0 引言
優先流(preferential flow),又稱優勢流、非均勻流,是土壤中常見的和重要的水流運動和溶質運移形式。國內外對優先流有多種定義,但直到現在也沒有完全統一的標準。通常認為非均勻水流或優先流有2個重要特征[1]:一是水流運動過程中,部分濕潤鋒能以較快的速度發展到一定深度而繞過大部分土壤基質和孔隙;二是水流非平衡特征(non-equilibrium nature),因為各種原因,相比土壤基質孔隙中慢速運動的剩余水,以優先流形式出現的滲透水沒有充分的時間達到平衡。國內外眾多的研究成果表明,優先流在土壤中是廣泛存在的而非特例。目前,優先流研究涉及農田生態系統、濕地生態系統、草原生態系統、森林生態系統、農林牧復合生態系統等多種生態系統[2];研究尺度從單個孔隙、單個土體塊到區域水平上的集水區[3];研究的內容包括殺蟲劑[4]、氮磷元素[5]、膠體[6]、非水相流體[7]、營養物[8]、微生物[9]等;研究的土壤類型擴展到凍土[10]、黑土[11]、碎石土[12]等多種特殊土壤;研究的地貌類型也已擴展到山地[13]、喀斯特巖溶地貌[14]、黃土丘陵地貌[15]等多種特殊地貌。入滲水和溶質在局部優先流通道中的快速遷移和運動,增大了農業灌水和施肥的滲漏損失、縮短了污染物在土壤中的反應與降解時間、減少了土壤顆粒及有機質對污染物的吸附和截留,從而加劇了地下水受污染的風險[16-17].此外,優先流改變了降雨在地表和地下的分配,影響地表徑流和地下徑流過程,是泥石流、山體滑坡和崩塌及水土流失等環境地質災害的誘發因素之一[18].因此,準確地模擬和預測優先流的時空變化規律對于農業灌水和施肥的高效利用、地表水和地下水污染控制以及地質災害防治等都有重要的意義。本文著重介紹土壤優先流研究的模型理論與觀測技術,旨在為全面了解和深入研究優先流提供參考。
1 優先流的表現類型
優先流的形成因素眾多、表現形式多樣,主要的和目前研究比較多的有大孔隙流(macropore flow)和不穩定指流(也稱指流或指狀流,finger flow)。其它一些優先流形態 ,如 管 流(pipe flow)、溝 槽 流(channel flow)、漏 斗 流(funnel flow)、環 繞 流(bypass flow)、擺 動 流(oscillatoryflow)、短路流(short circuiting flow)、異質流(heterogeneity-driven flow)、地下強徑流(subsurface storm flow)、部分置換流(partial displacement flow)、低洼再蓄滿流(depression-focused recharge flow) 及 非 飽 和 重 力 流(gravity-drivenunstable flow),也因其所引起的各種水文和環境地質問題而被研究者所關注[18].
1.1大孔隙流
大孔隙流是指入滲水和溶質繞過土壤基質而直接通過土壤中的大孔隙通快速遷移到深層土壤甚至是地下水的非均勻水流運動現象[19].Lawes等[20]于1882年發表的論述降雨與排水的數量和成分關系的文章,就是針對于現今所說的“大孔隙流”展開的。Lawes等發現,施加到土壤表面上的水有很大一部分通過大孔隙快速遷移,而幾乎不與土壤本身所含水分發生作用,隨后排出的水才是經由土壤飽和孔隙排出的。這是大孔隙流的最初發現,同時也是土壤優先流的最初發現。此后,諸多的室內外試驗均觀測到了大孔隙流,但當時都未引起人們的重視,非飽和土壤中的水分運動一直被視為是一種相對均勻和平衡的流動。直到20世紀七八十年代發生的幾次“怪異”現象,大孔隙流才逐漸引起人們的高度關注。1980年,在美國長島東 部 約 一 千 口 飲 用 水 井 中 發 現 了 殺 蟲 劑 涕 滅 威(aldicarb)。當地管理部門對這種殺蟲劑如此快速的遷移到地下水位且濃度如此之高感到十分不解。但在長島發生的污染現象并不是個例,之后又在其它地方發生了多起此類現象,對人類的生存環境造成了嚴重的威脅。造成這類現象的主要原因就是土壤大孔隙對入滲水和溶質的快速傳導作用[20].
田間土壤中的大孔隙結構通常由土壤裂縫和裂隙、土壤管道和蟲洞等組成。螞蟻活動產生的大孔隙直徑一般在2~50 mm[21],蚯蚓孔隙深度可達1.2~1.4 m[22].裂隙主要存在于粘土層中,常由凍融和干濕變化所引起[23].裂隙的存在破壞了土體的完整性并導致尺度不均勻,所以水平和垂向滲透系數[24]、初始入滲率和飽和時的穩定入滲率[25]差異比較明顯,都可達1~2個數量級。目前,學術界對土壤大孔隙的定義和孔徑范圍界定尚未統一,研究者根據其研究提出了如下幾種界定土壤大孔隙的方法:1)大孔隙的空間尺寸(如,Luxmoore[26]認為孔徑> 1 mm的為大孔隙,而Beven和Germann[27]則將孔徑在0.03~3 mm范圍內的孔隙界定為大孔隙;張家明等[28]指出無論是定性還是定量,僅從孔隙尺寸來界定大孔隙是不充分的,還需要考慮大孔隙的三維幾何形態);2) 排空大孔隙內全部水量時所需要施加的壓力(<5 k Pa)[29];3)土壤導水率的大?。?~10 mm/h)[30].
1.2指流
在均質土壤中,由于入滲濕潤鋒在發展過程中不穩定,可使得原來均勻的濕潤鋒被“撕裂”成一個個柱狀流動路徑,從而形成優先流運動[31].這種由濕潤鋒不穩定性而引起的優先流被稱作指流。Mabuchi[32]、Miller和Gardner[33]等為研究入滲濕潤鋒的不穩定性所開展的試驗是指流的早期研究。但直到Hill和Parlange[34]通過試驗來系統研究指流的發展、尺寸和濕潤鋒的遷移速度之后,指流的研究才受到更多的重視。
指流常產生于細質地土壤覆蓋粗質地土壤的2層土壤中[35].由于相同基質吸力條件下細土層的含水率高于粗土層的含水率,因此,入滲水在2層土壤交界面的上方聚集并使得入滲濕潤鋒變得不穩定,從而導致指流在粗土層中形成。進一步的試驗研究表明,當入滲通量小于土壤的飽和導水率時,指流也可在均質土壤中形成,而并不局限在2層土壤中[36].后來的多次試驗分析表明,土壤介質的非均質性和濕潤鋒的不穩定性(但土壤可能均質)都可導致指流現象的形成。前者形成的指流通常與小孔隙或中孔隙相伴出現在粘土中;后者形成的指流常出現在斥水性沙土中。Raats[37]最早發現土壤的斥水性可導致優先水流路徑的形成,由于斥水性土壤表面張力和毛管力分布不均勻使得入滲濕潤鋒不穩定而引起水分和溶質呈“指狀”或“舌狀”流動,從而形成指狀流。一些田間試驗研究結果[38-39]也顯示,土壤斥水性也是水流鋒面不穩定的主要原因之一,大多出現在質地較粗糙的砂性土壤,并容易形成斥水土層;當土壤濕度增加或溫度升高時,斥水性降低甚至消失;當濕度減小時,其斥水性較強且水力傳導度較小,容易發生指流[40].所以,一般認為指流的形成主要有2個機制:重力作用和土壤的斥水特性。但對不同條件下(如土質、入滲水量和土壤初始含水率等)指流的發生和發育的基本規律仍需進一步的系統研究。
2 優先流的影響因素
優先流的形成和影響因素很多,土壤結構和質地、入滲的初始條件和邊界條件以及水流運動的非穩定性(非線性)都能導致優先流的產生并影響優先流的發展。
2.1土壤質地和結構
土壤動物和植物根系活動、土壤自身干縮開裂等因素在土壤中形成的大孔隙是土壤優先流的重要通道[41].因此,大孔隙的開啟程度、彎曲程度和連通程度等對土壤優先流的形成與發展有顯著影響[42-43].土壤水在大孔隙中的運動是非線性的,具有比基質流大得多的流速[44],因此,當入滲水流攜帶污染物時將引起更顯著的地下水污染。大孔隙結構對土壤優先流的形成和發展主要起3個方面的作用[45]:1)大孔隙對流動的土壤水流起毛細屏蔽作用,使水和溶質僅能沿大孔隙通道運動而不能進入土壤基質;2)大孔隙對基質流和優先流起分離作用,限制基質中的土壤水流是穩定的,同時允許大孔隙中形成高速的不穩定流動;3)大孔隙能為深部補給提供點源。
土壤質地也能影響優先流的產生和發展。在砂質等粗質地土壤中,土壤斥水性影響優先流[38].由于斥水性土壤難以被水濕潤,導致優先水流路徑的形成,使得水和溶質經由優勢通道運移通過非飽和帶[37].其它一些研究表明大孔隙流通常出現在粉砂和粘質土壤中[46];非飽和重力流及指流常出現在砂質或質地較細的斥水性土壤中[47];漏斗流[48-49]通常發生在細質地土壤剖面夾雜一個或幾個粗質地斜層的土壤中;在具有高度空間變異性的土壤中較容易發生各向異性流現象[50].
2.2入滲初始條件和邊界條件
土壤初始含水率主要影響土壤水的入滲深度和優先流的非均勻程度。Flury等[51]將亮藍染色劑應用到初始“濕潤”和“干燥”土壤,發現一種情況是亮藍在濕潤土遷移更深,另一種情況是初始含水量對亮藍的分布沒有明顯的影響。Merdun等[52]研究表明,當土壤初始含水率較低時,優先流的非均勻程度更高、優先運移效果較明顯。DeRooij[53]和盛豐等[54]的研究則表明,土壤初始含水率對優先流的影響只有在土壤初始含水率很低情況下才比較明顯。
灌水速率或降雨強度超過土壤水入滲速率的時候,優先流就開始發生,較大的降水強度會使化學物質快速遷移[55].但邊界條件對優先流的影響也有不一致的觀點。例如,Ghodrati和Jury[56]為研究田間條件下優先流的發生情況在壤質砂土中分別進行了10 cm高度水頭單一積水滲透和噴撒灌溉5 d 2種試驗,結果發現在積水條件下染料的滲透深度比噴撒灌溉條件下要淺;而Ren等[57]的試驗研究則表明,噴灌條件下溶質的移速度要大于積水條件下溶質的遷移速度。Sheng等[58]通過不同入滲水量條件下的示蹤試驗指出優先流的非均勻特征隨著入滲水量的增加而呈現規律性的變化:當入滲水量很小時,土壤非均勻流未來得及充分發展便停止運動,流動總體上相對比較均勻;當入滲水量較高時,土壤非均勻流在橫向和縱向上均充分發展,指流通道的數量也增加,流動的非均勻程度很高;當入滲水量充分增大時,由于優先流通道在橫向上的擴張和聯結,使得流動整體上又變得相對比較均勻。