基于降雨染色示蹤試驗(yàn)的大孔隙流特性研究

呂 捷，樊秀峰, 2，吳振祥, 2

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福州 350108; 2.福州大學(xué) 地質(zhì)工程福建省高校工程研究中心，福州 350108)

1 研究背景

降雨是邊坡產(chǎn)生破壞的主要外因之一，有關(guān)降雨條件下邊坡內(nèi)水分的入滲運(yùn)移規(guī)律一直是研究的焦點(diǎn)。目前大部分研究[1-3]中均將土體視為均勻的多孔介質(zhì)，運(yùn)用飽和非飽和滲流理論分析其內(nèi)部水分運(yùn)移規(guī)律。然而，實(shí)際邊坡內(nèi)部隨機(jī)分布著由差異性風(fēng)化、干濕交替、蟲蟻洞穴及植物根系等自然條件下形成的各類型大孔隙[4-5]。在降雨作用下，水分繞過大部分基質(zhì)區(qū)域，主要通過大孔隙等優(yōu)勢(shì)通道快速入滲至顯著深度[6]，形成大孔隙流，即優(yōu)勢(shì)流。降雨條件下邊坡穩(wěn)定性與坡體內(nèi)部不同發(fā)育形態(tài)的大孔隙及其造成的滲流分布不均現(xiàn)象密切相關(guān)，坡體內(nèi)的水分運(yùn)動(dòng)常表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)流特性，并可在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)坡體深處，對(duì)邊坡的滲流穩(wěn)定更為不利。而先前的均勻滲流理論對(duì)于含有優(yōu)勢(shì)通道的邊坡滲流分析結(jié)果與實(shí)際情況相比具有較大差異，已無法對(duì)邊坡在短時(shí)強(qiáng)降雨條件下出現(xiàn)的中深層失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行合理的解釋，因此開展土體內(nèi)部大孔隙的發(fā)育特征及優(yōu)勢(shì)流的空間響應(yīng)規(guī)律的研究則顯得至關(guān)重要。

近年來，國外土壤學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)優(yōu)勢(shì)流研究較多，F(xiàn)orrer等[7]利用亮藍(lán)染色劑研究土壤優(yōu)勢(shì)流并提出了染色照片的校正方法。Mooney等[8]及Piuela等[9]根據(jù)土壤染色濃度分析優(yōu)勢(shì)滲流模式并定量評(píng)估優(yōu)勢(shì)流發(fā)育程度。同時(shí)國內(nèi)也有部分學(xué)者注意到了優(yōu)勢(shì)流對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，王康等[10]、盛豐等[11]、何凡等[12]基于染色試驗(yàn)就優(yōu)勢(shì)流類型、影響因素、發(fā)生條件等相關(guān)方面展開研究，發(fā)現(xiàn)空間尺度、土體含水量及降雨因子等均對(duì)優(yōu)勢(shì)流發(fā)育有著不同程度的影響。此外，郭會(huì)榮[13]和闕云等[14]通過人造孔隙定量研究優(yōu)勢(shì)流對(duì)土體水分入滲的影響。但以上研究結(jié)果中均定性指出優(yōu)勢(shì)通道的形成是造成土體中滲流差異的主要原因，較少通過染色信息分析并對(duì)比優(yōu)勢(shì)通道的特性差異對(duì)滲流的影響。

綜上所述，目前追蹤土體內(nèi)部水分滲流路徑的方法中最直接且最廣泛采用的是染色示蹤法[15-19]，該方法優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢(shì)流現(xiàn)象的可視化。國內(nèi)外對(duì)優(yōu)勢(shì)流開展的研究主要集中于優(yōu)勢(shì)流的激發(fā)機(jī)制、影響因素以及人造孔隙形成的優(yōu)勢(shì)流等方面，已有的研究成果中較少涉及如何通過提取染色信息來評(píng)價(jià)在同種土體基質(zhì)區(qū)域內(nèi)，不同天然大孔隙發(fā)育模式、形態(tài)、大小和方向等特性對(duì)優(yōu)勢(shì)流發(fā)展路徑及與基質(zhì)區(qū)交換能力的影響。上述大孔隙的發(fā)育特征均會(huì)造成降雨在坡體內(nèi)的滲流路徑、入滲速率及入滲量等產(chǎn)生差異，使得邊坡穩(wěn)定性難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。此外，已有的原狀土柱試驗(yàn)大都在邊坡中隨機(jī)取樣，以選取的其中某一點(diǎn)代表整個(gè)邊坡性質(zhì)。事實(shí)上，同一坡體內(nèi)大孔隙的形態(tài)與分布存在明顯的空間變異性，某一點(diǎn)的試驗(yàn)研究成果與實(shí)際工程情況可能產(chǎn)生較大偏差。

鑒于此，本文針對(duì)實(shí)際含有大孔隙的邊坡工程在降雨作用下發(fā)生的滲流分布不均現(xiàn)象，選擇在天然大孔隙較為發(fā)育的邊坡內(nèi)獲取3個(gè)大孔隙發(fā)育形態(tài)各異的原狀土柱，對(duì)土柱開展降雨染色示蹤試驗(yàn)，根據(jù)原狀土柱的豎直向與水平向剖面染色信息標(biāo)定的水分浸潤面積比綜合評(píng)價(jià)土柱內(nèi)部不同大孔隙的發(fā)育特性，并分析其對(duì)優(yōu)勢(shì)滲流發(fā)展及與基質(zhì)域水分交換能力的影響；揭示大孔隙流發(fā)育的典型空間分布特征，同時(shí)利用土柱的底部出流量等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)染色示蹤評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。該研究將進(jìn)一步豐富邊坡非飽和帶大孔隙流的特性研究，為邊坡的滲流分析提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 土柱試樣采集

本次試驗(yàn)選擇在福州大學(xué)生活區(qū)后山的小型殘積土邊坡露頭(高度約3～4 m)取樣，土坡表層無草坪，且傾角較緩，對(duì)坡面表層以下30 cm深度范圍內(nèi)含大孔隙發(fā)育帶的土體優(yōu)勢(shì)流現(xiàn)象展開研究。試驗(yàn)區(qū)域在我國東南沿海地帶，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，具有四季分明、雨量充沛等特點(diǎn)，年降雨量為900～2 100 mm，集中于春夏季節(jié)。取樣區(qū)表層以下土體中大孔隙通道的形成主要有2種成因：一是由蟲蟻洞穴、植物根系等生物因素造成形狀多為圓形的大孔隙；二是受季節(jié)性降雨影響的物理因素，在干濕循環(huán)過程中，土體隨水分增減發(fā)生膨脹或收縮，在濕潤季節(jié)，土體膨脹，孔隙相對(duì)緊密閉合，干燥時(shí)土體收縮會(huì)產(chǎn)生裂縫或裂隙狀的大孔隙。

由于大孔隙發(fā)育的空間變異性較強(qiáng)，因此在取樣區(qū)間隔5 m依次采取土樣，共采集3組含不同大孔隙發(fā)育特征的原狀土柱。原狀取樣過程中，先將邊坡淺表裸露的土體去除，再用鋤頭與鐵鏟挖去土柱附近大量的土體，逐步靠近土柱尺寸范圍(直徑為13 cm、高度為30 cm)后，用削土刀將土柱表面整平，并緩慢套入圓柱狀模型箱中，土柱與筒壁之間注入填縫劑，防止形成壁流，待填縫劑固化后，開始試驗(yàn)。土柱試樣參數(shù)如表1所示。此外，為對(duì)比含大孔隙的原狀土與均質(zhì)重塑土二者入滲規(guī)律與滲流現(xiàn)象的差異，在相同地點(diǎn)取擾動(dòng)土樣，在室外自然風(fēng)干并將植物根系進(jìn)行過篩處理。擾動(dòng)土柱按照原狀土柱天然密度(ρ=1.924 g/cm3)進(jìn)行重塑，每隔1 cm進(jìn)行一次均勻壓實(shí)，保證重塑土柱具有和原狀土柱具有一樣的密實(shí)度。

表1 土柱試樣參數(shù)

2.2 試驗(yàn)裝置

土柱模型裝置如圖1所示，土柱模型箱的材料為有機(jī)玻璃，其具有強(qiáng)度高、韌性大、可視度好等特點(diǎn)。上部圓柱狀有機(jī)玻璃筒的內(nèi)徑為13 cm，壁厚為1 cm，高度40 cm。在土柱下方設(shè)置圓錐狀反濾層(高度10 cm)并觀測(cè)出流量。

圖1 土柱模型箱

2.3 試驗(yàn)方案

為定量評(píng)估不同原狀土柱的大孔隙發(fā)育特征，以30 mm/h的雨強(qiáng)對(duì)3個(gè)原狀土柱與重塑土柱進(jìn)行歷時(shí)為1 h的降雨染色示蹤試驗(yàn)。即采用小型壓力噴霧器以6.63 mL/min的強(qiáng)度持續(xù)60 min向土柱表面均勻噴灑亮藍(lán)染色溶液(質(zhì)量濃度為4 g/L)。同時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)土柱底部出流數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)結(jié)束，拆卸模型上下部連接裝置，將上部土柱裝置經(jīng)20 h自然風(fēng)干后，用削土刀在圓柱狀模型箱內(nèi)部將土柱沿直徑從上至下逐漸縱向切開，注意不破壞另一半土柱結(jié)構(gòu)。選擇室內(nèi)光線均勻處，在模型箱外拍攝土柱豎直向染色剖面，并保持每次拍攝光線基本一致。固定相機(jī)與土柱剖面距離為50 cm，焦距固定為28 mm，拍攝分辨率設(shè)定為72 dpi，像素3 024×4 032，存儲(chǔ)為jpg格式。在豎直向上僅對(duì)每個(gè)土柱進(jìn)行1次拍攝，在土柱周圍固定刻度尺，用于照片后期校正處理。豎直向剖面拍攝完成后，在水平方向上依次按照對(duì)應(yīng)土柱深度為0、5、15、25、30 cm處橫向切開半圓柱狀的土柱進(jìn)行5次水平向染色剖面拍攝。

2.4 圖像處理

后期通過校正軟件消除拍攝過程中產(chǎn)生的傾斜偏差、模型箱反光、曝光不均勻及邊緣變形等問題。圖像經(jīng)校正處理后，在Photoshop軟件中將染色區(qū)域的顏色替換為黑色，再將圖像進(jìn)行灰度化與二值化處理，未染色區(qū)域即轉(zhuǎn)化為白色。通過調(diào)整“閾值”使黑色區(qū)域與實(shí)際染色情況一致，最后將圖像輸出為黑白二元位圖(.bmp)格式，如圖2所示。

圖2 豎直向染色剖面二元位圖

2.5 水分浸潤面積比的計(jì)算與含義

豎直向染色剖面的水分浸潤面積比可揭示沿入滲方向的優(yōu)勢(shì)通道特征(分布、連通性、開啟程度)；而水平向的浸潤比則彌補(bǔ)豎直向剖面在水平方向的不足，反映水分側(cè)向運(yùn)移特性，即反映在水平方向上大孔隙域與基質(zhì)域之間的水分交換作用。

根據(jù)豎直向與水平向水分浸潤面積比的含義分別統(tǒng)計(jì)不同剖面的染色信息。對(duì)于豎直向染色二元圖像，將其導(dǎo)入MatLab軟件中，輸出圖像二元(0,255)信息矩陣，數(shù)字0代表黑色(染色區(qū)域)，數(shù)字255代表白色(未染色區(qū)域)。土柱高度30 cm，直徑13 cm，矩陣共3 000行、1 300列，即矩陣的每行每列均代表土柱中的0.1 mm。統(tǒng)計(jì)矩陣每行0的個(gè)數(shù)除以1 300，即統(tǒng)計(jì)土柱豎直向剖面上每隔0.1 mm深度范圍內(nèi)的水分浸潤面積比，則可計(jì)算得到沿土柱0～30 cm不同深度處的水分浸潤面積比分布。豎向剖面水分浸潤面積比r豎為

(1)

式中：n為每行染色元素個(gè)數(shù)；n行為每行圖像像素個(gè)數(shù)，取1 300。

對(duì)于水平向染色二元圖像，則是直接統(tǒng)計(jì)黑色區(qū)域(即染色面積)所占半圓形剖面面積的比例。將土柱水平剖面染色面積比按不同深度繪制水分浸潤面積分布曲線圖。水平剖面水分浸潤面積比r橫為

(2)

式中：s為半圓形剖面中的染色面積;st為半圓形剖面總面積。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對(duì)豎直向與水平向染色結(jié)果分析并相互驗(yàn)證，可獲得土柱優(yōu)勢(shì)滲流特性。

3.1 豎直向染色數(shù)據(jù)分析

將染色剖面等分離散，分別統(tǒng)計(jì)不同深度處的水分浸潤面積比(即每隔0.1 mm深度范圍內(nèi)染色元素的個(gè)數(shù))，處理后的各豎直向剖面優(yōu)勢(shì)流入滲路徑及水分浸潤面積比隨深度變化曲線如圖3所示。

圖3 原狀土柱與擾動(dòng)土柱豎直向染色剖面處理結(jié)果

由圖3可知：

(1)原狀土柱表層(0～3 cm)染色程度高達(dá) 80%以上，這是由于表層土較為均勻，水分以均質(zhì)流的形式下滲，因此水分浸潤面積比在80%～100%區(qū)間為基質(zhì)流主要發(fā)生區(qū)域。高染色區(qū)域以下為優(yōu)勢(shì)流主要發(fā)生區(qū)域，優(yōu)勢(shì)流發(fā)育顯著且均穿透整個(gè)土柱。計(jì)算每個(gè)剖面的平均浸潤比，統(tǒng)計(jì)剖面中浸潤比0至平均浸潤比值的區(qū)間占比以評(píng)價(jià)各土柱優(yōu)勢(shì)流發(fā)育的相對(duì)程度，該區(qū)間越大則表明優(yōu)勢(shì)流發(fā)育越顯著。

(2)重塑土柱表層0～3 cm范圍內(nèi)的水分浸潤面積比幾乎接近100%，并沒有再向下繼續(xù)滲流，其水流模式為活塞流。在整個(gè)土柱剖面范圍內(nèi)，重塑土柱剖面的水分浸潤占比約為10%～20%。

原狀土柱豎直向染色數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 原狀土柱豎直向染色數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表2可知：原狀土1深度范圍內(nèi)發(fā)生優(yōu)勢(shì)流的比例較大；而原狀土3在發(fā)生優(yōu)勢(shì)滲流的同時(shí)，由大孔隙向周圍基質(zhì)域擴(kuò)散的水分量較多，僅產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)流的區(qū)間相對(duì)較少。

原狀土1具有較長且方向豎直的大孔隙，通道寬度大于其余土柱，連通性與開啟程度較好，水分經(jīng)優(yōu)勢(shì)通道垂直快速入滲，幾乎未與周圍基質(zhì)發(fā)生作用。

原狀土2的土柱剖面剛好切到大孔隙的縱向，因此其染色空間分布與其他原狀土柱不同，剖面中清晰可見夾有黑色充填物的大孔隙切面。此大孔隙在規(guī)模上比其他2個(gè)試樣大很多，但是它在一定區(qū)域內(nèi)發(fā)展，沒有完全向下貫通，屬于底端大部分封閉的死端孔隙，影響水分向下傳遞的速率，但提供了較大空間可滯留大量水分在相對(duì)長的時(shí)間內(nèi)向周圍基質(zhì)區(qū)域擴(kuò)散，所以與基質(zhì)區(qū)域的水分交換能力較強(qiáng)。

原狀土3的整個(gè)剖面中優(yōu)勢(shì)通道分布不規(guī)律且方向各異，水分沿優(yōu)勢(shì)通道呈水平、垂直、傾斜方向入滲。大孔隙寬度較小，開啟程度與連通性較差，導(dǎo)致了水分無法快速滲流而是向周圍基質(zhì)緩慢擴(kuò)散，即優(yōu)勢(shì)流與基質(zhì)域之間發(fā)生了充分的相互作用。

3.2 水平向染色數(shù)據(jù)分析

分別在土柱深度為0、5、15、25、30 cm處獲取半圓狀水平向染色剖面以觀察到不同深度水平方向水分浸潤的情況，繪制各土柱水平剖面水分浸潤面積比隨深度變化曲線，如圖4所示。

圖4 原狀土柱水平向剖面浸潤面積比隨深度變化規(guī)律

3個(gè)原狀土柱在15 cm深度處的水平染色剖面如圖5所示。每個(gè)分圖上部為染色剖面的照片，下部為對(duì)應(yīng)的二元位圖。

圖5 原狀土柱15 cm深度水平向染色剖面

重塑土柱在淺部整個(gè)染色深度范圍內(nèi)，水平剖面均全部染色，其水流模式為活塞流。

3個(gè)原狀土柱在 0～2 cm 深度范圍內(nèi)，水平剖面水分浸潤面積比均接近100%，表明土柱表層的水分入滲以基質(zhì)流為主，這與豎直向染色剖面分析規(guī)律一致。通過對(duì)比不同深度水平剖面的水分浸潤面積比變化情況可知，原狀土1水平染色面積較小且隨深度變化起伏不大，主要集中在大孔隙處；原狀土2與原狀土3在淺部(5 cm深度處)的染色面積較大，表明淺層土體中大孔隙向周圍基質(zhì)區(qū)域傳遞的水分量較大；土柱深度5 cm以下，原狀土2染色面積比隨深度增大呈降低趨勢(shì)，且降低幅度較大；原狀土3染色面積隨深度增大也呈降低趨勢(shì)，但下降幅度較原狀土2小，總體染色面積大于原狀土2。

由圖5可知染色區(qū)域從大孔隙中心向周圍擴(kuò)散且顏色逐漸變淺，即水分入滲過程中形成以優(yōu)勢(shì)通道為中心，向周圍基質(zhì)域逐漸擴(kuò)散的滲流場(chǎng)。原狀土1中大孔隙的開啟程度較好，寬度較大，水分主要集中于優(yōu)勢(shì)通道處快速下滲，與基質(zhì)域交換的水分量較少；原狀土2的優(yōu)勢(shì)通道雖規(guī)模較大，但從水平剖面中可知該土柱中大孔隙分布較少且含有黑色碎屑狀的填充物，水分只能通過單獨(dú)孔隙下滲；而原狀土3中大孔隙發(fā)育較分散，水分可通過多個(gè)孔隙下滲并向基質(zhì)域擴(kuò)散。

綜上所述，水平向剖面中水分浸潤面積大小順序?yàn)樵瓲钔?>原狀土2>原狀土1，水平向水分浸潤面積越大則表示優(yōu)勢(shì)流向周圍基質(zhì)傳遞的水分越多，即大孔隙域與基質(zhì)域之間的水分交換能力越強(qiáng)。因此原狀土柱大孔隙域與基質(zhì)域之間的水分交換能力強(qiáng)弱順序?yàn)樵瓲钔?>原狀土2>原狀土1。

3.3 土柱底部出流量變化規(guī)律分析

降雨染色示蹤試驗(yàn)過程中同時(shí)測(cè)定土柱底部出流量隨時(shí)間的變化規(guī)律，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)判定各原狀土柱的優(yōu)勢(shì)流特性。

試驗(yàn)過程中，在土柱下方設(shè)置反濾層并動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)土柱在降雨過程中的底部出流量，記錄各原狀土柱的初始出流時(shí)間、累積出流體積。具體出流數(shù)據(jù)如表3所示，出流量隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。

表3 土柱降雨染色示蹤試驗(yàn)底部出流結(jié)果

圖6 原狀土柱底部出流量隨時(shí)間變化規(guī)律

在本次試驗(yàn)期間，土柱底端早期并沒有出流，而是待土柱中優(yōu)勢(shì)通道及優(yōu)勢(shì)流擴(kuò)散的基質(zhì)區(qū)域接近飽和時(shí)開始有出流量。 該現(xiàn)象表明雨水并未直接通過大孔隙快速向下傳遞至底端，而是先在表層基質(zhì)域中下滲，遇到大孔隙時(shí)，基質(zhì)域中的水分優(yōu)先向大孔隙傳遞，在大孔隙內(nèi)下滲至一定深度后，因土柱內(nèi)部大孔隙間的連通性不足且沒有直接貫通至土柱底端，水分則會(huì)發(fā)生側(cè)向入滲至基質(zhì)域，隨基質(zhì)域與大孔隙域之間反復(fù)的水分交換，水分逐漸向下運(yùn)移直至土柱底部優(yōu)勢(shì)通道及優(yōu)勢(shì)流擴(kuò)散區(qū)域接近飽和后出流。此外，土柱中大孔隙開啟程度較小，并且部分大孔隙中含有填充物，也是導(dǎo)致水分無法快速下滲排泄的因素。

由圖6可知，原狀土柱底部出流量隨時(shí)間變化規(guī)律基本可分為3個(gè)階段，分別是快速出流階段(直線上升段)、緩慢出流階段(拐彎斜率變緩段)、停止出流階段(水平直線段)。

在快速出流階段，雨水沿優(yōu)勢(shì)通道快速下滲，同時(shí)向周圍土體中的微小孔隙擴(kuò)散，隨水分在大孔隙域與基質(zhì)域之間反復(fù)交換運(yùn)移至土柱底部并出流；在緩慢出流階段，優(yōu)勢(shì)通道中的水分基本已全部下滲，賦存在基質(zhì)域飽和孔隙中的水分在滲流力與重力作用下緩慢向下滲流至土柱底部出流。因此，直線上升段主要為土柱優(yōu)勢(shì)流發(fā)生時(shí)期。

3.4 土樣出流量與優(yōu)勢(shì)通道發(fā)育程度的關(guān)系

土柱底部出流情況不僅與土柱內(nèi)部的優(yōu)勢(shì)通道發(fā)育模式有關(guān)，還受優(yōu)勢(shì)流與基質(zhì)域之間水分交換能力的影響。

土柱的初始出流時(shí)間與最大出流速率與土柱內(nèi)部大孔隙發(fā)育程度(即優(yōu)勢(shì)通道的寬度、方向及貫通性)有關(guān)。由表3中數(shù)據(jù)以及圖6可知初始出流時(shí)間最早的是原狀土1，其次是原狀土2，最后是原狀土3，最大出流速率大小順序?yàn)樵瓲钔?>原狀土2>原狀土3。由此可知，原狀土1內(nèi)部大孔隙發(fā)育程度較強(qiáng)，即大孔隙的開啟程度與貫通性好，孔隙發(fā)育方向與入滲方向相同，有利于水分快速下滲出流；原狀土2和原狀土3中大孔隙間的連通性不足，無法直接貫通至土柱底部，孔隙內(nèi)含充填物或開啟程度較差及孔隙發(fā)育方向各異、分布雜亂，均對(duì)水分下滲速率有不同程度的影響。

由于各原狀土柱均設(shè)置雨強(qiáng)為30 mm/h，降雨1 h，降雨量一致，因此可以根據(jù)累積出流體積判斷大孔隙域與基質(zhì)域之間的水分交換能力，優(yōu)勢(shì)通道與基質(zhì)域之間的水分交換能力越強(qiáng)，則越多雨水通過大孔隙傳遞并賦存于基質(zhì)域中，導(dǎo)致出流量減少。由表3可知原狀土柱大孔隙域與基質(zhì)域之間的水分交換能力強(qiáng)弱順序?yàn)樵瓲钔?>原狀土2>原狀土1。表明優(yōu)勢(shì)通道分布多且不均勻，大孔隙開啟程度較小，連通性較差的模式下，可促進(jìn)優(yōu)勢(shì)流與基質(zhì)域之間水分交換。

3.5 綜合評(píng)價(jià)

實(shí)測(cè)土柱底部的水分出流結(jié)果可真實(shí)反映各原狀土柱優(yōu)勢(shì)通道發(fā)育模式以及優(yōu)勢(shì)流與基質(zhì)域之間水分交換能力強(qiáng)弱順序，其評(píng)價(jià)結(jié)果與前述染色剖面分析判定結(jié)果相同，因此驗(yàn)證了該降雨染色評(píng)價(jià)分析方法的有效性。

在取樣區(qū)相隔5 m范圍內(nèi)選取的3個(gè)原狀土樣，各土柱橫縱剖面之間的水分浸潤模式均存在明顯差異，表現(xiàn)出發(fā)育完全不一樣的孔隙分布特征，說明孔隙的發(fā)育模式在空間上存在極大的非均勻性?？紫痘蚍较蛞欢ā⑵街必炌?；或方向雜亂，相互交疊；或孔隙發(fā)育較大，但不貫通。不同的發(fā)育模式產(chǎn)生的優(yōu)勢(shì)流效應(yīng)完全不同。同時(shí)，該試驗(yàn)分析結(jié)果也表明大孔隙等優(yōu)勢(shì)通道在局部飽和狀態(tài)下可被激活，優(yōu)勢(shì)滲流模式由被激發(fā)的大孔隙控制，大孔隙的分布與特征差異導(dǎo)致滲流模式的不同，邊界條件對(duì)其影響較小。

該方法補(bǔ)充了目前在原狀土大孔隙流方面的研究內(nèi)容，具有易觀測(cè)、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，但有一定的尺度局限性。

4 結(jié) 論

本文借助染色示蹤劑開展降雨入滲試驗(yàn)，對(duì)土柱內(nèi)部不同大孔隙發(fā)育特征對(duì)優(yōu)勢(shì)流發(fā)展及水分入滲通量的影響進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)論：

(1)雨水在土柱表層的入滲以均質(zhì)流(活塞流)為主，以下區(qū)域的入滲主要為優(yōu)勢(shì)滲流，水分運(yùn)移過程主要為基質(zhì)域與大孔隙域之間反復(fù)的水分交換并逐漸下滲，其中優(yōu)勢(shì)通道主要包括蟲洞植物根系大孔隙和土體干濕循環(huán)形成的裂縫狀大孔隙。

(2)當(dāng)發(fā)育的大孔隙開啟程度較好，分布規(guī)則單一，方向性明顯時(shí)，則優(yōu)勢(shì)流會(huì)快速通過，與基質(zhì)交換能力弱，且隨深度沒有明顯變化；當(dāng)大孔隙寬度較小，分布不規(guī)則，方向各異，則與基質(zhì)交換能力強(qiáng)，但交換能力隨深度逐漸減弱。

由于發(fā)育方向交錯(cuò)縱橫，優(yōu)勢(shì)流現(xiàn)象被削弱。某些孔隙雖發(fā)育規(guī)模較大，但并沒有上下貫通，屬于死端孔隙，對(duì)優(yōu)勢(shì)流的運(yùn)移作用不大，但可滯留較多水分，增強(qiáng)了與周圍基質(zhì)的水分交換能力。

(3)孔隙的發(fā)育模式在空間上存在極大的非均勻性，優(yōu)勢(shì)滲流模式由大孔隙特征控制，則優(yōu)勢(shì)流也具有高度的三維空間變異性。