土壤指流的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

土壤指流的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

根據(jù)近年來的最新研究，土壤含水量自然與水土流動的主要區(qū)別在于是否存在大間隙流、破裂流和非穩(wěn)定流（uns辯證流）。大孔隙流顯然是由于土壤物理、化學和生物孔隙所致,一般限于表層。大孔隙流對飽和土壤水的運移影響較大,其流量可用Poiseuille法則計算。漏斗流是由于土壤中坡度各異的層狀結(jié)構(gòu)和零星障礙物(或土壤空間變異性)所致。降雨或灌溉停止后的非飽和土壤水將避開大孔隙和疏松以及難以透水的介質(zhì),選擇進水值較低且導水率較高、最易下滲的通道漏入深層。漏斗流呈“伸舌”狀,最初被稱舌流。漏斗流可用Richards方程模擬計算。較為復雜的非穩(wěn)定流是在土壤水下滲過程中由于濕潤鋒界面水-氣二相流動態(tài)失衡所致,結(jié)果產(chǎn)生“指形”流道,或稱指流。非穩(wěn)定流可以在完美的均質(zhì)和非均質(zhì)土中發(fā)生,也可以在無介質(zhì)條件下水-氣-油多相推移過程中發(fā)生。因此,非穩(wěn)定指流的形成實質(zhì)是由于流體動力學的原因。介質(zhì)的參與可以在不同程度上影響指流的發(fā)生機率和形態(tài)。當舌流和大孔隙流的前鋒呈非穩(wěn)定狀時指流也會在孔壁或裂隙中形成。指流不僅可將有限的地表水和土壤水引入地下數(shù)十米甚至地下含水層造成污染,而且可以較快地疏干表層土壤水進而造成提前干旱。這使農(nóng)業(yè)用水管理中降雨和灌溉以及以水壓鹽的效果不如想象的那么理想,同時使可溶性物質(zhì)快速地抵達深層,加速了土壤和地下水的污染,影響了農(nóng)藥、殺蟲劑等藥效的充分發(fā)揮,也減少了植物對水分和養(yǎng)分的吸收。指流是在抽取石油的過程中發(fā)現(xiàn)的,最早的針對性研究可追溯到20世紀50年代。在土壤學領(lǐng)域幾乎無人想到會有指流發(fā)生。直到1972年,Hill和Parlange利用層狀土(細質(zhì)土覆蓋于粗質(zhì)土之上)進行積水入滲時發(fā)現(xiàn)了指流現(xiàn)象,指流才受到越來越多的關(guān)注和研究[14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47]。指流發(fā)生時,占土體很小一部分的指流路徑會通過較大的流量,因此,指流研究對土壤水分調(diào)節(jié)、灌溉方式的確定、污染物遷移過程模擬、土壤及地下水污染預(yù)測與生態(tài)環(huán)境保護等具有重要意義。無論在實驗方面還是理論分析方面,指流的研究都已取得了許多重要成果。本文將對指流的物理機制、發(fā)育規(guī)律、影響因素、數(shù)學模型等方面已取得的主要成果進行綜述和簡評,以期為進一步研究提供參考。1指流中產(chǎn)生的物理機制1.1土壤水及含濕風水的土壤和水力條件對指流的影響大量的實驗研究證實[2,3,4,5,6,7,8,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46],在許多土壤和水力條件下都可能產(chǎn)生指流。其中被普遍認可的條件有:(1)層狀結(jié)構(gòu)土壤中,若細質(zhì)土層位于粗質(zhì)土層之上,則下滲過程中易出現(xiàn)指流[13,14,16,17,18,19,20,21,22,23];(2)具有斥水性(water-repellency)的土壤中水分的下滲過程易出現(xiàn)指流;(3)當入滲率小于濕潤鋒所在介質(zhì)的飽和導水率時,粗質(zhì)土壤中易發(fā)生指流[11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41];(4)土壤入滲過程中,若濕潤鋒前的空氣不能被及時排出而導致氣阻或土壤空氣受壓時,則易于產(chǎn)生指流[29,30,42,43,44,45,46];(5)入滲結(jié)束后土壤水的再分布過程中也易出現(xiàn)指流;(6)由密度和黏度不同的兩種液體組成的兩相流,在相互推移過程中也易出現(xiàn)指流。1.2土壤水分再分布過程一般會產(chǎn)生指流關(guān)于指流的產(chǎn)生機理,最初認為是由于置換界面的不穩(wěn)定所致,此種解釋為多數(shù)學者所認可[3,4,5,6,12,13,14,15,16],但沒能很好地闡明為何起初均勻分布的水流會突然變成明顯分離水流的原因?？紫檠缘葘χ脫Q界面的穩(wěn)定性與非穩(wěn)定性給予了界定,認為多孔介質(zhì)不可能是完全均質(zhì)的,滲透性的不均勻?qū)е聞咏缑嫣幃a(chǎn)生微小的擾動,若此擾動能隨時間增強,則指流產(chǎn)生。Biggar和Nielsen利用粒徑大小一致的玻璃球進行易混合兩相流置換試驗的結(jié)果表明,指流可以在均質(zhì)的多孔介質(zhì)發(fā)生,這與孔祥言等的分析有所矛盾。朱九成等則認為,即使對于孔隙大小均勻的理想介質(zhì),由于注入流體速率的微小波動、注入通道的微小不規(guī)則性及實際滲流通道的迂曲性等就足以引發(fā)指流。然而,土壤物理學領(lǐng)域最早認識指流的學者們[12,13,14,15,16,17]認為,指流的產(chǎn)生是由于介質(zhì)沿流向的導水率增加,致使水流沿流向的流速增加,流場橫斷面積減小,從而使原來空間均勻分布的、平整的濕潤鋒趨于收縮,變成集中的水流,即指流。這種解釋能夠?qū)Σ煌瑮l件下產(chǎn)生的指流進行描述,具有一定程度的普遍性,對后來的研究起到啟發(fā)和推動作用。針對多種初始和邊界條件下特別是在土壤水分再分布時產(chǎn)生的指流,Wang等經(jīng)過大量的實驗與理論推斷指出,在下滲結(jié)束后的再分布過程中,濕潤剖面基質(zhì)勢梯度發(fā)生逆轉(zhuǎn),即由負變正,故而導致指流的出現(xiàn),并認為這種不穩(wěn)定流集中出現(xiàn)的位置是隨機的,而不是由于介質(zhì)的非均質(zhì)性造成的;同時指出這種不穩(wěn)定流的出現(xiàn)必須有3個前提條件:(1)毛管滯后作用,多孔介質(zhì)存在一個明顯的基質(zhì)勢進水值hwe(相當于毛管上升高度的負值,位于吸濕曲線)和明顯的基質(zhì)勢進氣值hae(位于脫濕曲線);(2)濕潤鋒處的基質(zhì)勢始終維持在該處土壤的進水值(或以上),否則濕潤鋒將停止前進(這里指對流而非擴散);(3)濕潤鋒后產(chǎn)生基質(zhì)勢正梯度(基質(zhì)勢在接近濕潤鋒時增大,遠離時減小)。這3個條件的限定基本上可以解釋已經(jīng)觀測到的所有指流現(xiàn)象,易為人們所接受。滯后作用、進水值、進氣值,以及濕潤鋒處自然存在的進水值(高含水率),皆為多孔介質(zhì)中液流的動態(tài)屬性。細質(zhì)土的進水值低于粗質(zhì)土,因此當水流穿越有明顯層狀的土壤時,若細質(zhì)土在上,粗質(zhì)土在下,水流會在界面處形成基質(zhì)勢正梯度,故而產(chǎn)生不穩(wěn)定指流[13,14,16,17,18,19,20,21,22,23]。反過來,若粗質(zhì)土在上,細質(zhì)土在下,粗質(zhì)土中原有的穩(wěn)定流在下層細質(zhì)土中仍為穩(wěn)定流,原有的非穩(wěn)定流則在下層細質(zhì)土中會被削弱轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定流。在降雨或灌溉之后的土壤水再分布過程中,由于排水和蒸發(fā)的作用,地面基質(zhì)勢一般可降至進水值以下,故基質(zhì)勢正梯度會自然形成,詳見Peck,Youngs和Poulovassillis所述土壤水分再分布剖面。因此,土壤水的再分布過程一般會產(chǎn)生指流。對于斥水性土壤或有土壤氣阻發(fā)生時,由于濕潤鋒前沿的進水值較高(為正),基質(zhì)勢正梯度甚至可在淹水條件下產(chǎn)生,因而指流可以在入滲開始不久便形成。關(guān)于濕潤鋒處自然存在的進水值和相應(yīng)的高含水率,Eliassi和Glass稱其為前鋒積水效應(yīng)(hold-backpile-upeffect),Dicarlo稱其為飽和過頭(saturationovershoot)。通常,淋于窗戶或墻壁的雨水所形成的指流乃是非飽和入滲所致,其前鋒積水效應(yīng)十分明顯。Geiger和Durnford,Nicholl等更為詳細地觀測到了均質(zhì)沙土中和巖壁上出現(xiàn)的類似現(xiàn)象。對于細質(zhì)(可濕性)土壤來說,由于其進水值(為負)和導水率較低,且臨界濕潤深度較大(毛管作用強),鋒后正梯度較難形成,因此不容易產(chǎn)生非穩(wěn)定指流。此外,張建豐通過在層狀介質(zhì)進行指流實驗,指出土壤顆粒即孔隙分布不均勻是指流產(chǎn)生的主要原因之一,這種解釋與Hillel和Baker提出的假說在形式上具有相似性,但與Wang等的論斷有所矛盾。由上述可以看出,關(guān)于指流在土壤中產(chǎn)生機理的研究已趨成熟。但是,國內(nèi)外仍然有許多學者難以區(qū)分指流和漏斗流(舌流)的特性及成因(如指流的出現(xiàn)是否源于介質(zhì)的非均質(zhì)性等)。然而,這兩種形式的優(yōu)先流在自然界常常是并存的。進一步的研究還應(yīng)將相關(guān)的物理機制進行整合并通過大量實驗確定關(guān)鍵的模型應(yīng)用參數(shù)。1.3df較難造成的不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)指流的變化指流產(chǎn)生的量化判據(jù)目前可概括為以下幾種。Hill和Parlange,Parlange和Hill在發(fā)現(xiàn)層狀土中的指流現(xiàn)象時首先提出,當流經(jīng)上層土的通量(亦即上下層的共通量)Q小于下層土的飽和導水率Ks時(即Q<Ks),下層土壤中會產(chǎn)生指流。Raats和Philip也相繼推導出相同的判據(jù)。不過,Hillel和Baker認為應(yīng)將判據(jù)中的飽和導水率Ks改為對應(yīng)于進水值處的非飽和導水率Ke(hwe),當滿足Q<Ke這一條件時,下層土壤中會產(chǎn)生指流。張建豐提出了一種判斷指流產(chǎn)生與否的量化指標Df,并將其定義為Df=fp/Ks,即系統(tǒng)穩(wěn)滲率與下層土飽和導水率之比,并初步將0.02定為Df的臨界值,指出當Df<0.02時,指流產(chǎn)生。該指標與Hillel和Baker提出的判據(jù)具有一定的相似性。不過,Yao和Hendrickx在均質(zhì)沙土中的實驗表明,當Df較小時,指流反而消失,原因是毛管吸力對水流起到控制作用。前述判據(jù)只考慮重力下滲,未考慮毛管作用。Nieber指出非飽和土壤中一個初始擾動是否會發(fā)展成為指流主要取決于吸濕曲線上毛管進水吸力的大小。若這一毛管吸力小于脫濕曲線的進氣毛管吸力(這對于斥水性土壤才是真的),則初始一個很小的擾動將會發(fā)展成為指流,且形成的指流在隨后的濕潤、排水循環(huán)中被維持;反之,初始擾動被驅(qū)散,不會形成指流。該判據(jù)可能只適用于斥水性土壤。Wang等認為,若基質(zhì)勢梯度為正,即dh/dz>0,則濕潤鋒處的擾動會形成指流,反之,擾動被驅(qū)散。當把這一判據(jù)代入Darcy公式Q=Ks(1-dh/dz)或Q=Ke(1-dh/dz)時可知它與上述判據(jù)一致,即當dh/dz>0時,Q<Ks或Q<Ke。因此前述導水率型判據(jù)只反映出“濕潤鋒后基質(zhì)勢梯度為正”這一實質(zhì)判據(jù)的不同側(cè)面,其物理意義和實際可操作性大不相同。例如,Chang等的實驗表明,上細下粗的層狀沙土中,雖然Q<Ks或Q<Ke判據(jù)成立,但當兩種土壤的質(zhì)地差異不大時,指流并未出現(xiàn)。實際操作中,通量Q、飽和導水率Ks以及進水值對應(yīng)的導水率Ke不僅難測定而且誤差較大,當把這些參數(shù)用于判定其他條件下(如斥水性土壤中)的指流時,顯然會引起誤導。對于任意多孔介質(zhì)中因流體密度和黏度不同(如水、油、氣、液態(tài)污染物NAPL等)、上下位置不同、流動方向不同(包括向上、水平或任意角度)等造成的非穩(wěn)定流,Wang等、Javaux等根據(jù)Chuoke等考慮毛管作用的流體動力學原理提出并完善了24項針對具體環(huán)境的非穩(wěn)定流判據(jù),其中大部分已被實驗證實。此外,Wang等在考慮毛管作用后還通過實驗證明,均質(zhì)土壤中存在一個臨界濕潤深度D(D=進水值hwe–進氣值hae)。只有當實際降雨或灌溉濕潤深度大于該臨界濕潤深度時,再分布過程中會產(chǎn)生指流,反之,將不發(fā)生指流。這一判據(jù)為合理選擇灌溉水量以阻止或促進指流的產(chǎn)生具有指導意義。例如,不宜在粗質(zhì)且均質(zhì)的沙土中灌水過多,否則會發(fā)生指流。細質(zhì)或非均質(zhì)土中則不容易發(fā)生指流。顯然,要對指流進行量化和應(yīng)用分析,關(guān)鍵是要準確、快速、有效地確定進水值hwe和進氣值hae。理論上,進水值和進氣值被分別定義在吸濕曲線和脫濕曲線的拐點處,故而可用VanGenuchten方程推算,詳見Wang等。Fallow和Elrick、Wang等還提出了利用張力碟入滲儀(tensiondiskinfiltrometer)等工具直接測定進氣值和進水值的方法。2指流開發(fā)規(guī)律的研究2.1調(diào)整指流的水勢、保水性Jury等對指流的產(chǎn)生機理和發(fā)育過程做出如下概括。水分在多孔介質(zhì)中入滲時,干濕區(qū)接觸面處的水勢只有在大于或等于進水值的情況下,濕潤鋒才能夠進入到其下方的干燥土壤中。指流產(chǎn)生前,濕潤鋒處的水勢都等于進水值,在臨界狀態(tài)下,當鋒面某點處的下滲深度稍大于其他點處的下滲深度時,自然界的擾動波產(chǎn)生耦合放大并使此點處的豎向壓力分布值垂直下移一點距離,這種壓力位移改變了其上方的水壓力分布,誘發(fā)了水平壓力梯度的出現(xiàn),從而導致了水分的側(cè)向流動。水分的這種側(cè)向流動,為指流的產(chǎn)生提供水分,促進了指流的進一步發(fā)育,使指流的濕潤鋒快速前進;同時使指間濕潤鋒處的水勢降低至進水值以下,該區(qū)的水分停止向下運動。指流的持續(xù)伸展,使上部供水區(qū)的水分快速消失。當含水量剖面最終達到水靜力學平衡時,指部區(qū)域及其上方的穩(wěn)滲濕潤區(qū)域中流動均停止,指流發(fā)育完成。2.2滯后作用大量指流實驗反復表明,指流的側(cè)向擴散速度(diffusion)遠小于指流的向下傳播速度(advection),它以狹長的形狀傳播并在流動停止后持續(xù)相當長的時間。Glass等認為滯后作用導致了含水量的不連續(xù)且穩(wěn)定存在,解釋了指流在較長時間內(nèi)不發(fā)生明顯側(cè)向擴散的原因。此外,也有研究認為在一定的含水量范圍內(nèi),滯后作用能夠?qū)⑺钟行У膫?cè)向擴散變?yōu)?或負值。Dicarlo等實驗表明,滯后作用能夠引起這一稱為“負擴散”的有趣現(xiàn)象:指流擴散區(qū)的水勢低于周圍較干燥區(qū)域的水勢,從而誘發(fā)產(chǎn)生了一個促使水分從較干燥區(qū)流向較濕潤區(qū)的水平向驅(qū)動力,這種驅(qū)動力在實際上是否會導致產(chǎn)生一種可觀測到的、從干區(qū)流向濕區(qū)的非常規(guī)流動有待于進一步研究?？傊?在任何情況下,優(yōu)先流產(chǎn)生后水平向(或側(cè)向)的水分再分布過程都為水分研究提供了一個獨特的系統(tǒng)。3指流的產(chǎn)生機制大量研究對指流的影響因素進行了初步的理論分析及實驗驗證,認為其影響因素主要有土壤質(zhì)地、性質(zhì)及結(jié)構(gòu),流體的密度及黏度等特性,實驗裝置的大小及通氣情況,系統(tǒng)的初始含水量和下滲結(jié)束后水分的再分布過程等[11,17,18,21,24,25,26,33,35,36,39]。土壤質(zhì)地方面,認為粗質(zhì)地土壤易產(chǎn)生指流,細質(zhì)地土壤較難產(chǎn)生指流;性質(zhì)方面,則是斥水性土壤易產(chǎn)生指流,易被水濕潤的土壤不易產(chǎn)生指流;結(jié)構(gòu)方面,認為層狀結(jié)構(gòu)特別是上下層土壤質(zhì)地差異較大的系統(tǒng)較均質(zhì)土系統(tǒng)更易產(chǎn)生指流。液體的特性如密度、黏度、表面張力等對指流的產(chǎn)生有很大影響,例如非水相流體NAPL(nonaqueousphaseliquid)系統(tǒng)較水相系統(tǒng)來說,產(chǎn)生指流的可能性較大。Glass等發(fā)現(xiàn),當指流寬度小于土箱寬度的一半時,指流產(chǎn)生;反之,系統(tǒng)呈現(xiàn)穩(wěn)定。由于多孔介質(zhì)的平均顆粒大小對指流寬度有影響,多孔介質(zhì)越粗,能夠形成的最小指流寬度越小,小于土箱寬度的可能性就越大,則系統(tǒng)就越易于呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性,這在一定程度上解釋了多數(shù)指流現(xiàn)象都是在粗介質(zhì)中觀察到的原因。Hillel和Baker指出,對于任何一種特殊的介質(zhì),實際上都存在一個最小的指流寬度(三維系統(tǒng)中為指流直徑),因此如果實驗裝置的寬度不是足夠大時,會抑制指流的發(fā)展。另外,裝置底部是否設(shè)有通氣小孔對指流的產(chǎn)生有很大影響,當裝置底部不設(shè)置通氣小孔時,在下滲過程中,會造成濕潤鋒前面的空氣壓縮,能夠促進指流的產(chǎn)生。不過大量實驗都在裝置底部設(shè)有通氣小孔,目的是為了研究鋒前空氣不被壓縮的條件下指流的發(fā)生情況。對于有垂直節(jié)理、透氣性差的土壤,當?shù)叵滤惠^高且有高強度灌溉時,土壤中易產(chǎn)生氣阻。指流的形成與系統(tǒng)的初始含水量及其分布也有很大關(guān)系。Baker和Hillel以及Bauters等的研究結(jié)果表明,當初始含水量較大時,指流發(fā)生的可能性會減小;而初始含水量較小且均勻分布時,較容易產(chǎn)生指流,這與較低含水量條件下砂土因斥水性較強而易產(chǎn)生指流的結(jié)論一致。此外,其他學者研究發(fā)現(xiàn),早期的指流路徑將會在隨后入滲周期的較長一段時間內(nèi)得以保持。此外,Wang等指出,在均質(zhì)土壤中若實際濕潤深度達到或超過一個臨界濕潤深度,其隨后的水分再分布過程能引發(fā)指流,后續(xù)指流遠遠超出已有指流的長度。4指流模型的總結(jié)4.1指流的參數(shù)及特征參數(shù)指流形狀最重要的兩個特征參數(shù)是指流直徑(或?qū)挾?d和指流面積百分比?,此外,指流的特征參數(shù)還包括指流速度v及指流的下滲深度x(t)等。4.1.1基于量綱分析的指流寬度基式中,Ks為指流所在介質(zhì)的飽和導水率;Rs為系統(tǒng)流率比,等于指流產(chǎn)生時系統(tǒng)下滲率(即向指區(qū)的供水速率)與介質(zhì)的飽和導水率之比,即Rs=iKs;S為土壤吸水常數(shù);θs為指流所在介質(zhì)的飽和含水量,θi為指流所在介質(zhì)的初始含水量。Wang等在Glass等及Chuoke等研究的基礎(chǔ)上提出:式中,a為一個常數(shù),二維中,a=3.14,三維中,a=4.8,hwe為濕潤鋒處介質(zhì)的進水值(cmH2O),R*為濕潤鋒處氣水接觸面的平均有效曲率半徑(R*變化在0.3cm~0.7cm,對照已有實驗結(jié)果當估算誤差最小時,R*=0.5cm)。該式簡單、無未定參數(shù),且能很好地預(yù)測指流直徑(或?qū)挾?,容易滿足室內(nèi)和田間實驗的實用要求。Glass等根據(jù)量綱分析導出了指流寬度與系統(tǒng)參數(shù)及初始/邊界條件的關(guān)系:式中,為系統(tǒng)中形成的指流平均寬度,fds(Rs)為以Rs為變量的待定函數(shù),具體形式可由實驗確定或經(jīng)分析推導確定。上述指流寬度的計算式多是基于風干介質(zhì)情況下提出的,Liu等進一步簡化了Parlange-Hill的適用于初始干燥介質(zhì)的指流寬度計算式(即式(1)),且考慮滯后作用,并適用于含水量變化范圍較大的砂性土壤中出現(xiàn)的二維指流的寬度計算公式,式中,θf為指鋒處的含水量,為土壤水分特征曲線的斜率(值為正);,λ是一個和土壤孔隙分布有關(guān)的常數(shù),由實驗數(shù)據(jù)擬合確定。該式可體現(xiàn)出系統(tǒng)初始含水量對指流寬度的影響。4.1.2基質(zhì)勢s值kraGlass等就此進行了大量實驗。Jury等通過數(shù)據(jù)分析得出了如下經(jīng)驗計算式:作為對比,Hillel和Baker基于物理討論計算了層狀土層間界面處的?值:式中,i為向指區(qū)的供水速率(等于流經(jīng)上層土的下滲通量);K(hwe)為下層土在進水勢極值處的導水率;Kr(hwe)為下層土在進水勢極值處的相對導水率。經(jīng)對比可以發(fā)現(xiàn),式(5)和式(6)都是用Rs的函數(shù)來表征β的大小,但形式不同。此外,在基質(zhì)勢阻礙流動的水分再分布過程中,式(6)有可能會低估β值。由于濕潤鋒處指流所占的面積百分比β不但依賴于介質(zhì)基質(zhì)向指流區(qū)域的供水速率,還取決于指流內(nèi)部的流率,因此預(yù)測起來比較困難。目前對β值的預(yù)測精度尚不夠高,所以,為了提出計算β值的更精確模型,今后還需進行大量的不同條件下的實驗研究。4.1.3fvsrsGlass等根據(jù)量綱分析導出了指流速度與系統(tǒng)參數(shù)及初始/邊界條件的關(guān)系:式中,為系統(tǒng)中形成的指流平均速度;fvs(Rs)為以Rs為變量的待定函數(shù),具體形式可由實驗確定或經(jīng)分析推導確定。此外,Jury等提出了一種可動態(tài)描述水分再分布中指流傳播過程的概念模型,給出了任一時刻指流的下滲深度x(t)的計算方法,在此基礎(chǔ)上對已求得的任一時刻指流的下滲深度x(t)再求一