土壤优先流模型理论与观测技术的研究进展

盛 丰，张利勇，吴 丹

（长沙理工大学水利工程学院，长沙 410114；水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，长沙 410114）

土壤优先流模型理论与观测技术的研究进展

盛 丰，张利勇，吴 丹

（长沙理工大学水利工程学院，长沙 410114；水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，长沙 410114）

优先流是土壤中常见的和重要的水流运动和溶质运移形式。由于土壤优先流的形成和影响因素众多、表现形式多样，加之土壤优先流的快速非平衡特征明显以及土壤高度的空间变异性，准确描述和模拟土壤优先流的时空变化特征一直以来都是土壤水文学界的热点问题和难点问题。该文从优先流的定义、表现类型、形成和影响因素、模型理论与观测技术等5个方面综述了土壤优先流的研究进展，指出该领域今后的主要研究方向为建立土壤优先流的统一判别标准、提升优先流模型理论的有效性、发展优先流的专用观测技术设备。文章对深入研究土壤优先流具有参考价值。

土壤；水；模型；优先流；大孔隙流；指流；模型理论；观测技术

盛 丰，张利勇，吴 丹.土壤优先流模型理论与观测技术的研究进展[J].农业工程学报，2016，32（6）：1-10.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.001 http://www.tcsae.org

Sheng Feng,Zhang Liyong,Wu Dan.Review on research theories and observation techniques for preferential flow in unsaturated soil[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE）,2016,32(6):1－10.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.001 http://www.tcsae.org

0 引言

优先流（preferential flow），又称优势流、非均匀流，是土壤中常见的和重要的水流运动和溶质运移形式。国内外对优先流有多种定义，但直到现在也没有完全统一的标准。通常认为非均匀水流或优先流有2个重要特征[1]：一是水流运动过程中，部分湿润锋能以较快的速度发展到一定深度而绕过大部分土壤基质和孔隙；二是水流非平衡特征（non-equilibrium nature），因为各种原因，相比土壤基质孔隙中慢速运动的剩余水，以优先流形式出现的渗透水没有充分的时间达到平衡。国内外众多的研究成果表明，优先流在土壤中是广泛存在的而非特例。目前，优先流研究涉及农田生态系统、湿地生态系统、草原生态系统、森林生态系统、农林牧复合生态系统等多种生态系统[2]；研究尺度从单个孔隙、单个土体块到区域水平上的集水区[3]；研究的内容包括杀虫剂[4]、氮磷元素[5]、胶体[6]、非水相流体[7]、营养物[8]、微生物[9]等；研究的土壤类型扩展到冻土[10]、黑土[11]、碎石土[12]等多种特殊土壤；研究的地貌类型也已扩展到山地[13]、喀斯特岩溶地貌[14]、黄土丘陵地貌[15]等多种特殊地貌。入渗水和溶质在局部优先流通道中的快速迁移和运动，增大了农业灌水和施肥的渗漏损失、缩短了污染物在土壤中的反应与降解时间、减少了土壤颗粒及有机质对污染物的吸附和截留，从而加剧了地下水受污染的风险[16-17]。此外，优先流改变了降雨在地表和地下的分配，影响地表径流和地下径流过程，是泥石流、山体滑坡和崩塌及水土流失等环境地质灾害的诱发因素之一[18]。因此，准确地模拟和预测优先流的时空变化规律对于农业灌水和施肥的高效利用、地表水和地下水污染控制以及地质灾害防治等都有重要的意义。本文着重介绍土壤优先流研究的模型理论与观测技术，旨在为全面了解和深入研究优先流提供参考。

1 优先流的表现类型

优先流的形成因素众多、表现形式多样，主要的和目前研究比较多的有大孔隙流（macropore flow）和不稳定指流（也称指流或指状流，finger flow）。其它一些优先流形态，如管流（pipe flow）、沟槽流（channel flow）、漏斗流（funnel flow）、环绕流（bypass flow）、摆动流（oscillatory flow）、短路流（short circuiting flow）、异质流（heterogeneitydriven flow）、地下强径流（subsurface storm flow）、部分置换流（partial displacement flow）、低洼再蓄满流（depressionfocused recharge flow） 及非饱和重力流（gravity-driven unstable flow），也因其所引起的各种水文和环境地质问题而被研究者所关注[18]。

1.1 大孔隙流

大孔隙流是指入渗水和溶质绕过土壤基质而直接通过土壤中的大孔隙通快速迁移到深层土壤甚至是地下水的非均匀水流运动现象[19]。Lawes等[20]于1882年发表的论述降雨与排水的数量和成分关系的文章，就是针对于现今所说的“大孔隙流”展开的。Lawes等发现，施加到土壤表面上的水有很大一部分通过大孔隙快速迁移，而几乎不与土壤本身所含水分发生作用，随后排出的水才是经由土壤饱和孔隙排出的。这是大孔隙流的最初发现，同时也是土壤优先流的最初发现。此后，诸多的室内外试验均观测到了大孔隙流，但当时都未引起人们的重视，非饱和土壤中的水分运动一直被视为是一种相对均匀和平衡的流动。直到20世纪七八十年代发生的几次“怪异”现象，大孔隙流才逐渐引起人们的高度关注。1980年，在美国长岛东部约一千口饮用水井中发现了杀虫剂涕灭威（aldicarb）。当地管理部门对这种杀虫剂如此快速的迁移到地下水位且浓度如此之高感到十分不解。但在长岛发生的污染现象并不是个例，之后又在其它地方发生了多起此类现象，对人类的生存环境造成了严重的威胁。造成这类现象的主要原因就是土壤大孔隙对入渗水和溶质的快速传导作用[20]。

田间土壤中的大孔隙结构通常由土壤裂缝和裂隙、土壤管道和虫洞等组成。蚂蚁活动产生的大孔隙直径一般在2～50 mm[21]，蚯蚓孔隙深度可达1.2～1.4 m[22]。裂隙主要存在于粘土层中，常由冻融和干湿变化所引起[23]。裂隙的存在破坏了土体的完整性并导致尺度不均匀，所以水平和垂向渗透系数[24]、初始入渗率和饱和时的稳定入渗率[25]差异比较明显，都可达1～2个数量级。目前，学术界对土壤大孔隙的定义和孔径范围界定尚未统一，研究者根据其研究提出了如下几种界定土壤大孔隙的方法：1）大孔隙的空间尺寸（如，Luxmoore[26]认为孔径＞1 mm的为大孔隙，而Beven和Germann[27]则将孔径在0.03～3 mm范围内的孔隙界定为大孔隙；张家明等[28]指出无论是定性还是定量，仅从孔隙尺寸来界定大孔隙是不充分的，还需要考虑大孔隙的三维几何形态）；2）排空大孔隙内全部水量时所需要施加的压力（＜5 kPa）[29]；3）土壤导水率的大小（1～10 mm/h）[30]。

1.2 指流

在均质土壤中，由于入渗湿润锋在发展过程中不稳定，可使得原来均匀的湿润锋被“撕裂”成一个个柱状流动路径，从而形成优先流运动[31]。这种由湿润锋不稳定性而引起的优先流被称作指流。Mabuchi[32]、Miller和Gardner[33]等为研究入渗湿润锋的不稳定性所开展的试验是指流的早期研究。但直到Hill和Parlange[34]通过试验来系统研究指流的发展、尺寸和湿润锋的迁移速度之后，指流的研究才受到更多的重视。

指流常产生于细质地土壤覆盖粗质地土壤的2层土壤中[35]。由于相同基质吸力条件下细土层的含水率高于粗土层的含水率，因此，入渗水在2层土壤交界面的上方聚集并使得入渗湿润锋变得不稳定，从而导致指流在粗土层中形成。进一步的试验研究表明，当入渗通量小于土壤的饱和导水率时，指流也可在均质土壤中形成，而并不局限在2层土壤中[36]。后来的多次试验分析表明，土壤介质的非均质性和湿润锋的不稳定性（但土壤可能均质）都可导致指流现象的形成。前者形成的指流通常与小孔隙或中孔隙相伴出现在粘土中；后者形成的指流常出现在斥水性沙土中。Raats[37]最早发现土壤的斥水性可导致优先水流路径的形成，由于斥水性土壤表面张力和毛管力分布不均匀使得入渗湿润锋不稳定而引起水分和溶质呈“指状”或“舌状”流动，从而形成指状流。一些田间试验研究结果[38-39]也显示，土壤斥水性也是水流锋面不稳定的主要原因之一，大多出现在质地较粗糙的砂性土壤，并容易形成斥水土层；当土壤湿度增加或温度升高时，斥水性降低甚至消失；当湿度减小时，其斥水性较强且水力传导度较小，容易发生指流[40]。所以，一般认为指流的形成主要有2个机制：重力作用和土壤的斥水特性。但对不同条件下（如土质、入渗水量和土壤初始含水率等）指流的发生和发育的基本规律仍需进一步的系统研究。

2 优先流的影响因素

优先流的形成和影响因素很多，土壤结构和质地、入渗的初始条件和边界条件以及水流运动的非稳定性（非线性）都能导致优先流的产生并影响优先流的发展。

2.1 土壤质地和结构

土壤动物和植物根系活动、土壤自身干缩开裂等因素在土壤中形成的大孔隙是土壤优先流的重要通道[41]。因此，大孔隙的开启程度、弯曲程度和连通程度等对土壤优先流的形成与发展有显著影响[42-43]。土壤水在大孔隙中的运动是非线性的，具有比基质流大得多的流速[44]，因此，当入渗水流携带污染物时将引起更显著的地下水污染。大孔隙结构对土壤优先流的形成和发展主要起3个方面的作用[45]：1）大孔隙对流动的土壤水流起毛细屏蔽作用，使水和溶质仅能沿大孔隙通道运动而不能进入土壤基质；2）大孔隙对基质流和优先流起分离作用，限制基质中的土壤水流是稳定的，同时允许大孔隙中形成高速的不稳定流动；3）大孔隙能为深部补给提供点源。

土壤质地也能影响优先流的产生和发展。在砂质等粗质地土壤中，土壤斥水性影响优先流[38]。由于斥水性土壤难以被水湿润，导致优先水流路径的形成，使得水和溶质经由优势通道运移通过非饱和带[37]。其它一些研究表明大孔隙流通常出现在粉砂和粘质土壤中[46]；非饱和重力流及指流常出现在砂质或质地较细的斥水性土壤中[47]；漏斗流[48-49]通常发生在细质地土壤剖面夹杂一个或几个粗质地斜层的土壤中；在具有高度空间变异性的土壤中较容易发生各向异性流现象[50]。

2.2 入渗初始条件和边界条件

土壤初始含水率主要影响土壤水的入渗深度和优先流的非均匀程度。Flury等[51]将亮蓝染色剂应用到初始“湿润”和“干燥”土壤，发现一种情况是亮蓝在湿润土迁移更深，另一种情况是初始含水量对亮蓝的分布没有明显的影响。Merdun等[52]研究表明，当土壤初始含水率较低时，优先流的非均匀程度更高、优先运移效果较明显。De Rooij[53]和盛丰等[54]的研究则表明，土壤初始含水率对优先流的影响只有在土壤初始含水率很低情况下才比较明显。

灌水速率或降雨强度超过土壤水入渗速率的时候，优先流就开始发生，较大的降水强度会使化学物质快速迁移[55]。但边界条件对优先流的影响也有不一致的观点。例如，Ghodrati和Jury[56]为研究田间条件下优先流的发生情况在壤质砂土中分别进行了10 cm高度水头单一积水渗透和喷撒灌溉5 d 2种试验，结果发现在积水条件下染料的渗透深度比喷撒灌溉条件下要浅；而Ren等[57]的试验研究则表明，喷灌条件下溶质的移速度要大于积水条件下溶质的迁移速度。Sheng等[58]通过不同入渗水量条件下的示踪试验指出优先流的非均匀特征随着入渗水量的增加而呈现规律性的变化：当入渗水量很小时，土壤非均匀流未来得及充分发展便停止运动，流动总体上相对比较均匀；当入渗水量较高时，土壤非均匀流在横向和纵向上均充分发展，指流通道的数量也增加，流动的非均匀程度很高；当入渗水量充分增大时，由于优先流通道在横向上的扩张和联结，使得流动整体上又变得相对比较均匀。

2.3 土壤水流自身运动的非稳定性

非结构性土壤中即使不存在大孔隙，由于入渗湿润锋不稳定也能在土壤中形成指状的优先流通道[59]。Raats[37]最初描述指状水流的形成及持续特征时指出，当锋面的压力梯度与水流方向的压力梯度相反时，湿润锋的非稳定就会出现。其后，Philip[60-61]与Parlange和Hill[62]等的进一步研究表明，如果湿润锋的迁移速度随着入渗深度增加，则入渗过程中的微小扰动将使得锋面变得不稳定，开始呈均匀状态的湿润锋将增长并最终形成优先流通道。

Nguyena等[63]提出指流在以下几种条件下都有可能产生：1）不易被水湿润的和非常干的土壤条件，2）水力传导度随土壤深度增加，3）湿润锋前部空气压力增加。但这些因素对指流的产生是必要而非充分条件，另外的一个条件是水分特征曲线的滞后性[64]。Nieber[65]提出，如果在主要的湿润曲线进入毛管压力的水小于排水曲线进入毛管压力的气时，初始不稳定湿润锋将产生。Ritsema和Dekker[66]通过理论分析和模型模拟指出，指流由土壤水分特征曲线的滞后作用形成，指流的形成特征取决于水分特征曲线的湿润曲线和排水曲线；指流一旦形成，滞后作用在降雨过程中将引起指流沿着相同路径再发生。

3 优先流模型理论的研究进展

3.1 连续性模型理论

基于试验尺度和均匀介质假设条件下建立的连续性模型理论是描述土壤水运动和溶质运移的主要理论方法。在连续性模型理论中，土壤水动力参数是影响和控制水及溶质迁移和传输的关键资料。对于介质空间变异条件下水和溶质的运动与传输的模拟，很多研究都是在分析水动力参数空间变异性的基础上进行的，通过连续性方程模拟水流和溶质运动及分布的非均匀性和不确定性[67]。近年来，随机模拟方法被用来直接考虑自然界的各向异性，模拟非均匀介质条件下的水流运动[68]。应用随机模拟方法，比如蒙特卡洛方法，关键的一步就是确定所研究单元的运移参数和土壤性质的统计量，即均值、方差和空间变异结构[69]。在结构参数确定后，采用条件或者非条件的方法产生水动力随机分布场，作为数值模型的输入参数分布，模拟土壤水和溶质在非均匀介质中的运动、分析流动的统计特性。针对土壤水动力参数的空间变异特性[70]和尺度特性[71]也均相应的进行了大量的试验研究和理论分析。但是，野外条件下的土壤水动力参数的测量是相当困难、昂贵和耗时的，并且大尺度范围条件下的水动力参数更加难于获得。

连续性模型中，不论是在整个多孔介质中，还是在细网格尺度上都具有相同的几何维数。在应用三维模型时，人为的将几何维数设定为3。然而，对于单独的优先流通道，其几何维数接近1，导致模型模拟流速要小于实际流速，从而造成对于优先流通道中高速运动水流特性模拟偏差的增大。为了克服这种缺陷，一些研究[1，72]认为，土壤中的结构孔隙是流体快速运动的主要原因；研究区域可划分成由土壤团聚体间孔隙、大孔隙和裂隙构成的优先域和由小孔隙（团聚体内部孔隙）构成的基质域，2个区域相互影响和作用；优先流运动和基质流运动共同存在于同一位置，实际水流运动是2种流动在某种程度上的耦合。目前，对于基质域中的水流运动，一般都采用Darcy定律和Richard方程来描述，而对于如何描述优先域中的水流运动则还未达成一致的观点；许多研究者根据自己的研究成果，对优先域中的水流运动提出了不同的简化模型和经验公式，但由于参数较多且缺乏标准的测定方法，目前为止，这些模型和公式仍局限在理论和室内控制条件下的研究[1]。此外，目前的连续性模型都还无法很好地解释和预测指流的形成和发展过程[73]。

由于流体运动的各向异性、尺度效应和非线性（不稳定性），传统的连续性模型假设土壤水和溶质在均匀介质条件下运移的理论和方法不能用于解决非均匀介质中的水流运动问题[74]。与连续性模型的模拟结果相比，非均匀介质中水流运动和溶质运移表现出更复杂的特性，因此，在田间尺度或更大的观测尺度下，连续性模型理论也不能用于描述介质中水流运动和溶质运移的行为[75]。Wood和Norrell[76]的研究就表明，在100、101以及102 m2甚至更大的观测尺度上，流动均表现出非均匀性和动力传输的非线性（或非稳定性）。Wood等[77]运用连续性模型模拟裂隙结构中的水流运动，结果表明即使对在更小的室内尺度下进行的非均匀水流运动和溶质传输试验，连续性模型仍不能取得较满意的结果。Busenberg等[78]对地下水中化学物质含量的监测结果也表明，水流通过非饱和区补给地下水的速度比连续性模型的模拟预测结果要快很多。

3.2 离散模型理论

针对连续性模型基础和实际应用中所面临的各种难于解决的问题，近年来离散模型逐渐被用于描述非均匀水流运动。不同于连续性模型，离散模型将土壤中的水体作为具有一定形状和包含一定信息的“粒子”结构体，通过某种简单的运动规则使这些“粒子”结构体产生复杂的空间分布，所产生的分布模式与土壤水流的非均匀运动模式从统计意义上来说具有某种相似性[79]，弥散限制聚合（diffusion limited aggregation，DLA）模型[80]和入侵渗透（invasion percolation，IP）模型[81]都属于这类方法。

DLA模型的一个典型特征是能产生具有分形特性的“丛”（cluster）。最初的DLA模型以点源作为源粒子，现今的研究中大多运用Meakin[82]引入的线源DLA模型，他运用该模型模拟了溶质迁移试验的边界条件。通过改变粒子在不同方向上的行走概率，DLA模型既能模拟均匀分布的化学物质（如活塞流动），也能模拟由于大孔隙和指状流引起的复杂的分布[83]。该模型已成功地应用于描述优先流产生的试验结果[84]。此外，DLA模型已用于水文动态非饱和混合置换的粘性指状分析[85]。

IP模型最早由Wilkinson和Willemsen[81]提出，他们用该模型模拟了湿润区为稳定压力势的渗透。Glass[86]用改进的入侵渗透模型（modified invasion percolation,MIP）模拟水流速度很小、在孔隙尺度只考虑重力（忽略粘滞力）作用时，受重力驱动的指流形成及湿润锋结构。IP模型模拟指状流时不存在明显可见的长度尺度，而MIP模型模拟重力指流时，长度尺度可按指流的宽度大小顺序定义[86]。基于IP理论构建的模型，如元胞自动机动态模型和晶格结构气体模型，已运用于水流和溶质传输规律研究[87]。

目前，DLA模型已被成功地用来描述小尺度的试验结果，但是这种模型的计算工作量大，还不能用来解决大尺度的问题；同时，用这种模型来描述非饱和水流及溶质的运移时，还缺乏完整的理论基础[79]。IP模型主要被用来描述孔隙尺度的流体运动过程，也取得了一定成功，但是这种模型的物理意义尚不明确，同样还无法用来解决大尺度的实际问题[79]。

3.3 分形模型理论

分形是自然现象的普遍特征。近年来的研究表明优先流具有明显的分形特征[58]。如，Flury和Flühler[59]采用DLA模型模拟了溶质的运动模式，研究结果表明优先流不仅表现出分形特征，并且描述分形特征的参数也表现出一定的规律性；Persson等[84]观测到染色剂在土壤中的运动路径具有分形特征；Wang等[88]对砂土条件下的优先流进行了一系列的染色示踪试验，并采用分形理论对流动模式进行了模拟，结果也显示用于描述优先流特征的参数表现一定的随入渗条件变化的规律性。Liu等[89]指出离散模型之所以能捕捉到优先流的细部特征，正是在于这类模型能够产生与优先流相似的分形（多重分形）结构，并在此基础上建立了用于描述裂隙介质中水和溶质输移过程的活动裂隙模型（active fracture model，AFM）[89]。

为描述非饱和带土壤中的水流和溶质运动过程，Liu等[79]在AFM基础上根据土壤介质特性和流体运动特征建立了活动流场模型（active region model，ARM）。ARM模型参数为优先流运动分形维数的函数，从而抓住了优先流的细部（分形）特征。Sheng等[58]的试验研究证明ARM有效的捕捉到了多种入渗条件下优先流运动的整体非均匀信息，并且ARM模型参数（可用于描述和比较优先流的非均匀特征）也表现出一定的标度不变性。然而，相对于土壤介质的物理和水动力性质的分形研究而言，土壤优先流分形性质的研究才刚起步，分形模型建立的理论基础、模型参数确定、模型参数与土壤介质性质之间的关系以及模型对于非均匀流动描述的效果等问题都还需进一步的研究。

4 优先流观测技术的研究进展

研究优先流发展变化的特征和规律，关键的一步就是要确定优先流流场和流场内土壤含水率的分布。近年来许多新方法和新技术被用于优先流的室内外观测中。其中，染色示踪技术和离子显色示踪技术由于它们能直观的显示优先流分布模式且无需大量的经费投入而得到广泛应用[90]。

4.1 染色示踪技术

染色示踪技术是通过随入渗水流渗入到土壤中的染色剂来显示土壤优先流现象的一种试验技术[91]。由于其颜色鲜明、价格低廉、与土壤基质颜色差异明显、试验耗时短等优点，染色示踪技术已成为判断和研究优先流的结构和动力学特征的常用方法[92]。染色剂溶液通常采用人工模拟降雨的方式播撒至土壤表面，在野外也可以用喷壶等它工具来喷洒染色剂溶液[93]，或用矩形或圆形入渗框（环）在土壤表面形成瞬间或恒定积水入渗[94]。待入渗完成后，通过开挖土壤剖面（水平剖面或垂直剖面），可获得土壤优先流路径的直接分布，从而为进一步分析土壤中水分和溶质的运移模式提供依据。

可用于优先流示踪研究的染色剂种类很多。如，Bouma等[95]和Natano[97]应用亚甲基蓝（methylene blue）作为染色剂分别观测了野外粘土中溶质的运移状况和土壤中大孔隙的形态特征；Sollins和Radulovich[96]运用罗丹明（rhodamine，WT）作为染色剂研究了土壤中植物根孔对优先水流和溶质运移过程的影响；Flury等[98]和Forrer等[99]利用亮蓝（brilliant blue，FCF）作为染色剂研究了不同类型土壤中大孔隙流的差异性；Noguchi等[100]利用丙烯酸纤维树脂乳剂（acrylic resin emulsion）作为染色剂研究了马来西亚热带雨林土壤的物理特征与优先流路径。王康[101]在其专著《多孔介质非均匀流动显色示踪技术与模拟方法》中列出了可用于非饱和带土壤水流运动示踪研究的染色剂的一些信息，包括染色剂种类、商用命名、通用名、色调、荧光性和用途等；指出亮蓝、若丹明、亚甲基蓝和酸性红（acid，IU）等是土壤优先流示踪研究最为常用的染色剂。

Flury和Flühler[59]与Flury和Wai[102]指出，作为土壤水流运动示踪的理想染色剂应当具备以下特征：1）具有鲜明的颜色，以便于被人工或计算机软件识别出来；2）在水中有较高的溶解度，且具有与水流相一致或接近一致的迁移特征，以便能准确显示土壤水流运动的范围；3）这种染色剂本身及其衍生物应当是无毒或低毒的，以免造成环境影响或破坏；4）染色剂本身在自然环境中的本底值较低，以便能从背景环境中被方便的识别出来；5）染色剂对土壤溶液化学性质的变化不敏感，其迁移转化不受溶液的酸碱度和离子影响。近年来大量的研究[97]表明，亮蓝（brilliant blue，FCF,颜色索引：42090）是同时具有以上特征的理想染色剂：亮蓝的颜色极为鲜明，且蓝色与土壤基质颜色（砖红色、灰色或黄色）反差大、易于识别；亮蓝在水中的溶解度高，随水流迁移的一致性较好（尤其是在沙土中）；亮蓝是一种食品添加剂，在其使用的浓度范围内，几乎不具有毒性；亮蓝在自然环境中的本底值为0，且其化学性质极为稳定。此外，亮蓝价格相对便宜，这也有利于其广泛使用，尤其适用于开展大尺度的野外试验。但需要注意的是，土壤粘粒（特别是粘粒含量较高时）对亮蓝分子的吸附作用会导致亮蓝染色剂的示踪范围明显滞后于入渗湿润锋的实际迁移范围[103]。

4.2 离子显色示踪技术

与染色示踪剂不同，用于优先流示踪研究的离子显色示踪剂自身一般不具有颜色，需要通过附加的显色反应（如I-经氧化剂氧化成I2后与淀粉生成蓝紫色的反应）才能指示出优先流路径。Cl-、Br-和I-等无机负离子由于其几乎不被土壤粘粒（带负电荷）所吸附[102]，因此，这些离子即使在粘性土壤条件下也具有与土壤水入渗湿润锋相一致的迁移速特征。其中，I-由于其溶解度高、毒性低、经显色反应生成的蓝紫色易于识别等优点，特别适用于粘性土壤条件下的优先流示踪研究[104-105]。由于需要附加的显色反应，碘-淀粉显色示踪技术相对以亮蓝为示踪剂的染色示踪技术而言要复杂和耗时。具体选择哪一种示踪技术，主要取决于试验土壤的性质。

碘-淀粉显色示踪方法在优先流运动模式和非均匀特征分析[84]、灌水均匀性分析及灌水效率分析[92]等方面都取得了较好的效果。但是，对于示踪剂溶液中I-的合适浓度却仍有不同的观点：Lu和Wu[106]使用2～3 g/L的I-溶液来示踪细质地土壤中的优先流结构，而在研究粗质地土壤中的优先流结构时，示踪溶液中的I-浓度为3～4 g/L；考虑到土壤中的阳离子（如粘土矿物中的Fe3+、Al3+）对带负电荷的碘离子的吸附作用可能导致入渗方向上I-浓度减小，越来越多的研究[107-108，58]使用高浓度的（15～30 g/L）的I-溶液来示踪细质地土壤中的优先流结构。由于过高的I-浓度可能导致I-通过扩散作用进入到非流动区域（non-flow region）的土壤孔隙中，因此，很少有研究中使用浓度高于30 g/L的I-溶液来示踪土壤优先流运动[105]。

近年来，越来越多的试验研究中同时采用多种无机离子来示踪非饱和带土壤中的水流运动和溶质输移过程[109]。在这些研究中，土壤水的入渗过程通常被分为几个连续阶段顺序进行，每个阶段入渗水中的示踪离子不同。入渗完成后，通过剖面开挖和采样分析，可以获得不同阶段注入的示踪剂离子分布，在此基础上可以研究流动过程中水流运动和溶质输移之间的相互关系、流动过程中土壤大孔隙和土壤基质之间水和溶质的交换作用，以及土壤大孔隙和指流通道对水和溶质输移与分布的影响[110]。

4.3 其它观测技术

土壤优先流研究的其它观测技术还有微张力测量技术、声波探测技术、穿透曲线技术、非侵入影像获得技术、地下雷达探测技术和电阻率层析成像技术等。这些技术通常需要专门的仪器设备且使用方法复杂[19]，因此，在优先流（尤其是田间尺度条件下的优先流全局性流动）的研究中相对不如示踪成像技术广泛。由于相关文献[18，23，41，111]对这些观测技术均有较详细的和系统的介绍，在此仅对这些观测技术做简要说明。

微张力测量技术所采用的典型仪器设备是时域反射仪（time-domain reflector，TDR）。TDR既可以测量土壤水分含量，也可以测量溶质含量；具有对土壤结构扰动少、效率高、精度高、劳力消耗低、操作简易和携带方便等优点[111]。TDR的连续监测性和灵敏性有助于优先流的定量化研究，是获得优先流模型建立所需参数的重要工具[112]。但TDR探头的探测范围有限，如果探头布设的数量较少，则可能探测不到优先流；而如果探头布设的过多，则对被监测的土壤会产生较大的扰动、破坏土壤的原状结构。

声波探测技术是无损检测的主要方法之一。虽然声波探测技术很早就被用于多孔介质中的优先流传播速度的研究，但由于该技术的探测深度有限，前期较少涉及到水分和溶质在多孔介质中分布的定量研究[113]，而主要用于研究声波在多孔介质中的传播速度、频率以及溶质和水分对声波传播的影响。直到近些年，声波探测技术与TDR技术[114]或染色示踪技术[115]相结合，才被广泛地运用于测定水分和溶质在非饱和带土壤中的分布。

穿透曲线技术探测土壤优先流时常在土壤表面投放示踪剂溶液，通过收集并分析不同深度土层中的示踪剂溶液浓度和性质随时间的变化关系生成穿透曲线。当测得的穿透时间小于（基于菲克等温吸附定律的）对流-弥散方程所预测的穿透时间时，表明土壤中有优先流产生。尽管不同吸附系数下的对流-弥散方程预测的穿透时间有所差异，但在优先流条件下，土壤的吸附性能对穿透时间并无影响[116]。穿透曲线的拖尾和双峰现象以及曲线的不对称性可以清晰地表示土壤大孔隙的半径范围、个数及分布情况，结合Poiseuille方程则可以计算土壤大孔隙直径与密度之间的关系[117]。虽然穿透曲线技术具有简单、快速、成本少的特点，但有时耗费时间长，且涉及优先流的重要计算常常比较复杂，需要统一标准的方法和数据作对比研究[23]。

非侵入影像获得技术是一种不扰动试验土壤内部结构而直接对土壤进行图像获取和分析的无损测量技术[111]。常用的有计算机X线断层摄像（X-ray computed tomography, CT）技术和磁共振影像（magnetic resonance imaging,MRI）技术。CT技术和MRI技术具有直观（直接研究孔隙三维结构、直接显示水分和溶质的运动过程）、扫描快速方便和无损测量等优点[118-119]。为使优先流路径更直观和清晰以便于研究，CT技术和MRI技术也常结合示踪成像技术一起使用[120]。尽管CT技术和MRI技术对优先流定量分析极具潜力，但目前还没有针对土壤优先流研究的专用CT扫描仪和MRI扫描仪，试验样品通常需要外送到医院进行扫描，仪器软件需要校正，试验分析费用高，检测分析过程繁琐且结果可能不准确[18]。

地下雷达探测技术是一种用于测定地下介质分布的广谱电磁（1 MHz～1 GHz）技术，常用来探测地下水水位、土壤风化层面以及结构构造等[121]。近年来，地下雷达探测技术已经被成功地应用于探测和描绘优先流现象[122]，但目前相关的研究仍然较少。这主要是因为地下雷达的探测深度有限、测量尺度大，而土壤优先流的尺度相对较小、发生位置可深达几米。

电阻率层析成像技术是通过在不同方向观测激发电场的电阻率分布来反演计算探测区渗流过程的一种地球物理方法[122]。电阻率层析成像技术具有成像分辨率高、探测深度大、探测费用较低等优点，因而广泛运用于地下水、土壤水和溶质迁移等研究中[111]。但由于该方法获得的数据仅局限于二维平面内，加之反演计算过程中一些问题的欠定性，增加了使用该方法的难度[123]。

5 总结

优先流是土壤中常见的和重要的但又难于被捕捉和描述的水流运动和溶质运移形式。大孔隙流和指流是目前研究较多的2种优先流形态，其它一些优先流形态也因其所引起的各种水文和环境地质问题而被人们关注和研究。优先流的形成和影响因素很多，土壤结构和质地、入渗的初始条件和边界条件以及水流运动的非稳定性（非线性）都能导致优先流的产生并影响优先流的发展。为准确模拟和预测土壤优先流的时空变异特征，国内外研究者提出了众多的模型理论和试验方法，其中连续性模型理论、离散模型理论和分形模型理论等是目前较为常用的优先流模型理论方法；染色示踪技术、离子显色示踪技术、微张力测量技术、声波探测技术、穿透曲线技术、非侵入式影像获得技术、地下雷达探测技术、电阻率层析成像技术等是目前较为常用的优先流观测技术。尽管近些年国内外许多研究者对土壤优先流进行了大量研究，但直到现在也没有完全统一定义和判别标准。由于优先流的形成和影响因素众多、表现形式多样，加之优先流的快速非平衡特征明显以及土壤高度非均匀特征，目前土壤优先流研究的模型理论和观测技术都不完善。因此，建立土壤优先流的统一判别标准、提升优先流模型理论的有效性、发展优先流的专用观测技术设备等是当前土壤优先流研究的主要方向和亟需解决的主要问题。

[2]Benegas L,Ilstedt U,Roupsard O,et al.Effects of trees on infiltrability and preferential flow in two contrasting agroecosystems in Central America Agriculture[J].Ecosystems and Environment,2014,183:185-196.

[3]Ghafoor A,Koestel J,Larsbo M,et al.Soil properties and susceptibility to preferential solute transport in tilled topsoil at the catchment scale[J].Journal of Hydrology,2013,492:190-199.

[4]Lindahl A M L,Bockstaller C.An indicator of pesticide leaching risk to groundwater[J].Ecological Indicators,2012,23:95-108.

[5]Ronkanen A K,Kløve B.Long-term phosphorus and nitrogen removal processes and preferential flow paths in Northern constructed peatlands[J].Ecological Engineering,2009,35: 843-855.

[6]Cey E E,Rudolph D L,Passmore J.Influence of macroporosity on preferential solute and colloid transport in unsaturated field soils[J].Journal of Contaminant Hydrology,2009,107:45-57.

[7]李慧颖，杜晓明，杨宾，等.多孔介质中NAPLs流体毛细管指进形态及分形表征[J].环境科学，2013，34(10)：4058-4065. Li Huiying,Du Xiaoming,Yang Bin,et al.Fractal characteristics of capillary finger flow for NAPLs infiltrated in porous media[J]. Environmental Science,2013,34(10):4058-4065.(in Chinese with English abstract)

[8]van der Heijden G,Legout A,Pollier B,et al.Tracing and modeling preferential flow in a forest soil-potential impact on nutrient leaching[J].Geoderma,2013,195-196:12-22.

[9]Murphy E M,Ginn T R.Modeling microbial processes in porous media[J].Hydrogeology Journal,2000,8:142-158.

[10]常晓丽，金会军，王永平，等.植被对多年冻土的影响研究进展[J].生态学报，2012，32(24)：7981-7990. Chang Xiaoli,Jin Huijun,Wang Yongping,et al.Influences of vegetation on permafrost:a review[J].Acta Ecologica Sinica, 2012,32(24):7981-7990.(in Chinese with English abstract)

[11]蒋小金，王恩姮，陈祥伟，等.典型黑土耕地土壤优先流环绕特征[J].应用生态学报，2010，21(12)：3127-3132. Jiang Xiaojin,Wang Enheng,Chen xiangwei,et al.Surrounding characteristics of preferential flow in cultivated typical black soils of northeast China[J].Chinese Journal of Applied Ecology, 2010,21(12):3127-3132.(in Chinese with English abstract)

[12]沈辉，罗先启，李显平.碎石土斜坡优先流渗流特征试验[J].水利水电科技进展，2012，32(2)：57-62. Shen Hui,Luo Xianqi,Li Xianpin.Exoerimental study on seepage characteristics of preferential flow in the gravel slope[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources,2012, 32(2):57-62.(in Chinese with English abstract)

[13]刘目兴，杜文正.山地土壤优先流路径的染色示踪研究[J].土壤学报，2013，50(5)：871-880. Liu Muxing,Du Wenzheng.To investigate soil preferential flow path in mountain area using dye tracer[J].Acta Pedologica Sinica,2013,50(5):871-880.(in Chinese with English abstract)

[14]Sohrt J,Ries F,Sauter M,et al.Significance of preferential flow at the rock soil interface in a semi-arid karst environment[J]. Catena,2014,123:1-10.

[15]Lipiec J,Turski M,Hajnos M,et al.Pore structure,stability and water repellency of earthworm casts and natural aggregates in loess soil[J].Geoderma,2015,243-244:124-129.

[16]Chen C C,Roseberg R J,Selker J S.Using micro-sprinkler irrigation to reduce leaching in a shrink/swell clay soil[J]. Agriculture Water Management,2002,54:159-171.

[17]Reichenberger S,Amelung W,Laabs V,et al.Pesticide displacement along preferential flow pathways in a Brazilian Oxisol[J].Geoderma,2002,110:63-86.

[18]牛健植，余新晓，张志强.优先流研究现状及发展趋势[J].生态学报，2006，26(1)：231-242. Niu Jianzhi,Yu Xinxiao,Zhang Zhiqiang.The present and future research on preferential flow[J].Acta Ecologica Sinica, 2006,26(1):231-242.(in Chinese with English abstract)

[19]Allaire E S,Roulier S,Cessna A J.Quantifying preferential flow in soils:A review of different techniques[J].Journal of Hydrology, 2009,378:179-204.

[20]Lawes J B,Gilbert J H,Warington R.On the amount and composition of the rain and drainage water collected at Rothamsted[M].Williams,Clowes and Sons,Lt,London,1882.

[21]Green R D,Askew G P.Observations on the biological development of macropores in soils of Romney Marsh[J].Journal of Soil Science,1965,16(2):342-344.

[22]Cey E E,Rudolph D L.Field study of macropore flow processes using tension infiltration of a dye tracer in partially saturatedsoils[J].Hydrological Processes,2009,23(12):1768-1779.

[23]张中彬，彭新华．土壤裂隙及其优先流研究进展[J]．土壤学报，2015，52(3)：477-488．Zhang Zhongbin,Peng Xinhua.A review of researches on soil cracks and their impacts on preferential flow[J].Acta Pedologica Sinica,2015,52(3):477-488.(in Chinese with English abstract)

[24]Li T Y,Zhu X,Zhao Y,et a1.The wave propagation and vibrational energy flow characteristics of a plate with a partthrough surface crack[J]．International Journal of Engineering Science,2009,47:1025-1037.

[25]马佳．裂土优势流与边坡稳定性分析方法[D]．武汉：中国科学院研究生院，2007．Ma Jia.Preferential Flow and Stability Analysis Method for Fissure Clay Slopes[D].Wuhan:Chinese Academy of Science, 2007.(in Chinese with English abstract)

[26]Luxmoore R J.Micro-,meso-,and macroporosity of soils[J].Soil Science Society of America Journal,1981,45:671-672.

[27]Beven K,Germann P.Macropores and water flow in soils[J]. Water Resource Research,1982,18(5):1311-1325.

[28]张家明，徐则民，裴银鸽．植被发育斜坡非饱和带大孔隙[J]．山地学报，2012，30(4)：439-449．Zhang Jiaming,Xu Zheming,Pei Yingge.Macropores in vadose zone of well vegetated slopes[J].Journal of Mountain Science, 2012,30(4):439-449.(in Chinese with English abstract)

[29]秦耀东，任理，王济．土壤中大孔隙流研究进展与现状[J]．水科学进展，2000，11(2)：203-207．Qin Yaodong,Ren Li,Wang Ji.Review on the study of macropore flow in soil[J].Advances in Water Science,2000,11 (2):203-207.(in Chinese with English abstract)

[30]Chen C,Wagenet R J.Simulation of water and chemicals in macropore soils Part I.Representation of the equivalent macropore influence and its effect on soil-water flow[J].Journal of Hydrology,1992,130:105-126.

[31]Glass R J,Steenhuis T S,Parlange J Y.Wetting front instability as a rapid and far-reaching hydrologic process in the vadose zone[J].Journal of Contaminant Hydrology,1988,3:207-226.

[32]Mabuchi T.Infiltration and ensuing percolation in columns of laggard glass particles packed in laboratory[J].Transaction of Agriculture Engineering Society of Japan,1961,13-19.

[33]Miller D E,Gardner W H.Water infiltration into stratified soil [J].Soil Science of American Proceeding,1962,26:115-119.

[34]Hill D E,Parlange J Y.Wetting front instability in layered soils [J].Soil Science of American Proceeding,1972,36:697-702.

[35]Rezanezhad F,Vogel H J,Roth K.Experimental study of fingered flow through initially dry sand[J].Hydrology and Earth System Science Discussions,2006,3:2595-2620.

[36]刘亚平，陈川．土壤非饱和带中的优先流[J]．水科学进展，1996，7(1)：85-89．Liu Yaping,Chen Chuan.Introduction to preferential flow in unsaturated soil[J].Advances in Water Science,1996,7(1):85-89.(in Chinese with English abstract)

[37]Raats P A C.Unstable wetting fronts in uniform and non-uniform soils[J].Soil Science Society of America Proceeding,1973,37: 681-685.

[38]Ritsema C J,Dekker L W,Hendricrx J M H.Preferential flow mechanism in a water repellent sandy soil[J].Water Resources Research,1993,29(7):2183-2193.

[39]Dekker L W,Ritsema C J.How water moves in a water repellent sandy soil[J].Water Resources Research,1994,30(9):2507-2517.

[40]De Rooij G H.A three-region analytical model of solute leaching in a soil with a water repellent top layer[J].Water Resources Research,1995,31:2701-2707.

[41]高朝侠，徐学选，赵娇娜，等．土壤大孔隙流研究现状与发展趋势[J]．生态学报，2014，34(11)：2801-2811．Gao Zhaoxia,Xu Xuexuan,Zhao Jiaona,et al.Review on macropore flow in soil[J].Acta Ecologica Sinica,2014,34(11): 2801-2811.(in Chinese with English abstract)

[42]Allaire-Leung S E,Gupta S C,Moncrief J F.Water and solute movement in soil as influenced by macropore characteristics. Macroporecontinuity[J].JournalofContaminantHydrology,2000, 41:283-301.

[43]Allaire-Leung S E,Gupta S C,Moncrief J F.Water and solute movement in soil as influenced by macropore characteristics. Macropore tortuosity[J].Journal of Contaminant Hydrology, 2000,41:303-315.

[44]程竹华，张佳宝，徐绍辉．黄淮海平原三种土壤中优势流现象的试验研究[J]．土壤学报，1999，36(2)：154-161．Cheng Zhuhua,Zhang Jiabao,Xu Shaohui.Experimental studies on preferential flow in three soils in Huang-Huai-Hai plain[J]. Acta Pedologica Sinica,1999,36(2):154-161.(in Chinese with English abstract)

[45]Bouma J.Influence of soil macroporosity on environmental quality[J].Advanced in Agronomy,1991,46:1-36.

[46]Beven K,Germann P.Water flow in soil macropores[J].1981, 32:15-29.

[47]Dekker L W,Ritsema C J.Preferential flow paths in a water repellentclaysoilwithgrasscover[J].Water Resources Research, 1996,32:1239-1249.

[48]Kung K J S.Preferential flow in a sandy vadose zone soil.1. Field observation[J].Geoderma,1990,46:51-58.

[49]Kung K J S.Preferential flow in a sandy vadose zone soil.2. Mechanism and implications[J].Geoderma,1990,46:59-71.

[50]Roth K.Steady state flow in an unsaturated,two dimensional, macroscopically homogeneous,Miller-similar medium[J].Water Resources Research,1995,31:2127-2140.

[51]Flury M,Flühler H,Jury W A,et al.Susceptibility of soils to preferential flow of water:A field study[J].Water Resources Research,1994,30(7):1945-1954.

[52]Merdun H,Meral R,Riza D A.Effect of the initial soil moisture content on the spatial distribution of the water retention[J]. Eurasian Soil Science,2008,41(10):1098-1106.

[53]De Rooij G H.Modeling fingered flow of water in soils owing to wetting front instability:a review[J].Journal of Hydrology,2000, 231-232:277-294.

[54]盛丰，方妍．土壤水非均匀流动的碘-淀粉染色示踪研究[J]．土壤，2012，44(1)：144-148．Sheng Feng,Fang Yan.Study on preferential soil water flow using iodine-starch staining method[J].Soils,2012,44(1):144-148.(in Chinese with English abstract)

[55]Edwards W M,Shipitalo M J,Owens L B,et al.Rainfall intensity affects transport of water and chemicals through macropores in non-till soil[J].Soil Science Society of America Journal,1992, 56:52-58.

[56]Ghodrati M,Jury W A.A field study using dyes to characterize preferential flow of water[J].Soil Science Society of America Journal,1990,54(6):1558-1563.

[57]Ren G L,Izadi B,King B,et al.Preferential transport of bromide in undisturbed cores under different irrigation methods[J].Soil Science,1996,161(4):214-225.

[58]Sheng F,Wang K,Zhang R,et al.Characterizing soil Preferential flow using iodine-starch staining experiments and the active region model[J].JournalofHydrology,2009,367:115-124.

[59]Flury M,Flühler H.Modeling solute leaching in soils by diffusion-limited aggregation:Basic concepts and applications to conservative solutes[J].Water Resource Research,1995,31: 2443-2452.

[60]Philip J R.Stability analysis of infiltration[J].SoilScience Society of America Proceeding,1975,39:1042-1049.

[61]Philip J R.The growth of disturbances in unstable infiltration flows[J].Soil Science Society of America Proceeding,1975,39: 1049-1053.

[62]Parlange J Y,Hill D E.Theoretical analysis of wetting front instability in soils[J].Soil Science,1976,122:236-239.

[63]Nguyena H V,Nieber J L,Ritsemab C J,et al.Modeling gravity driven unstable flow in a water repellent soil[J].Journal of Hydrology,1999,215:202-214.

[64]Glass R J,Steenhuis T S,Parlange J Y.Mechanism for finger persistence in homogeneous unsaturated porous media:Theory and verification[J].Soil Science,1989,148:60-70.

[65]Nieber J L.Modeling finger development and persistence in initial dry porous media[J].Geoderma,1996,70:209-229.

[66]Ritsema C J,Dekker L W.Modeling and field evidence of finger formation and finger recurrence in a water repellent sandy soil [J].Water Resources Research,1998,34:555-567.

[67]贾宏伟，康绍忠，张富仓，等．土壤水力学特征参数空间变异的研究方法评述[J]．西北农林科技大学学报(自然科学版)，2004(32)：97-102．Jia Hongwei,Kang Shaozhong,Zhang Fucang,et al.A review of study methods on spatial variability of soil hydraulic properties [J].Journal of Northwest Science Technology University of Agriculture and Forestry (Nature Science Edition),2004(32): 97-102.(in Chinese with English abstract)

[68]Tompson A F B,Gelhar L W.Numerical simulation of solute transport in three-dimensional,randomly heterogeneous porous media[J].Water Resources Research,1990,26:2541-2562.

[69]Feyen J,Jacques D,Timmerman A,et al.Modelling water flow and solute transport in heterogeneous soils:a review of recent approaches[J].Journal of Agricultural Engineering Research, 1998,70:231-256.

[70]黄冠华．土壤水力特性空间变异的试验研究进展[J]．水科学进展,1999，10(4)：450-457．Huang Guanhua.A review of experimental study on spatial variability of soil hydraulic properties[J].Advances in Water Science,1999,10(4):450-457.(in Chinese with English abstract)

[71]薛绪掌，张仁铎，桂胜祥．测定尺度对所测土壤导水参数及其空间变异性的影响[J]．水土保持通报，2001，21(3)：47-51．Xue Xuzhang,Zhang Renduo,Gui Shengxiang.Effect of measurement scales on measured soil hydraulic properties and their spatial variability[J].Bulletin of Soil and Water Conservation, 2001,21(3):47-51.(in Chinese with English abstract)

[72]Jarvis N J.A review of non-equilibrium water flow and solute transport in soil macropores:principles,controlling factors and consequences for water quality[J].European Journal of Soil Science,2007,58:523-546.

[73]Liu H H,Doughty C,Bodvarsson G S.An active fracture model for unsaturated flow and transport in fractured rocks[J].Water Resources Research,1998,34:2633-2646.

[74]王康，张仁铎，周祖昊，等．多孔介质中非均匀流动模式示踪试验与弥散限制聚合分形模型的应用[J]．水利学报，2007，38 (6)：690-696．Wang Kang,Zhang Renduo,Zhou Zuhao,et al.Experimental study on heterogeneous flow in porous media by tracing technology and application of diffusion-limited aggregation fractal modeling[J].Journal of Hydraulic Engineering,2007,38 (6):690-696.(in Chinese with English abstract)

[75]Flint A L,Flint L E,Bodvarsson G S,et al.Evolution of the conceptual model of unsaturated zone hydrology at Yucca Mountain,Nevada[J].Journal of Hydrology,2001,247:1-30.

[76]Wood T R,Norrell G T.Integrated large-scale aquifer pumping and infiltration tests:groundwater pathways,OU 7-06:Summary Report[R].Idaho National Engineering Laboratory,Environmental Restoration Department,Lockheed Martin Idaho Technologies Company,1996.

[77]Wood T R,Podgorney R K,Faybishenko B.Small scale field tests of water flow in a fractured rock vadose zone.Case study to chapter 3[M]//Looney B,Falta R.Vadose Zone Science and Technology Solutions.Battelle Press,Columbus,OH,2000.

[78]Busenberg E,Weeks E P,Plummer L N,et al.Age dating ground water by use of chlorofluorocarbons(CCl3F and CCl2F2), and distribution of chlorofluorocarbons in the unsaturated zone, Snake RiverPlain aquifer,Idaho NationalEngineering Laboratory,Idaho[R].Water-Resources Investigations.Report 93-4054(DOE/ID-22107).U.S.Geological Survey,Res ton,VA, 1993.

[79]Liu H H,Zhang R,Bodvarsson G S.An active region model for capturing fractal flow patterns in unsaturated soils:Model development[J].Journal of Contaminant Hydrology,2005,80: 18-30.

[80]Witten T A,Sander L M.Diffusion-limited aggregation:A kinetic critical phenomenon[J].Physics Review Letter,1981,47: 1400-1430.

[81]Wilkinson D,Willemsen J F.Invasion percolation:A new form of percolation theory[J].Journal of Physics A,1983,16:3365-3376.

[82]Meakin P.Diffusion-controlled deposition on fibers and surfaces [J].Physical Review A,1983,27:2616-2623.

[83]Flury M,Leuenberger J,Studer B,et al.Transport of anions and herbicides in a loamy and sandy field soil[J].Water Resources Research,1995,31:823-835.

[84]Persson M,Yasuda H,AlbergeI J,et al.Modeling plot scale dye penetration by a diffusion limited aggregation(DLA)model[J]. Journal of Hydrology,2001,250:98-105.

[85]PatersonL.Diffusionlimitedaggregationandtwo-fluid displacements in porous media[J].Physics Review Letter,1984,52(18):1621-1624.

[86]Glass R J,Yarrington L.Simulation of gravity fingering in porousmedia using a modified invasion percolation model[J].Geoderma, 1996,70:231-252.

[87]Klafter J,Shlesinger M F,Zumofen G.Beyond Brownian motion [J].Physics Today,1996,49(2):33-39.

[88]Wang K,Zhang R,Yasuda H.Characterizing heterogeneity of soil water flow by dye infiltration experiments[J].Journal of Hydrology,2006,328:559-571.

[89]Liu H H,Zhang G,Bodvarsson G S.The active fracture model: Its relation to fractal flow behavior and a further evaluation using field observations[J].Vadose Zone Journal,2003,2:259-269.

[90]盛丰，王康，张仁铎，等.田间尺度下土壤水流非均匀运动特征的染色示踪研究[J].水利学报，2009，40(1)：101-108. Sheng Feng,Wang Kang,Zhang Renduo,et al.Study on heterogeneous characteristics of soil water flow in field[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2009,40(1):101-108.(in Chinese with English abstract)

[91]Morris C,Mooney S J.A high-resolution system for the quantification of preferential flow in undisturbed soil using observations of tracers[J].Geoderma,2004,118:133-143.

[92]Weiler M,Flühler H.Inferring flow types from dye patterns in macroporous soils[J].Geoderma,2004,120:137-153.

[93]Wang K,Zhang R,Sheng F.Effects of irrigation efficiency on chemical transport processes[J].Science in China Series E: Technological Science,2009,52(11):1-6.

[94]Yasuda H,Berndtsson R,Persson H,et al.Characterizing preferential transport during flood irrigation of a heavy clay soil using the dye Vitasyn Blua[J].Geoderma,2001,100:49-66.

[95]Bouma J,Dekker L W,Wösten J H M.A case study on infiltration into dry clay soil II.Physical measurements[J]. Geoderma,1978,20(1):41-51.

[96]Sollins P,Radulovich R.Effects of soil physical structure on solute transport in a weathered tropical soil[J].Soil Science Society of America Journal,1988,52:1168-1173.

[97]Natano R,Kawamura N,Ikda J,et al.Evaluation of the effect morphological features of flow paths on solute transport by using fractaldimensionsofmethylene blue staining pattern[J]. Geoderma,1992,53:31-44.

[98]Flury M,Flühler H.Brilliant Blue FCF as a dye tracer for solute transportstudies-A toxicologicaloverview[J].Journal of Environmental Quality,1994,23:1108-1112.

[99]Forrer I,Parrita A,Kasteel R,et al.Quantifying dye tracers in soil profiles by image processing[J].European Journal of Soil Science,2000,51:313-322.

[100]Noguchi S,Rahim N A,Baharuddin K,et al.Soil physical properties and preferential flow pathways in tropical rain forest, Bubit Tarek,Peniusular,Malaysia[J].Journal of Forest Research, 1997,2:115-120.

[101]王康.多孔介质非均匀流动显色示踪技术与模拟方法[M].北京：科学出版社，2009.

[102]Flury M,Wai N N.Dyes as tracers for vadose zone hydrology[J]. Reviews of Geophysics,2003,41,doi:10.1029/2001RGooo109.

[103]Nobles M M,Wilding L P,Lin H S.Flow pathways of bromide and Brilliant Blue FCF tracers in caliche soils[J].Journal of Hydrology,2010,393:114-122.

[104]Bogner C,Wolf B,Schlather M,et al.Analysing flow patterns from dye tracer experiments in a forest soil using extreme value statistics[J].European Journal of Soil Science,2008,59 (1):103-113.

[105]Wang K,Zhang R.Heterogeneous soil water flow and macropores described with combined tracers of dye and iodine [J].Journal of Hydrology,2011,397(1-2):105-117.

[106]Lu J,Wu L.Visualizing bromide and iodide water tracer in soil profiles by spray methods[J].Journal of Environmental Quality, 2003,32:363-367.

[107]Van Ommen H C,Dekker L W,Dijksma R,et al.A new technique for evaluating the presence of preferential flow paths in non-structured soils[J].Soil Science Society of America Journal,1988,52:1192-1193.

[108]Hangen E,Gerke H H,Schaaf W,et al.Flow path visualization in a lignitic mine soil using iodine-starch staining[J].Geoderma, 2004,120:121-135.

[109]Posadas D A N,Tannús A,Panepucci H,et al.Magnetic resonance imaging as a non-invasive technique for investigating 3-D preferential flow occurring within stratified soil samples[J]. Computers and Electronics in Agriculture,1996,14(4):255-267.

[110]Sheng F,Liu H H,Wang K,et al.Investigation into preferential flow in natural unsaturated soils with field multiple-tracer infiltration experiments and the active region model[J].Journal of Hydrology,2014,508:137-146.

[111]徐宗恒，徐则民，曹军尉，等.土壤优先流研究现状与发展趋势[J].土壤，2012，44(6)：905-916. Xu Zongheng,Xu Zemin,Cao Junwei,et al.Present and future research of preferential flow in soil[J].Soils,2012,44(6):905-916.(in Chinese with English abstract)

[112]Germann P F,Di Pietro L.Scales and dimensions of momentum dissipation during preferential flow in soils[J].Water Resources Research,1999,35(5):1443-1454.

[113]Brandt H.A study of the speed of sound in porous granular media[J].Journal of Applied Mechanics,1954,22:479-486.

[114]Blum A,Flamme I,Friedli T,et al.Acoustic tomography applied to water flow in unsaturated soils[J].Soil Science Society of America,2004,3:288-299.

[115]Flammer I,Blum A,Leiser A,et al.Acoustic assessment of flow patterns in unsaturated soil[J].Journal of Applied Geophysics, 2001,46(2):115-128.

[116]陈风琴，石辉.岷江上游三种典型植被下土壤优势流现象的染色法研究[J].生态科学，2006，25(1)：69-73. Chen Fengqin,Shi Hui.A study on soil preferential flow under three vegetations in the upper reach of MinJiang River by brilliant blue dye[J].Ecologic Science,2006，25(1):69-73.(in Chinese with English abstract)

[117]Radulovich R,Solorzano E,Sollins P.Soil macropore size distribution from water breakthrough curves[J].Soil Science Society of America Journal,1989,53(2):556-559.

[118]Mooney S J,Morris C.Morphological approach to understanding preferential flow using image analysis with dye tracers and X-ray computed tomography[J].Catena,2008,73(2):204-211.

[119]Paola F.Magnetic resonance for fluids in porous media at the University of Bologna[J].Magnetic Resonance Imaging,2005, 23(2):125-131.

[120]冯杰，郝振纯.CT扫描确定土壤大孔隙分布[J].水科学进展，2002，13(5)：611-617. Feng Jie,Hao Zhenchun.Distribution of soil macroporescharacterized by CT[J].Advances in Water Science,2002,13 (5):611-617.(in Chinese with English abstract)

[121]Gómez-Ortiz D,Martín-Crespo T,Rodríguez I,et al.The internal structure of modern barchan dunes of the Ebro River Delta(Spain)from ground penetrating radar[J].Journal of Applied Geophysics,2009,68(2),159-170.

[122]Kung K J S,Donohue S V.Improved solute sampling protocol in a sandy vadose zone using ground-penetrating radar.[J].Soil Science Society of America Journal,1991,55:1543-1545.

[123]Vanderborght J,Kemna A,Hardelauf H,et al.Potential of electrical resistivity tomography to infer aquifer transport characteristics from tracer studies:A synthetic case study[J]. Water Resource Research,2005,41,W06013,doi:10.1029/ 2004WR003774.

Review on research theories and observation techniques for preferential flow in unsaturated soil

Sheng Feng,Zhang Liyong,Wu Dan
(School of Hydraulic Engineering,Changsha University of Science&Technology,Changsha 410114,China;Hunan Provincial Key Laboratory of Water&Sediment Science and Water Hazard Prevention,Changsha University of Science&Technology,Changsha 410114)

Preferential flow,which contributes to the rapid water flow and solute transport,is common rather than exceptional in 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.There are different kinds of preferential flow,Macropore flow and finger flow are two of the most importance and receive tremendous of studies.Pipe flow,channel flow,funnel flow,bypass flow,oscillatory flow,short circuiting flow,heterogeneity-driven flow,subsurface storm flow,partial displacement flow,depression-focused recharge flow,and gravity-driven unstable flow also receive a lot of research interests because of the environmental problems and risks they induced.There are a number of factors to induce preferential flow.Soil structure and texture,the initial and boundary conditions,incorporating with the instability of infiltration front,affect the generation and development of preferential flow patterns.Because of the variety of preferential flow generating and impacting factors,and the diversity of preferential flow patterns,incorporated with the high-speed and non-equilibrium characteristics of preferential flow,the description and simulation of preferential flow is always the hot topic and big question in vadose zone hydrology.A variety of modeling approaches have been developed to describe preferential flow in soil.These are mainly continuum,discrete,and fractal approaches.The continuum approaches are relatively simple and straightforward to implement,but they are incapable of characterizing preferential flow paths caused by fingering and the spatial variability of soil properties.On the contrary,the discrete approaches have been successfully used to represent field observations of preferential flow.However,the discrete approaches are limited to small-scale applications and the physical mechanisms underlying these approaches are still not totally clarified.To properly characterize heterogeneous water flow processes in the soil and benefit from the combined advantages of the continuum and discrete approaches,models based on fractal theory are developed recently.While some previous field studies support the fractal approaches,in-depth studies have not yet been conducted on physical mechanisms underlying these approaches, determination of the fractal parameters,relation between fractal parameters and soil characteristics,and efficiency of applying fractal approaches for representing practical preferential flow processes.To study the characteristics of preferential flow and to evaluate the efficiency of numerical models for representing preferential flow,it is essential to visualize preferential flow from flow background.For this purpose,a variety of experimental approaches,such as micro-tension measurement,acoustic sounding,breakthrough-curves,non-invasion tomography,ground penetrating radar,and electrical resistance tomography,have been developed.However,these approaches either require very expensive and preferential machines or consume too much of time and labor.With the advantages of low price,distinct visibility,high water solubility, and requiring no special detecting machines,tracing(e.g.dye tracing and iodine-starch staining tracing)experiments are increasingly applied to study the detail characteristics of preferential flow in both field and laboratory.Within all the dyes, the food-grade dye pigment Brilliant Blue FCF,which is with some other advantages as limited toxicity and inactive,is most commonly used.However,as the dye is adsorbed by soils with high clay and organic carbon contents,iodine-starch staining tracing experiment is determined as a much more effective technique to visualize preferential flow pathways,as the anionic properties of iodide ion with high mobility and low adsorption even in heavy clay soils.Although preferential flow has received increasing studies these years,it is still far behind fully studied.Unifying the discrimination standard,increasing modeling efficiency and developing special equipments for preferential flow study are the main research directions in this field.

soil;water;models;preferential flow;macropore flow;finger flow;research theories;observation techniques

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.001

S152.7

A

1002-6819（2016）-06-0001-10

2015-09-28

2016-01-26

国家自然科学基金资助项目（51579020，51109017）；湖南省自然科学基金资助项目（13JJ3069）

盛 丰，男，汉族，湖南株洲人，副教授，博士，主要从事非饱和带土壤水动力学与水土环境方面的研究。长沙 长沙理工大学水利工程学院，410114。Email：fsaint8586@163.com