiáng)等[46]基于模型試驗(yàn)從大孔隙深度及有效面孔隙度兩個(gè)角度分析大孔隙在非飽和土中對(duì)水及溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律的影響。Alberti等[47]建立三維滲流模型，采用數(shù)值模擬對(duì)飽和土中大孔隙流的流動(dòng)特性、溶質(zhì)運(yùn)移進(jìn)行表征，結(jié)果表明：大孔隙密度與優(yōu)先流強(qiáng)度呈線性相關(guān)。高朝俠等[48]通過土柱入滲試驗(yàn)探究大孔隙扭曲性及連通性對(duì)水分遷移的影響，構(gòu)建大孔隙流雙重滲透模型，模擬濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移特征。盛豐等[49-50]運(yùn)用離子示蹤法開展?jié)B流試驗(yàn)，探究土壤中大孔隙的發(fā)育特征及溶質(zhì)的運(yùn)移規(guī)律，論述了大孔隙流和指流的研究進(jìn)展、模型理論及研究方法。大孔隙流是優(yōu)先流研究中最廣泛、最深入、最具代表性的一種非平衡流，對(duì)其研究也是優(yōu)先流研究中最關(guān)鍵、最重要的一部分。

2.2.2 指流

指流( finger flow )是土體中普遍存在一種非平衡流運(yùn)移形式，是指水在非飽和土體中遷移時(shí)繞過大部分土壤基質(zhì)，并由于各土層性質(zhì)的差異，使?jié)駶?rùn)鋒非均勻下移，呈“指狀”或“舌狀”的流動(dòng)現(xiàn)象[51]，滲流模型見圖3。

圖3 指流滲流模型

指流的形成機(jī)理主要在于滯留空氣壓力的作用、分層土壤、疏水性土壤及土壤水力學(xué)特性的空間變異性四個(gè)方面[44]。Glass等[52-53]通過室內(nèi)雙層沙土積水試驗(yàn)，證明在分層土壤下極易發(fā)生指流現(xiàn)象；并探究指流直徑和指尖流速之間的規(guī)律，結(jié)果表明：流速越大，指流直徑越大。張建豐等[54-55]通過入滲試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)黃土層狀結(jié)構(gòu)土中指流的現(xiàn)象、發(fā)生機(jī)理及產(chǎn)生條件進(jìn)行研究，揭示了水流在層狀結(jié)構(gòu)土壤中的入滲規(guī)律；針對(duì)不同粒徑的砂質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)土進(jìn)行入滲試驗(yàn)，表明指流發(fā)生的兩個(gè)主控因素為水流的穩(wěn)滲率及土體的飽和導(dǎo)水率。攔繼元等[56]對(duì)指流的形成機(jī)理及影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究，表明指流在土性及飽和導(dǎo)水率差異大的層狀土壤中易發(fā)生，均勻土中不會(huì)發(fā)生。Wang等[57]通過室內(nèi)土柱滲透試驗(yàn)，探究了層狀土中指流的發(fā)生機(jī)理、指流的流動(dòng)規(guī)律及滲透參數(shù)的變化規(guī)律。目前指流研究主要集中在發(fā)生條件、影響因素等方面，指流對(duì)土性的影響及致災(zāi)機(jī)理研究較少，需要進(jìn)一步探究。

2.2.3 漏斗流

漏斗流( funnel flow )是指在土體剖面中有一個(gè)或幾個(gè)粗碎屑夾層，當(dāng)水流入滲到達(dá)夾層后將沿夾層的表面傾斜流動(dòng)至斜夾層的下端，水流匯集，隨后濕潤(rùn)鋒以“漏斗”形態(tài)垂直向下運(yùn)移的非平衡流[58]，滲流模型見圖4。

圖4 漏斗流滲流模型Fig.4 Seepage model of funnel flow

漏斗流是優(yōu)先流的一種，對(duì)漏斗流的研究相對(duì)較少。Ju等[59-60]等通過數(shù)值模擬，調(diào)查研究了滲流帶中污染物的運(yùn)移如何受到漏斗型優(yōu)先流的影響；確定穩(wěn)態(tài)漏斗型優(yōu)先流的特性，以及它如何受到入滲速率、土層密度和結(jié)構(gòu)組合的影響。Kung等[61]對(duì)漏斗流的形成機(jī)理及對(duì)溶質(zhì)的運(yùn)移影響進(jìn)行研究，還研究了漏斗流的流動(dòng)模式以及滯后效應(yīng)對(duì)漏斗現(xiàn)象的影響。漏斗流多發(fā)生在砂質(zhì)土壤中，對(duì)水分及溶質(zhì)的運(yùn)移有很大的影響，是黃土地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的誘因之一。

近些年來對(duì)各類型優(yōu)先流的形成機(jī)理、滲流特征已進(jìn)行了大量研究，且取得了很大的進(jìn)展和成果。但優(yōu)先流研究主要集中在大孔隙流方面，對(duì)其他優(yōu)先流的滲流規(guī)律及發(fā)育機(jī)制研究較少，知識(shí)體系不健全，在未來黃土優(yōu)勢(shì)入滲研究中需要進(jìn)一步探索。

3 優(yōu)勢(shì)滲流研究方法

3.1 試驗(yàn)觀測(cè)法

試驗(yàn)觀測(cè)法是指運(yùn)用一定的技術(shù)手段對(duì)黃土地區(qū)優(yōu)勢(shì)滲流及優(yōu)先流現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)優(yōu)勢(shì)通道及流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行定性和定量的分析。按照試驗(yàn)方法對(duì)土體的擾動(dòng)程度，可分為擾動(dòng)型和非擾動(dòng)型兩種類型。

非擾動(dòng)試驗(yàn)是指在試驗(yàn)過程中對(duì)土體的擾動(dòng)程度很小或沒有擾動(dòng)，主要包括掃描技術(shù)、探地雷達(dá)法及高密度電法等。擾動(dòng)試驗(yàn)指對(duì)土體結(jié)構(gòu)造成破壞，使土體不能保持原狀，主要包括示蹤法、穿透曲線法及張力滲透儀法等。對(duì)近些年來優(yōu)先流的試驗(yàn)研究總結(jié)歸納見表1。

表1 優(yōu)先流試驗(yàn)研究總結(jié)表Table1 Summary table of preferential flow experimental studies

試驗(yàn)觀測(cè)法在優(yōu)先流研究中有數(shù)據(jù)易采集分析，結(jié)果直觀的優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也具有尺度效應(yīng)和邊界效應(yīng)的問題，另外擾動(dòng)性試驗(yàn)破壞了土體結(jié)構(gòu)，與實(shí)際可能存在較大的誤差。盡可能的減弱或消除兩者的影響是將來優(yōu)先流試驗(yàn)研究的一個(gè)重點(diǎn)。

3.2 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法是指通過建立優(yōu)勢(shì)滲流模型及滲流方程，利用數(shù)值軟件來模擬水及溶質(zhì)在土體內(nèi)的運(yùn)移特征，是優(yōu)先流研究非常重要的一個(gè)手段。

吳慶華等[69-70]通過HYDRUS的雙滲透模型(基質(zhì)域和大孔隙域)模擬優(yōu)先流發(fā)育過程，表明優(yōu)先流入滲速率與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)，地下水入滲補(bǔ)給以優(yōu)先流為主。同霄等[71]基于顆粒離散元法對(duì)降雨入滲過程裂縫的幾何形態(tài)變化進(jìn)行數(shù)值模擬，分析優(yōu)先流的致災(zāi)機(jī)理。Rahbeh等[72]通過HYDRUS的單孔隙和雙孔隙模型模擬優(yōu)先流的垂直滲流過程，表明土體表層的優(yōu)先流控制了土壤水分的垂直運(yùn)動(dòng)。趙寬耀等[73]通過COMSOL模擬分析優(yōu)勢(shì)流和基質(zhì)流共同作用下不同灌溉強(qiáng)度下水的入滲特征，表明灌溉強(qiáng)度大時(shí)，入滲以優(yōu)先流為主導(dǎo)，基質(zhì)中的滲流為非飽和入滲；灌溉強(qiáng)度小時(shí)，入滲以飽和狀態(tài)的基質(zhì)流為主導(dǎo)，優(yōu)先流為非飽和入滲。Filipovic等[74]等結(jié)合染色示蹤法及HYDRUS的雙滲透模型以原狀土柱為對(duì)象對(duì)土壤中的多孔體系及優(yōu)先流動(dòng)路徑進(jìn)行模擬研究。

近年來，隨著對(duì)優(yōu)先流研究的深入，HYDRUS、PFC、COMSOL等數(shù)值軟件被不斷完善和廣泛應(yīng)用，土體內(nèi)部的優(yōu)勢(shì)入滲現(xiàn)象擬合也愈來愈好，但若選取的入滲模型不同，得出的結(jié)果也不相同，且有的模型參數(shù)難以獲取。因此對(duì)于優(yōu)勢(shì)入滲研究，要完善優(yōu)勢(shì)入滲模型，建立統(tǒng)一的模型參數(shù)獲取方法；要試驗(yàn)法與數(shù)值模擬相互結(jié)合，互相補(bǔ)充。

4 優(yōu)先流入滲模型

為了更好的定量探究土體中優(yōu)先流對(duì)水分遷移的影響及溶質(zhì)的運(yùn)移規(guī)律，學(xué)者們建立了許多描述土體優(yōu)先流的入滲模型，常見的優(yōu)先流模型可分為兩域模型、多域模型及其他模型。

4.1 兩域模型

兩域模型是假定土由由基質(zhì)域和孔隙域構(gòu)成，對(duì)兩域采用特定的水流控制方程和溶質(zhì)運(yùn)移方程來模擬優(yōu)先流在土體中的入滲現(xiàn)象。兩域模型又可大致分為兩類，一類是水在孔隙域中運(yùn)移，而在基質(zhì)域中基本不流動(dòng)的流動(dòng)—非流動(dòng)型；另一類是水及溶質(zhì)在兩域中都可以運(yùn)移，但在兩域中運(yùn)移速度不同的流動(dòng)—流動(dòng)型，這類模型普遍都認(rèn)為水在基質(zhì)域中的運(yùn)移符合達(dá)西定律[44]，滲流特征見圖5。

圖5 兩域模型示意圖[75]Fig.5 Schematic diagram of two domain models [75]

兩域模型研究較為廣泛，代表模型很多，極大的拓寬了優(yōu)先流的滲流研究。Skopp等[76]對(duì)兩域中的水及溶質(zhì)運(yùn)移采用對(duì)流彌散方程來表示，用F表示孔隙域，S表示基質(zhì)域，方程如下：

(1)

(2)

式中：VF，VS為水及溶質(zhì)在兩域的流速，VF>VS；cF，cs為兩域中的溶質(zhì)濃度；θF，θS為兩域中的體積含水量；DF，DS為兩域的彌散系數(shù)；α為兩域之間的交換系數(shù)。

該模型可以很好的模擬兩域間水及溶質(zhì)的交換和運(yùn)移，且當(dāng)VS趨近零時(shí)，該模型可簡(jiǎn)化為流動(dòng)—非流動(dòng)型；當(dāng)α趨近零時(shí)，可簡(jiǎn)化為孔隙簇模型[44]。相較于此，Wallach等[77]也構(gòu)建了類似模型，Wallach將土體分為流動(dòng)孔隙域和靜止孔隙域，且認(rèn)為在結(jié)構(gòu)性較好的土體中只有流動(dòng)孔隙域(由連通性較好的優(yōu)勢(shì)通道組成)和兩域周圍的基質(zhì)層參與溶質(zhì)的交換，并通過質(zhì)量守恒方程來描述運(yùn)移交換特征，方程如下：

(3)

(4)

式中：c1，c2為流動(dòng)孔隙域和基質(zhì)層中溶質(zhì)濃度；θ1，θ2為流動(dòng)孔隙域和基質(zhì)層的體積含水量；q為水在流動(dòng)孔隙域穩(wěn)定均勻時(shí)的流量；k為質(zhì)量傳遞系數(shù)；ε為無量綱參數(shù)。

該模型簡(jiǎn)化了質(zhì)量守恒方程，其模型參數(shù)可以通過擬合土壤穿透曲線來獲得。當(dāng)參數(shù)ε趨近于零時(shí)，模型描述了基質(zhì)層無限匯聚的情況，相較于Skopp模型更加簡(jiǎn)單，模型參數(shù)更易獲取。

兩域模型的機(jī)理比較簡(jiǎn)單，對(duì)優(yōu)先流的滲流模擬較好，但也存在許多缺點(diǎn)：流動(dòng)—非流動(dòng)型模型與實(shí)際不符，水在基質(zhì)域中也存在滲流現(xiàn)象；模型中部分參數(shù)獲取比較困難；邊界條件的處理比較復(fù)雜等。

4.2 多域模型

多域模型是根據(jù)孔徑將土體劃分為多個(gè)孔隙域，各孔隙因壓力水頭及濃度不同而進(jìn)行水及溶質(zhì)的交換運(yùn)移，對(duì)每個(gè)孔隙域采用相應(yīng)的運(yùn)移主控方程來模擬優(yōu)勢(shì)入滲現(xiàn)象[44]，滲流特征見圖6。Gwo等[78]將土體分為大孔隙域、中孔隙域及微孔隙域，建立多域模型。采用達(dá)西定律控制水流，方程如下：

圖6 多域模型示意圖[75]Fig.6 Schematic diagram of multi-domain models [75]

(5)

多域模型相較于兩域模型對(duì)于土體中水與溶質(zhì)的運(yùn)移更為精確，但由于多域模型劃分土體比較精細(xì)，所需模型參數(shù)也比兩域模型多，且模型參數(shù)獲取更為復(fù)雜，所以多域模型研究較為困難，相較于兩域模型研究較少。

4.3 其他模型

除兩域模型和多域模型外，許多學(xué)者還引入了其他的模型來對(duì)優(yōu)先流的入滲規(guī)律進(jìn)行研究。盛豐等[79]根據(jù)優(yōu)先流表現(xiàn)的階段特征和分形特征，構(gòu)建了兩區(qū)—兩階段模型。兩區(qū)分別為活動(dòng)流場(chǎng)和不活動(dòng)流場(chǎng)；兩階段是指活動(dòng)流場(chǎng)在發(fā)展過程中會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)張和保持兩個(gè)階段。該模型模擬土體優(yōu)先流的最大特點(diǎn)是活動(dòng)流場(chǎng)隨著土壤含水率的升高而擴(kuò)張，是動(dòng)態(tài)變化的，而水及溶質(zhì)在不活動(dòng)流場(chǎng)是不運(yùn)移的。擴(kuò)張和保持階段的水流控制方程如下：

(6)

(7)

式中：θa，θi為活動(dòng)流場(chǎng)和不活動(dòng)流場(chǎng)的土壤含水率；Ka，ha為活動(dòng)流場(chǎng)的非飽和水力傳導(dǎo)度和土壤勢(shì)頭；f為活動(dòng)流場(chǎng)占整個(gè)流場(chǎng)的比例；fmax為活動(dòng)流場(chǎng)擴(kuò)張到最大時(shí)占整個(gè)流場(chǎng)的比例，與時(shí)間無關(guān)；raw為活動(dòng)流場(chǎng)內(nèi)土壤水耗散和補(bǔ)充的速率。

Mallants等[80]利用一維數(shù)值流動(dòng)模型模擬水流在含大孔隙的層狀土壤中的運(yùn)移規(guī)律，將Monte-Carlo隨機(jī)法引入數(shù)值模擬中，構(gòu)建隨機(jī)模型。潘網(wǎng)生等[81]將逾滲理論與黃土微觀結(jié)構(gòu)研究相結(jié)合，構(gòu)建了黃土雙重逾滲模型來模擬研究黃土優(yōu)勢(shì)入滲的規(guī)律。朱建東等[75]結(jié)合分形導(dǎo)數(shù)理論對(duì)入滲模型進(jìn)行改進(jìn)，得到分形導(dǎo)數(shù)Richards 入滲模型與分形導(dǎo)數(shù)Green-Ampt模型，并對(duì)兩種模型進(jìn)行對(duì)比評(píng)優(yōu)。除此之外還有多尺度平均模型、混合層模型及兩階段模型等。

優(yōu)先流模型的構(gòu)建是認(rèn)清優(yōu)先流的流動(dòng)機(jī)理及滲流規(guī)律中十分重要的一環(huán)，現(xiàn)今對(duì)于優(yōu)先流模型構(gòu)建已取得了顯著成果，但優(yōu)先流是一種非平衡流，對(duì)于其流動(dòng)規(guī)律及滲流特征的控制方程仍需要進(jìn)一步完善，且模型參數(shù)較多、難以精確獲取，亟待解決。

5 存在問題及研究展望

優(yōu)勢(shì)入滲是導(dǎo)致黃土地區(qū)發(fā)生重大地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因之一，對(duì)優(yōu)勢(shì)入滲和優(yōu)先流的研究也是近年來的研究熱點(diǎn)問題。但目前的研究仍存在許多問題亟待解決：

(1)優(yōu)勢(shì)通道的演變機(jī)理及致災(zāi)機(jī)理不清

優(yōu)勢(shì)通道研究是黃土優(yōu)勢(shì)入滲研究中不可或缺的一部分，本文將優(yōu)勢(shì)通道分為面狀優(yōu)勢(shì)通道、管狀優(yōu)勢(shì)通道及粒間優(yōu)勢(shì)通道。但對(duì)于優(yōu)勢(shì)通道與優(yōu)先流的互饋機(jī)制仍不清晰，黃土地區(qū)細(xì)微觀的孔隙、裂隙在優(yōu)先流作用下是如何擴(kuò)展演化的，反之優(yōu)勢(shì)通道的演變對(duì)優(yōu)先流會(huì)產(chǎn)生什么影響，以及這種互饋機(jī)制在黃土地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生過程中發(fā)揮的作用仍需要進(jìn)一步的探究。

(2)優(yōu)先流入滲機(jī)理及入滲模型研究不足

文中對(duì)優(yōu)先流進(jìn)行分類研究，并對(duì)大孔隙流、指流及漏斗流研究進(jìn)行論述，對(duì)其入滲模型及主控方程進(jìn)行探討。目前優(yōu)先流研究主要集中在大孔隙流，且對(duì)優(yōu)先流在土體內(nèi)部的入滲流動(dòng)形式及入滲機(jī)理有很大爭(zhēng)議。另外雖然現(xiàn)今提出了很多優(yōu)先流入滲模型，入滲模型很大部分將基質(zhì)域認(rèn)定為剛性邊界，不隨優(yōu)先流的下滲而發(fā)生改變，實(shí)際存在很大的誤差，且主控方程方面也存有爭(zhēng)議。所以需要進(jìn)一步健全優(yōu)勢(shì)入滲模型，探究不同類型的優(yōu)先流及不同類型優(yōu)勢(shì)通道下優(yōu)先流的入滲機(jī)理。

(3)優(yōu)勢(shì)入滲過程連續(xù)可視化監(jiān)測(cè)困難

優(yōu)勢(shì)入滲的方法可分為試驗(yàn)法和數(shù)值模擬，試驗(yàn)法不可避免會(huì)存在尺度效應(yīng)和邊界效應(yīng)，數(shù)值模擬與實(shí)際存在較大誤差。試驗(yàn)法對(duì)于探究某一時(shí)刻的優(yōu)勢(shì)入滲及優(yōu)先流流動(dòng)現(xiàn)象較容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)土體的入滲及流動(dòng)現(xiàn)象還比較困難，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于優(yōu)勢(shì)入滲研究十分重要，是一個(gè)急需攻克的難題。在將來優(yōu)勢(shì)入滲研究中要減少或克服尺度和邊界效應(yīng)，發(fā)展優(yōu)勢(shì)入滲實(shí)時(shí)觀測(cè)技術(shù)。

(4)優(yōu)勢(shì)入滲定量化研究困難

優(yōu)先流是一種背離達(dá)西定律的非平衡流，對(duì)非平衡流的定量化研究較為困難，現(xiàn)對(duì)于優(yōu)先流的研究主要集中于定性研究，許多學(xué)者對(duì)優(yōu)先流建立滲流模型，通過數(shù)值模擬來進(jìn)行定量研究，但選取的模型及主控方程不同，結(jié)果也會(huì)存在差異，且模型及方程參數(shù)的選取比較困難，這也造成了定量化結(jié)果不準(zhǔn)確。這也是未來研究中需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。

優(yōu)勢(shì)入滲和優(yōu)先流現(xiàn)象在黃土地區(qū)宏觀、細(xì)觀和微觀層面上都存在，所以未來對(duì)優(yōu)勢(shì)入滲和優(yōu)先流及優(yōu)勢(shì)通道的演變機(jī)制研究需要從宏觀—細(xì)觀—微觀3個(gè)方面進(jìn)行研究，建立優(yōu)勢(shì)滲流致災(zāi)的鏈生機(jī)制，探究?jī)?yōu)勢(shì)通道和優(yōu)先流的互饋機(jī)制及對(duì)黃土地質(zhì)災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理。