灌溉優先流對裂隙分布密度、灌水強度及土壤濕度的響應機理

段鳳儀，朱成立，王策，陳于，馬靚

灌溉優先流對裂隙分布密度、灌水強度及土壤濕度的響應機理

段鳳儀1，朱成立1，王策1*，陳于2，馬靚1

（1.河海大學 農業科學與工程學院，南京 211100；2.江蘇省農村水利科技發展中心，南京 210029）

【目的】研究土壤初始含水率（土壤濕度）、裂隙分布密度及灌水強度對裂隙優先流強度的影響機理。【方法】構建基于水量平衡原理的優先流雙域滲透模型，并通過染色示蹤試驗進行物理模擬及模型驗證，基于模型數值模擬了裂隙分布密度、初始含水率和灌水強度三維因素旋轉組合下的優先流特征。【結果】試驗區的淺小型裂隙（裂隙平均寬度0.2 cm≤c≤1.0 cm，平均深度0.5 cm≤≤10 cm）與優先流的發育無直接聯系，寬深型裂隙（裂隙平均寬度c≥2 cm，平均深度≥50 cm）是產生裂隙優先流的主要原因；寬深型裂隙分布密度增大，基質流深度、染色面積率以及灌水均勻度增加；模型對裂隙優先流的模擬效果較好（2=0.951，＜0.01）；模擬結果顯示，裂隙深度很大程度上決定了優先流的最大入滲深度；接近土壤飽和導水率的灌水強度無法觸發優先流，隨著灌水強度增加，優先流程度和最大入滲深度增加，基質流深度和灌水均勻度降低；隨著土壤初始含水率和裂隙分布密度增大，基質流深度和灌水均勻度增加，優先流程度降低。【結論】對于縮脹性較強、有機質量豐富的農田土壤，降低灌水強度、提高土壤初始含水率及裂隙分布密度能有效抑制裂隙優先流并提高灌水質量。

裂隙優先流；雙域滲透模型；裂隙分布密度；土壤初始含水率；灌水強度

0 引言

【研究意義】土壤的空間異質性導致水分繞過土壤基質并沿著土壤中相互連通甚至貫穿的優先通道集中流動[1]，這種現象被稱為優先流。農田土壤干縮過程中產生的裂隙是誘發優先流的常見因素[2]。由于干縮裂隙具有孔隙尺寸大、連通性強等特點，在高強度灌水或降水過程中，水分會沿裂隙通道向深層快速遷移，使灌溉初期優先流成倍增加[3]。同時，入滲水流挾帶土壤中的養分或污染物沿著優先通道直接并快速地下滲，造成土壤養分淋失和灌溉效率降低，并增加了污染地下水的風險[4-5]。因此，研究裂隙優先流機理對降低水肥流失和地下水污染均具有實際意義。

【研究進展】近年來，國內外有關土壤優先流的研究呈持續增長的趨勢。Guo等[6]分析了190份有關優先流的研究，發現大孔隙/裂隙通道特征、水分輸入特征（即灌水/降水特征）和初始土壤濕潤條件是優先流研究中較為關鍵的3個控制因素，但部分影響因素對裂隙優先流的作用機制尚未存在定論。例如，Quisenberry等[7]通過田間試驗發現，當土壤初始含水率更高時，水分和溶質遷移的深度更大，優先流現象更明顯。而Hardie等[8]在農場4個地點開展染色示蹤試驗發現，與濕潤土相比，干燥土中染色劑入滲深度和入滲率均成倍增加。其原因在于現場試驗中初始含水率同時影響了土壤前期的導水特性及初始裂隙形態，復雜的土壤初始條件組合使得初始含水率對優先流的影響機制難以得到準確分析[9]。此外，Wells等[10]認為，裂隙優先流的入滲深度和入滲量與裂隙深度正相關。Luo等[11]研究發現，裂隙/大孔隙網絡連通性越好，土壤導水率越大，導水能力越強。而唐朝生等[12]研究表明，當單位面積內裂隙分布密度增大時，裂隙總長度和網絡連通性增加，但裂隙的寬度和發育深度有所降低。裂隙特征的不同組合將影響優先流的發育模式與強度。此外，降水/灌水強度對優先流的激活效應也受到了土壤初始狀態的強烈影響[13]。【切入點】國內外關于灌水強度與土壤初始狀態對優先流的研究中，主要以室外試驗或模型研究為主，室外試驗往往存在無關因素干擾，難以有效分析各因素對優先流的影響機制；室內試驗或模型研究多為單因素分析，忽略了多因素組合的相互影響。【擬解決的關鍵問題】為此，本文基于裂隙優先流雙域滲透模型，選取土壤初始含水率、裂隙分布密度及灌水強度3個關鍵因素開展多變量旋轉組合下的優先流模擬。構建模型基于表面入滲、層流運移、裂隙邊壁吸滲與灌水強度相平衡的水量平衡原理[14]，并通過染色示蹤試驗進行驗證。通過多變量組合模擬，建立各因素與裂隙優先流的完整關系網絡，綜合分析各因素對裂隙優先流的影響機制，為探索有效抑制裂隙優先流的田間措施及灌水制度提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 裂隙優先流染色示蹤試驗

1.1.1 供試土壤及其處理

試驗區位于江蘇南京河海大學高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室（31°86′N，118°60′E）。氣候為北亞熱帶季風氣候，年均氣溫15.7 ℃，年均日照時間2 017.2 h，多年平均降水量1 200 mm，年均蒸發量900 mm。試驗土壤取自試驗區稻麥輪作旱田表層的黏壤土，將其過10 mm篩并人工去除根系雜草等雜質后按1.25 g/cm3的體積質量逐層（每層10 cm）回填至實驗裝置內，在每層回填后對土壤表面進行磨毛處理，避免分層。實驗裝置為用1.0 m×1.0 m×1.0 m的有機玻璃容器，其前側可拆卸，以便縱剖土壤，后側設置直徑1.0 cm、間隔10 cm的圓孔用于插入TDR（用于測量土壤含水率）的探針。填土完成后，采用模擬噴灌的方式使土壤濕潤，隨后隔絕降水使其自然開裂。裂隙發育期間，定期觀測裂隙發育寬度與深度，待裂隙發育寬度與深度到達穩定且土壤表層含水率降至凋萎系數后，裂隙培育結束。隨后利用相機記錄表面裂隙形態，采用彈性塑料桿測量裂縫深度。通過TDR測量土壤含水率，從而得到土壤初始含水率。

1.1.2 染色示蹤試驗

裂隙培育完成后，采用碘化鉀-淀粉染色示蹤技術觀測該裂隙形態下的水流運移。通過模擬降水器將含有碘化鉀示蹤劑（20 g/L）的灌溉水以60 mm/h[15]的灌水強度灌入開裂土壤中，灌水定額為100 mm[16]。待水分入滲重分布（12 h）后，每間隔4 cm對土壤進行逐層縱剖，對每個剖面進行平整，采用氣壓噴霧器對剖面均勻噴灑淀粉（50 g/L）和硝酸鐵（20 g/L）的混合液。由于灌溉水中加有碘化鉀示蹤劑，其中的碘離子會被三價鐵離子氧化為碘分子，碘分子與淀粉反應將顯示出藍紫色，從而顯現出灌溉水的運移區域。待20 min顯色穩定后，對垂直剖面進行拍照記錄。

1.1.3 染色圖像處理

將拍攝的剖面圖像通過Photoshop進行扭曲矯正和剪裁，裁去底部和側邊受邊界效應影響的區域。隨后利用Photoshop對染色區和未染色區進行分割，并將染色區和未染色區域分別設置黑色和白色。最后通過MATLAB對圖像進行二值化，將黑色和白色分別賦值為1和0，并將處理結果導出為數值化矩陣，用于后期計算。

1.1.4 裂隙優先流評價參數

1）基質流深度（cm），定義為土壤剖面表面至層間，每層染色率均不小于0.95 cm2/cm2時對應的深度。層的染色率表達式為：

式中：為剖面像素圖中方向上的行數；dye()為剖面-Δ至+Δ層間的染色覆蓋率（cm2/cm2）；(,)為剖面圖上任意位置(,)處的賦值，未染色時(,)=0，染色時(,)=1；為剖面像素圖列數；為像素轉換為尺寸的轉換系數，這里取為1/20 cm/pxl。

2）優先流指數pf（cm2/cm2），定義為優先流區占總染色區dye面積比，計算式為：

式中：dye為總染色面積（cm2），其值等于像素圖中染色像素總和乘以2；N為剖面像素圖對應的列寬（cm），其值等于剖面像素圖列數乘以；其他指標意義同上。

3）最大入滲深度M（cm），指染色溶液下滲的最大深度。剖面上任意點(,)的入滲深度1()可表示為：

式中：為剖面像素圖的行數；其他指標意義同上。

4）灌水均勻度u（cm/cm），反映了染色區域分布的均勻度，是衡量灌水質量的重要指標，估算式為：

1.2 裂隙優先流分析模型

1.2.1 模型原理

1）雙域滲透模型

灌溉水在重力作用下會沿優先通道快速下滲產生優先流，其流速遠大于基質流流速[17]。因此，可采用基質流模式及快速遷移的優先流模式分別對基質域和裂隙域的水分運移進行模擬。本文采用基于水量平衡原理的裂隙優先流雙域滲透模型[14]，基質域的水分運移仍視為毛細管驅動流動，采用Darcy-Richards 方程進行描述；裂隙域中將優先流簡化為重力驅使的重力流，并假定為沿邊壁的層流運動，采用基于哈根-泊肅葉形式的層流方程模擬，同時考慮基質域-裂隙域間水平吸滲，水平吸滲過程采用Green-Ampt模型進行描述。由于層流參數復雜，本文對裂隙邊壁層流運移過程進行簡化，通過水量平衡原理，即表面入滲、層流運移、裂隙邊壁吸滲與灌水強度相平衡，迭代推求出層流運移規律，以減少層流參數，提高模擬結果的準確性。

2）水量平衡原理

將土壤收縮塊區簡化為方形，裂隙網絡簡化為縱橫交錯且裂隙寬度與深度均勻的對稱網格。由于入滲曲線對稱分布，可將研究區對稱化（圖1）。

圖1 研究區概化模型與邊界條件

根據水量平衡原理，即灌水強度可轉換為土壤表面入滲率（Ⅰ）、裂隙邊壁水平吸滲率（Ⅱ）和裂隙邊壁層流通量（Ⅲ）3部分。因此，在任意時間段（，Δ）在水量平衡計算式為：

式中：sur為表層土壤入滲量（cm）；h為裂隙邊壁入滲量（cm）；Δlar為增加的層流量（cm2）；wf裂隙邊壁濕潤段長度（cm）；m為基質域寬度（cm）；0為灌水強度（cm/min）。

①表層土壤入滲量

土壤表層入滲量根據表層土壤入滲能力和灌水強度決定，假設灌水強度恒定且高于土壤表層飽和導水率s，即()=0，且0>s。若土壤表面初始狀態為完全干燥，則上表層入滲能力隨土壤含水率增高而逐漸減小。因此，不同階段的入滲率可采用Smith公式[18]描述為：

式中：0為經驗系數（min），其值等于漸近線橫坐標；p為徑流發生時刻（min），即積水時刻或徑流發生時刻；和為入滲參數。

②裂隙邊壁入滲量

式中：h()為裂隙邊壁水平單寬入滲率（cm/min）。

當0≤＜p時，模擬噴灌0全部通過土壤表面入滲，此時進入裂隙的水流量為0，故裂隙邊壁入滲量也為0；當≥p時，超出表層入滲能力的水分進入裂隙內，一部分沿裂隙邊壁層流下移，一部分沿裂隙邊壁水平入滲，裂隙邊壁入滲量由邊壁濕潤段長度wf和裂隙邊壁導水率決定，其裂隙邊壁濕潤段長度隨時間動態變化，裂隙邊壁水平入滲率h()可根據Green-Ampt模型及土壤導水率函數獲得。

③裂隙內增加的層流體積Δlar

Δlar指進入裂隙的水流量，其層流厚度隨灌溉強度變化而變化，難以獲取，于是通過水量平衡原理將其簡化，即先通過Hydrus 2D 軟件分段模擬，求得在時間步長D（min）內表層土壤入滲量sur以及裂隙邊壁入滲量h，后根據水量平衡原理建立等式，反復迭代推求出裂隙邊壁濕潤段長度wf的推移規律以及裂隙內層流參數。其中裂隙濕潤段長度最大值不超過裂隙邊壁最大深度。

1.2.2 初始條件與邊界條件

根據模型原理可知，優先流的發育可分為2個階段，各階段初始及邊界條件有所不同：

1）基質流階段

當0≤≤p時，水分沿土壤表面均勻入滲，水分上邊界（OA）為定通量邊界；左右邊界（OF、AC、DE）正負通量近似相等，下邊界（EF）通量可忽略不計，均設為零通量邊界，即：

2）裂隙優先流階段

當＞p時，土壤表面產生的徑流進入裂隙內，一部分沿裂隙邊壁層流下移，一部分水平吸滲至基質域內，形成優先流。AB邊界在此階段為動態邊界，于是有：

式中：()為土壤飽和導水率；為負壓水頭（cm）。

1.2.3 計算參數

土壤持水特征曲線和非飽和導水率分別基于VG模型和Mualem模型：

表1 試驗土壤的物理-水力參數

1.2.4 模型驗證方法

模型評價采用決定系數2和均方根誤差（root mean square of error，）驗證模型有效性。一般認為2越大，越小，模型擬合的效果越好。

2 結果與分析

2.1 試驗結果與分析

從染色縱剖面中選取9個典型剖面進行分析，由于裂隙隨機分布的特點，每個剖面可視為1組重復，土體表面裂隙網絡圖及典型剖面的染色分布如圖2所示，圖2（a）中S（=1, 2, …, 9）表示裂隙節點/端點。根據試驗測定的裂隙形態數據，可將試驗區裂隙分為3類：淺小型裂隙（裂隙平均寬度0.2 cm≤c≤1.0 cm，裂隙平均深度0.5 cm≤≤10 cm）、寬深型主裂隙（裂隙平均寬度c≥2 cm，裂隙平均深度≥50 cm）及介于二者之間的中等裂隙。圖中除3條呈“Y”字形連通分布的主裂隙（S1S4、S2S9、S3S6）以及1條最大深度達13 cm的中等裂隙（S7S8）外，其他裂隙均為表面淺小裂隙。由于淺小裂隙在灌水過程中會快速閉合，對水分入滲影響不明顯[19]，所以優先流主要取決于寬深型裂隙。將圖2（a）和圖2（b）對應分析可知，本試驗的染色結果與該結論吻合，優先流的產生位置均與主裂隙一一對應：剖面1—剖面3的優先流主要由主裂隙S5S6作用產生；剖面4—剖面6上呈一大一小的2部分優先流分別由S1S2和S7S8共2條裂隙作用產生，而剖面7—剖面9經過主裂隙 S3S5，并且鄰近裂隙S3S4、S2S9，其染色覆蓋率受到了S3S4、S2S9裂隙在縱軸方向上的水分水平運移的影響，因此該優先流分布模式受到以上3條主裂隙控制。

圖2 裂隙網絡及典型剖面染色分布

分析各剖面染色覆蓋率隨深度的變化曲線（圖3）可知，開裂土體的前（剖面1—剖面3）、中（剖面7—剖面9）、后（剖面4—剖面6）部的覆蓋率減小趨勢呈明顯區別。剖面1—剖面3的染色覆蓋率在土層深度9 cm左右迅速減小，而剖面7—剖面9的染色覆蓋率從土層深度20 cm左右才逐漸減小。計算各剖面優先流評價參數（表2）可知，隨著主裂隙的增多，基質流深度、染色面積率以及灌水均勻度顯著增加。由此可知，各剖面主裂隙數量的不同是造成染色分布模式出現差異的主要原因。主裂隙數的增加會增大表面裂隙率及裂隙邊壁面積，導致入滲總表面積增加，土壤表面的入滲能力增強，基質流階段延長，基質流深度因此增大；此外，主裂隙數的增加導致水分沿多個優先通道下滲，使得滲漏量成倍增加，因此染色面積率增加；最后，主裂隙數的增加及裂隙間連通性的增加，有助于水分同時沿多個優先通道下滲，避免了局部集中下滲，因此均勻度提高。此外，圖3顯示各剖面最大入滲深度沒有顯著差異，均處于60～70 cm之間，說明最大入滲深度與裂隙數量分布差異沒有直接聯系，主要取決于裂隙最大深度。綜上所述，裂隙優先流的形成不僅受到了裂隙形態（裂隙深度及寬度）的影響，還與裂隙分布特征（剖面上的主裂隙數）密切相關。其中，裂隙的分布特征主要通過影響裂隙間的連通性及土壤表面的導水能力影響優先流的分布。

圖3 典型剖面染色覆蓋率隨土層深度變化

表2 各剖面優先流評價參數

2.2 模型模擬與驗證

采用Hydrus 2D對優先流進行分階段模擬。基于剖面1的1/2對稱區域進行建模，模擬區水平尺寸為 40 cm，垂直尺寸為70 cm，半裂隙寬度為1 cm，裂隙深度為50 cm，各層土壤的物理-水力參數見表1。模擬灌溉強度0=0.10 cm/min[15]，灌溉總時長為100 min[16]。上邊界條件采用Smith公式描述，其中的臨界時間p（又叫優先流發生時刻或徑流點）通過數值模擬得到，基于土壤剖面形態與水力參數采用Hydrus2D模擬表面入滲，當表面含水率達到表層土壤飽和含水率時視為優先流發生，模擬可得p=14.4 min。之后采用SPSS 25.0擬合計算Smith公式參數、和0，其值分別為0.554、0.828、4.298 min。據此得到土壤上邊界條件，由此計算出進入裂隙的流量，并根據水量平衡原理推算裂隙內的層流參數及水平吸滲參數。隨后分階段對入滲過程進行模擬，最大迭代數設定為10，不考慮入滲過程中裂隙的愈合情況，最后模擬得到該剖面優先流的發育過程如圖4所示。

圖4 數值模擬優先流發育過程

由圖4可知，裂隙優先流的發育過程可分為：①基質流階段（0≤≤14.4 min），水分垂直入滲，濕潤峰均勻向下推進，呈基質流態，該階段持續時間受灌水強度和初始含水率控制；②裂隙內層流推移階段（14.4 min≤≤75 min），當土壤表面達到飽和含水率后，多余的水分進入裂隙，并通過層流的方式向下推進，同時水分通過裂隙邊壁向四周擴散，呈現出漏斗狀的優先流態。層流推移速度主要受灌水強度控制，其最大推移深度受裂隙深度限制，因此裂隙深度很大程度上決定了優先流的最大入滲深度。③裂隙飽和入滲階段（75 min≤≤100 min），當層流運動到達裂隙底端，裂隙內逐漸積水飽和，之后裂隙底及邊壁在積水作用下開始飽和入滲，因此優先流最大入滲深度往往略大于裂隙最大深度。該階段優先流發育主要受裂隙邊壁飽和入滲率和裂隙內壓力水頭的影響，優先流發育緩慢。

根據染色剖面與模擬圖像，計算出染色覆蓋率的實測值與模擬值如圖5所示。經計算，2=0.951（＜0.01），為0.095，說明該模型能較好地模擬優先流的分布特征。但模擬值在15～30 cm土層深度處的染色覆蓋率略小于實測值，其原因在于實際噴灌過程中水分直接落入裂隙內并沿裂隙壁發生水平入滲造成實測結果與模擬結果存在一定差異。此外，由于裂隙深度測量不準確，測量深度小于實際深度，因此最大入滲深度的模擬值偏小。整體來看，基質流模擬的準確性高于優先流模擬部分。

圖5 裂隙優先流模擬值與實測值（剖面1）對比

2.3 不同初始條件組合下的入滲模擬

為進一步揭示不同土壤初始含水率、裂隙分布密度和灌水強度對優先流程度和灌水質量的影響，對裂隙優先流雙域滲透模型進行應用。本文采用單位面積內收縮塊區數量（）反映裂隙分布密度。選取了2組初始含水率0（0.2、0.35 cm3/cm3）、3組裂隙分布密度（2×2、4×4、6×6 cm/cm2）以及4組灌水強度0（0.10、0.06、0.03、0.02 cm/min）進行旋轉組合設計，各組處理灌水定額均為6.0 cm。基于前期研究成果可知，裂隙面積率及裂隙深度與土壤含水率負相關[20]，根據其相關曲線，得到含水率為0.2 cm3/cm3和0.35 cm3/cm3時所對應的裂隙面積率為9.5%和4.5%。同時，根據相同含水率下裂隙表面的裂隙率相同以及裂縫的平均寬度隨裂隙分布密度增大而減小的規律[12]確定裂隙分布密度下的裂隙寬度。裂隙深度按試驗測定的寬深比=0.04 cm/cm確定。數值模擬不同初始條件和邊界條件的設定見表3。

表3 數值模擬初始條件和邊界條件的旋轉組合設計

根據模擬結果（圖6）可知，灌水強度0、初始土壤含水率0以及裂隙分布密度均將影響優先流的發育程度。橫向對比相同初始含水率及裂隙分布密度的優先流可知，隨著灌水強度的增加，基質流深度降低，優先流程度顯著增加。其原因在于灌水強度的增加使土壤表面更快達到飽和含水率，加快灌溉水由表層入滲轉為沿裂隙優先下滲，基質流階段縮短，基質流深度降低。此外，灌水強度越大，層流推進速度越快，相同時間內最大入滲深度增大。當灌水強度較小（如灌水強度0=0.02 cm/min）且趨近土壤飽和導水率s=0.018 6 cm/min時，灌溉水幾乎全部通過土壤基質吸滲進入土壤中，無優先流現象。因此，接近土壤飽和導水率的灌水強度無法觸發優先流。縱向對比相同灌水強度及裂隙分布密度下的優先流可知，隨著土壤含水率升高，基質流深度增加，優先流程度顯著降低。其原因在于土壤初始含水率的增加導致初始裂隙形態的深度和寬度降低，由于優先流最大入滲深度很大程度取決于裂隙深度，因此最大入滲深度顯著降低；其次，高含水率下土壤基質導水能力的提高和儲水能力的降低[21]，使得濕潤峰推移速度加快，因此土壤基質流的深度增大、水平入滲距離增加。最后，縱向對比相同含水率及灌水強度的優先流可知，隨著裂隙分布密度的增加，優先流程度顯著減弱。其主要原因在于隨著裂隙條數和總長度增加，裂縫的平均深度和寬度相應減小[12]，因此優先流的最大入滲深度顯著降低；而裂隙條數和總長度的增加會增大裂隙邊壁的總表面積，這不僅會增大表層土壤的入滲能力，使得基質流深度增加，而且會使裂隙域與基質域的水分交換量的占比增加，導致沿裂隙邊壁下滲的層流厚度和最大入滲深度降低；此外，隨著裂隙分布密度和網絡節點數的增加，裂隙間的水平連通度提高[22]，增加了水分的橫向交換，超過土壤表面入滲能力的灌溉水能沿多個裂隙通道下滲，避免了集中下滲，提高了入滲的均勻性。綜上所述，不是任何一個連通、延長的裂隙都能產生優先流，它僅提供了傳導優先流的一個基礎條件，灌水強度才是決定優先流能否觸發和觸發快慢的重要條件；而土壤初始含水率反映了一種環境條件，影響了觸發優先流的容易程度。

圖6 等灌水定額下初始含水率-灌水強度-裂隙密度組合設計的優先流數值模擬結果

圖7分析了不同土壤初始含水率、裂隙分布密度和灌水強度數值模擬下的優先流評價指標，包括優先流指數、最大入滲深度、基質流深度和灌水均勻度4個參數。據此建立了各因素與優先流程度的關系網絡。

由圖7可知，隨著灌水強度增大，基質流深度和灌水均勻度降低，優先流指數增大；隨著初始含水率降低，基質流深度減小，最大入滲深度和優先流指數增大；隨著裂隙分布密度增加，基質流深度和灌水均勻度增大，優先流程度減弱。當土壤初始含水率0=0.20 cm3/cm3、裂隙分布密度為2×2 cm/cm2、灌水強度0=0.10 cm/min時，優先流指數達到最大值，基質流深度和灌水均勻度最小。針對低初始含水率時，最大入滲深度與灌水強度正相關；而初始含水率較高（0=0.35 cm3/cm3）時，最大入滲深度與灌水強度負相關，歸因于高含水率下土壤的儲水量和裂隙深度大大降低，此時較大的灌水強度可能會超過土壤表層和裂隙邊壁最大入滲能力的總和，大量水分在模擬灌溉結束時并沒有進入土體中，入滲深度因此反而降低。綜上所述，灌水強度主要通過影響表層土壤達到飽和的時間以及裂隙內的層流推移速度，分別影響基質流深度和最大入滲深度，從而影響優先流程度；土壤初始含水率主要通過影響裂隙深度和土壤導水性質，分別影響最大入滲深度和基質流深度，由此影響優先流程度；而裂隙分布密度主要通過影響裂隙深度、土壤的導水性質以及裂隙網絡連通性，分別影響最大入滲深度、基質流深度以及灌水均勻度，從而對優先流程度產生影響。

圖7 土壤初始含水率-灌水強度-裂隙密度旋轉設計模擬結果的優先流評價參數

3 討論

3.1 裂隙特征對優先流的影響

本研究發現，淺小裂隙對增強優先流無明顯作用；裂隙深度越深，水分最大入滲深度越大，優先流程度越高。這一結論與Wells等[10]的試驗結果吻合。其主要原因在于裂隙內由重力勢主導的層流運動常高出基質流速幾個數量級，在灌溉水有充足補充的情況下，水分會以極快的速度沿裂隙邊壁層流推移，且層流推移的最大深度取決于裂隙深度，因此裂隙越深，最大入滲深度越大，優先流越明顯。但本試驗及模型均采用均質土，土壤原有孔隙結構被破壞，實際情況下優先流形成的深層濕潤鋒可能會與土壤中其他類型的孔隙流道（蟲洞、根通道）相連接，優先流更為顯著。因此，具有一定延伸深度或縱向連通性的裂隙/大孔隙網絡是優先流傳導的前提條件，裂隙的延伸深度通過影響水分的最大入滲深度與總入滲量成為了影響優先流程度的關鍵因素。而裂隙發育寬度會影響灌水過程中裂隙的愈合速度，是影響優先流發育的另一重要因素。此外，優先流程度與裂隙分布特征也有密切聯系，裂隙分布特征包括裂隙連通性及裂隙分布密度。對于一些具有較強的縱向連通性和垂直連續性的裂隙或孔隙網絡，即使在低強度降雨下，也會發生明顯的優先流[23]。裂隙/大孔隙網絡的連通性越強，土壤導水能力越強[11]，因此，裂隙連通性一般會促進優先流發育。而本文數值模擬發現，隨著裂隙分布密度的增加，裂隙間的橫向連通性增強，避免了土壤水的局部集中下滲，提升了入滲的均勻性，優先流程度減弱。因此，連通度對優先流的影響效果主要取決于裂隙間連通度的增加是抑制還是促進了水分的集中下滲。此外，根據土壤開裂規律及模擬結果發現，若土體收縮塊區減小，盡管裂隙分布密度增大，但裂隙發育的深度和寬度降低[12]，優先流程度和最大入滲深度因此大幅降低，這為抑制土壤裂隙優先流提供了新思路。綜上所述，裂隙網絡是優先流產生的前提條件，裂隙的幾何形態、彎曲度以及網絡連通度等特征通過影響水流在土壤中流動的路徑與速率，直接影響了優先流的空間結構與發育程度。因此，抑制裂隙優先流的根本方法是抑制裂隙發育。除了通過增施有機肥、植被覆蓋等方法抑制土壤開裂外，在土壤中添加秸稈等植物殘體或纖維能通過改變土壤的塑性和破碎強度，縮小收縮塊區，從而有效抑制裂隙寬度和深度的開展[24]，但其對優先流的抑制效果，有待在試驗與生產實際中驗證。

3.2 灌水特征對優先流的影響

灌水或降水過程中，當灌水強度超過周圍土壤基質的入滲能力，或在土壤表層含水率達到一個閾值時，便會觸發土壤水的優先流動[1]。Edwards等[25]發現，灌水強度越大，土壤水入滲量越大，優先流發生時間越短。本文數值模擬結果與該結果一致。其原因之一在于灌水強度影響了優先流的觸發時間。當灌水強度低于土壤表面的飽和導水率時，灌溉水全部以基質流的形式均勻下滲，難以觸發優先流，而較高的灌水強度會使土壤表面更快達到飽和，加快表層均勻入滲轉為沿裂隙優先下滲，縮短優先流觸發時間，增強了優先流程度。其次，高強度灌溉提高了裂隙通道內的水流通量，改變了土壤水分運動時以毛管勢能為主導的能量驅動方式。當灌水強度較低時，進入優先通道內的水分較少，優先流只能以薄膜的狀態沿著孔壁和團聚體接觸點緩慢遷移[1]，此時毛管勢為主要的驅動力，限制了水分快速流動。只有當水膜達到一定厚度（高達約100 μm）[26]，水膜才能在以重力勢能為主導的驅動方式下實現快速流動。較高的灌水強度能幫助土壤表層建立更多的正壓勢，提高進入優先通道的水流通量，增加水膜厚度，改變水分驅動方式，推動水膜實現連續快速的優先流動。因此，灌水強度是決定優先流能否觸發和觸發快慢的重要條件。此外，Gjettermann等[27]研究表明，灌溉強度越高，在土壤表面35 cm以下區域，被染色的優先流通道越多，這表明較高的灌溉強度會激活更多的優先流通道，促進優先流的形成。此外，灌水持續時間、灌溉時間節點及灌溉方式等也是影響優先流程度的重要外部條件[28-29]。因此，因地制宜地選擇灌溉制度或灌溉方式是抑制優先流、提高灌水質量的關鍵。例如，對于優先通道延伸深度較大且地下水污染敏感性較強的地區，可通過低強度持續噴灌，以防止水分深層滲漏造成污染[30]。

3.3 土壤初始含水率對裂隙優先流的影響

土壤初始含水率通過影響水分的入滲和傳導，成為影響優先流發育的另一關鍵因素。本研究顯示，較低的土壤含水率會使優先流更明顯。其原因在于，對于縮脹性較強的土壤，如本試驗中的黏壤土，含水率的降低會加劇土壤裂隙的收縮[20]，裂隙深度和體積的增加將引起水分的大量滲漏[19]。此外，土壤的疏水性也是造成低含水率下優先流加劇的關鍵原因[31]。疏水性常發生在沙質土壤或有機質量豐富的土壤中，與土壤濕度成反比[32]。因此，干燥土壤的表面常會因為疏水性存在較大的入水勢，導致灌溉水難以從土壤基質入滲而被迫流向大孔或裂隙通道內產生優先流。由于孔隙通道內的生物活動和有機質降解，很多裂隙或大孔隙內壁也存在一定的疏水性[9]，這將阻止孔隙通道內的水分與基質水分交換，進一步加劇優先流的發育。此外，低含水率下的低導水率也是迫使水分進入裂隙產生優先流的原因之一。然而，較高的初始含水率會促進優先流的發育，這種情況通常發生在以壤土或粉土為主的穩定大孔隙或生物孔隙（而不是收縮裂縫）中[8]。較高的土壤初始含水率降低了土壤基質吸力和土壤基質中的儲水空間，減少了從大孔隙到土壤基質的側向滲透[33]，推動水分向深層土壤中移動，因此優先流的總滲流量和穿透深度增加。此外，濕潤土壤的孔隙活躍度更高，大孔間的連通性更強[34]，有助于建立更高效的流動網絡，增強優先流動。綜上所述，由于土壤基質的導水特性、孔隙特征及疏水性的強弱程度隨初始含水率的變化趨勢受土壤質地結構的影響較大，土壤初始含水率對優先流的影響效果難以進行普遍性歸納。

4 結論

1）淺小型裂隙（裂隙平均寬度0.2 cm≤c≤1.0 cm，平均深度0.5 cm≤≤10 cm）與優先流發育沒有直接聯系，寬深型裂隙（裂隙平均寬度c≥2 cm，平均深度≥50 cm）是產生裂隙優先流的主要原因；寬深型裂隙分布密度增大，基質流深度、染色面積率以及灌水均勻度顯著增加。

2）優先流雙域滲透模型對裂隙優先流的模擬效果較好，典型剖面染色覆蓋率的模擬值與實測值極顯著相關（決定系數2=0.951，均方根誤差=0.095）。

3）接近土壤飽和導水率的灌水強度無法觸發優先流，灌水強度提高，基質流深度和灌水均勻度顯著降低，優先流程度增加；初始含水率和裂隙分布密度增大，基質流深度和灌水均勻度增大，優先流程度減弱。

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Effects of Cracking Patterns and Antecedent Soil Water Content on Preferential Flow of Irrigated Water

DUAN Fengyi1, ZHU Chengli1, WANG Ce1*, CHEN Yu2, MA Liang1

(1. College of Agricultural Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China;2.Jiangsu Rural Water Conservancy Science and Technology Development Center, Nanjing 210029, China)

【Objective】Macropores formed by physical and biological processes provide fast pathways for rainfall and irrigation water to bypass soil matrix. It has important implications not only for hydrological processes but also for biogeochemical processes. In this paper, we investigated the effect of cracking patterns and antecedent soil moisture content on preferential flow of irrigated water.【Method】Our study was based on numerical simulation and experiment. We first validated a dual-permeability model against a dye tracing experiment, and then applied it to elucidate how crack patterns, antecedent soil moisture content and irrigation intensity combined to modulate the formation and development of preferential flow of irrigated water in soil.【Result】Comparison with experimental results showed that the model is accurate for predicting preferential flow, with2=0.951 and<0.01. Shallow small cracks with aperture in the range of 0.2～1.0 cm and in the depth of 0.5～10 cm had little impact on preferential flow, and large cracks with aperture more than 2 cm and expanding to the depth beyond 50 cm were the mechanisms underlying the formation and development of preferential flow. An increase in crack density enhanced both infiltration depth in soil matrix and soil water uniformity. Irrigation intensity less than saturated soil hydraulic conductivity did not trigger preferential flow. Increasing irrigation intensity increased infiltration depth in soil matrix and soil water uniformity in the soil. An increase in antecedent soil water content and cracking density increased water flow in soil matrix and soil water uniformity because of the reduced preferential flow.【Conclusion】In the fields with soil shrinkages and rich organic matters, reducing irrigation intensity and irrigating before soil water content drops below a certain level can reduce preferential flow and improve irrigation uniformity consequently.

crack preferential flow; dual-permeability models; fracture distribution density; antecedent water content; irrigation intensity

1672 - 3317（2023）02 - 0032 - 10

S152.7

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022263

段鳳儀, 朱成立, 王策, 等. 灌溉優先流對裂隙分布密度、灌水強度及土壤濕度的響應機理[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(2): 32-41.

DUAN Fengyi, ZHU Chengli, WANG Ce, et al.Effects of Cracking Patterns and Antecedent Soil Water Content on Preferential Flow of Irrigated Water[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(2): 32-41.

2022-05-11

國家自然科學基金青年項目（52109053）；江蘇省自然科學基金青年基金項目（BK20200523）；江西省水利科學院開放研究基金項目（2021SKTR03）；國家科技獎后備培育項目（20212AEI91011）；江西省重點研發計劃項目（20203BBGL73226）

段鳳儀（1997-），女。碩士研究生，主要從事農田裂隙及裂隙優先流理論研究。E-mail: dfy@hhu.edu.cn

王策（1989-），男。教授，主要從事農田裂隙及其優先流理論、高效灌排理論研究。E-mail: wangce@hhu.edu.cn

責任編輯：白芳芳