黃土優(yōu)勢滲流研究進展與展望

孫恒飛，朱興華，成玉祥，張智鋒，張卜平，蔡佳樂

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054； 2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

黃土是一種特殊的第四紀(jì)沉積的松散堆積物，在我國堆積形成了世界上分布最集中、占地面積最廣的黃土高原區(qū)。該區(qū)域土性結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地形地貌破碎、山脈縱橫交錯，所以造成地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國每年約有30%的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在約占國土面積6%的黃土高原區(qū)，災(zāi)害數(shù)量多，機理復(fù)雜[2]。

“十水九滑，無水不滑”，在地質(zhì)災(zāi)害眾多誘發(fā)成因中，水是主控因素之一，眾多學(xué)者也對此做出了大量的研究。徐張建等[3]對黃土滑坡的分布規(guī)律和地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征進行總結(jié)，認為持續(xù)降雨或暴雨及大面積灌溉是主要誘因之一。巨玉文等[4]認為山西西部滑坡、泥石流等黃土地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與降雨有密切聯(lián)系。Dominik等[5]對黃土地表徑流災(zāi)害及徑流在災(zāi)害形成過程中的作用進行研究和實例分析。Gu等[6]分析灌溉前后邊坡滲流場和穩(wěn)定性的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)灌溉會改變邊坡內(nèi)部的孔隙水壓力分布，使地下水位快速上升，嚴(yán)重影響邊坡穩(wěn)定性。龍建輝等[7]通過數(shù)值模擬分析認為地下水滲流是滑坡變形破壞的啟動因素和決定因素。同時水也是黃土地區(qū)災(zāi)害鏈形成的重要激發(fā)因子，是災(zāi)害鏈演化后期固體物質(zhì)運移的載體，對黃土水力侵蝕—滑坡—泥流災(zāi)害鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)、演化機理的研究也很重要[8-9]。另外黃土是一種特殊土，不同于其他類型土體，黃土在形態(tài)上具有直立性，結(jié)構(gòu)上孔隙較為發(fā)育；此外黃土還具有獨特的水敏性、濕陷性及崩解性等水理特性，這些黃土特殊的性質(zhì)都嚴(yán)重影響著地表水的入滲方式和形態(tài)，使得地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生往往與水及黃土工程地質(zhì)特性的影響密不可分。

然而，黃土地區(qū)的大型黃土地質(zhì)災(zāi)害涉及范圍廣、深度深。而據(jù)試驗表明地表水在黃土中的入滲深度有限，且入滲緩慢，并不影響深部的含水率[10]。那么，在黃土地區(qū)水是如何快速進入、以何種形式進入土體深部來改變土體性質(zhì)致災(zāi)害發(fā)生是一個十分重要的科學(xué)問題。因此黃土優(yōu)勢入滲及優(yōu)先流研究成為一項重要的熱點研究課題。本文主要通過論述優(yōu)勢通道及優(yōu)先流的類型劃分，探索黃土地區(qū)優(yōu)勢通道形成原因及優(yōu)先流的影響因素；對現(xiàn)今優(yōu)勢滲流的研究方法、滲流模型進行歸納分析，最后總結(jié)探討黃土優(yōu)勢滲流研究的不足及未來發(fā)展方向。

1 優(yōu)先流定義及研究歷程

國內(nèi)外學(xué)者對優(yōu)先流的定義有很多，但整體上大同小異。優(yōu)先流是指水流及溶質(zhì)沿著孔隙、裂隙等原生或次生通道等導(dǎo)水能力強的滲透路徑，繞過土壤基質(zhì)，以違背達西定律的形式，快速到達土體深部和地下水的一種非平衡流現(xiàn)象[11-12]。這種導(dǎo)水能力強的滲透路徑即為優(yōu)勢通道，而優(yōu)先流沿著優(yōu)勢通道快速下滲致土體深部的過程即為優(yōu)勢入滲。從優(yōu)先流的定義上可以看出優(yōu)先流的兩大重要特性：一是優(yōu)先流是一種非平衡流；二是優(yōu)先流的下滲必須通過優(yōu)勢通道。

早在19世紀(jì)優(yōu)先流就已被發(fā)現(xiàn)，但缺乏充分的理論研究，直到Beven等[13]在20世紀(jì)末針對土壤內(nèi)大孔隙流及溶質(zhì)的運移特征進行試驗研究、定量分析，使優(yōu)先流研究漸漸得到重視。最初主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程方面，針對土壤中水及溶質(zhì)的運移過程機制進行研究。Vervoort等[14]認為優(yōu)先流與土體結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，通過現(xiàn)場監(jiān)測與土體染色穿透試驗分析土壤結(jié)構(gòu)影響下的水及溶質(zhì)的運移規(guī)律。馮杰等[15]應(yīng)用CT掃描、數(shù)值模擬等方法對優(yōu)先流在大孔隙土壤中的運移機制進行深入探究。郭會榮等[16]通過降雨入滲試驗、室內(nèi)土柱穿透曲線試驗等手段定性定量的分析了優(yōu)先流的入滲補給特征及溶質(zhì)運移規(guī)律。

20世紀(jì)是優(yōu)先流迅猛發(fā)展的一個時期，經(jīng)過一個世紀(jì)的發(fā)展，優(yōu)先流的相關(guān)研究有了飛躍式的突破：基本健全了優(yōu)先流的流動機制、總結(jié)了優(yōu)先流的影響因素、拓展了優(yōu)先流研究的技術(shù)方法及構(gòu)建了優(yōu)先流的滲流模型。Beven等[17]總結(jié)了1864到1984這一個多世紀(jì)的優(yōu)先流研究進展與成果，對優(yōu)先流的發(fā)展歷程及未來研究問題進行詳細論述，有很重要的指導(dǎo)意義。到了21世紀(jì)，優(yōu)先流和優(yōu)勢入滲研究領(lǐng)域不斷拓展，逐漸應(yīng)用于水文、地質(zhì)、環(huán)境科學(xué)等方面。

黃土地區(qū)的優(yōu)勢入滲致災(zāi)機理研究就是其中一大方面。在斜坡地帶地下管流的存在導(dǎo)致地下水快速富集和孔隙水壓力的增加，是產(chǎn)生滑坡的主要原因之一[18-19]。Hencher等[20]通過實例說明地下優(yōu)勢滲流通道系統(tǒng)對滑坡的類型及形成時間有很大的影響。曾磊等[21]通過降雨模型試驗表明黃土邊坡失穩(wěn)的原因是雨水沿優(yōu)勢通道到達土體深部的隔水層，導(dǎo)致上層滯水。彭建兵等[22]指出黃土地區(qū)的一個關(guān)鍵科學(xué)問題，即優(yōu)勢通道是如何控制降雨和地表水入滲，水進入土體后怎樣改變區(qū)域水文條件和應(yīng)力狀態(tài)以致黃土地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。張茂省等[23]指出對優(yōu)先流的運移規(guī)律及定量刻畫方法研究是水致黃土滑坡研究中很重要的一環(huán)。馬鵬輝等[24]對蔣劉黃土滑坡研究中發(fā)現(xiàn)滑坡區(qū)節(jié)理裂隙等優(yōu)勢通道發(fā)育，使地表水快速補給地下水導(dǎo)致區(qū)域潛水位抬升，邊坡失穩(wěn)。

優(yōu)先流是一種非平衡流，優(yōu)勢入滲規(guī)律復(fù)雜，涉及領(lǐng)域廣泛?，F(xiàn)今有許多學(xué)者對黃土優(yōu)勢滲流的致災(zāi)機理進行深入探究，但仍存在很大的爭議與未解決的問題。需要進步研究優(yōu)先流在土體內(nèi)部的流動規(guī)律及與土的相互作用，進而完善黃土地區(qū)優(yōu)勢入滲致災(zāi)機理。

2 優(yōu)勢滲流分類研究

2.1 優(yōu)勢通道分類研究

優(yōu)勢通道是指能使降水及地表水快速滲入土體深部的集水通道。黃土因特殊的結(jié)構(gòu)和水敏性導(dǎo)致垂直裂隙發(fā)育、顆粒隨機排列、粒間孔隙多樣等特征[25]。因此形成了各種形態(tài)不同、大小不同、性質(zhì)不同的優(yōu)勢通道。按規(guī)模大小可以將優(yōu)勢通道劃分為宏觀、細觀及微觀優(yōu)勢通道[26]。也可以根據(jù)土壤水分特征曲線中孔徑與基質(zhì)吸力的關(guān)系對黃土的大孔隙和小孔隙進行界定，對土壤大孔隙進行形態(tài)學(xué)分類[27]。按發(fā)育特征將優(yōu)勢通道劃分為均勻介質(zhì)、優(yōu)勢介質(zhì)及灌入介質(zhì)，研究3種優(yōu)勢通道下的優(yōu)先流入滲特征[28]。

根據(jù)先前學(xué)者的研究總結(jié)，可以將黃土優(yōu)勢通道按形態(tài)劃分為面狀、管狀及粒間優(yōu)勢通道。面狀優(yōu)勢通道以黃土發(fā)育的結(jié)構(gòu)面為主，包括節(jié)理、裂隙等，見圖1( a )，形成的主要原因是黃土具有直立性、破碎性，這會使黃土垂直節(jié)理及拉張裂隙發(fā)育。王景明等[29]對黃土節(jié)理進行分類，并深入研究構(gòu)造節(jié)理的力學(xué)性質(zhì)及區(qū)域性特征。盧全中等[30-31]對黃土體結(jié)構(gòu)面進行了綜合分類及災(zāi)害效應(yīng)剖析，指出黃土結(jié)構(gòu)面是地下水的運移通道和儲存場所。同時地表水也會通過垂直節(jié)理等黃土結(jié)構(gòu)面進入土體內(nèi)部，使黃土塊體重度加大、強度降低，從而導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生[32]。

圖1 優(yōu)勢通道分類模型圖Fig.1 Classification model diagram of preferential passage

管狀優(yōu)勢通道以黃土洞穴(落水洞、暗穴等)、根孔及蟲洞為主，見圖1(b)、(c)，主要原因是黃土具有水敏性，濕陷性及崩解性等水理特性。水敏性使黃土的結(jié)構(gòu)特性遇水顯著降低，易遭受侵蝕或掏蝕，形成洞穴；濕陷性會影響黃土的沉降，尤其是自重濕陷性是黃土洞穴產(chǎn)生的最直接因素；崩解性可使黃土易被侵蝕搬運，加速黃土洞穴的形成與發(fā)展[33]。鄒錫云[34]等對黑方臺的黃土洞穴分布及特征進行調(diào)查，分析洞穴災(zāi)害的主要影響因素。李喜安等[35]，Peng等[36]討論了黃土高原黃土洞穴的分類特征，對其成因機制、發(fā)育規(guī)律及對地質(zhì)災(zāi)害的影響進行深入分析。張焱等[37]針對黃土洞穴發(fā)育地區(qū)對滑坡土體及穩(wěn)定性的影響進行深入分析。

粒間優(yōu)勢通道以黃土內(nèi)部孔隙為主，形成原因是黃土顆粒具有碎散性及粘聚性，見圖1( d )，黃土的碎散性使黃土內(nèi)部的孔隙發(fā)育，粘聚性使黃土顆粒形成團聚體，團聚體之間相互交錯分布形成土體骨架及孔隙，為水的入滲提供微觀通道。雷祥義等[38-39]利用掃描電鏡對黃土孔隙按成因和大小分別進行分類，并剖析各種孔隙結(jié)構(gòu)在不同區(qū)域及層位上的變化規(guī)律。彭建兵等[40]通過壓汞實驗獲得黃土孔徑分布圖，找到了黃土微孔隙、粒間孔隙、架空孔隙及大孔隙的分界點。

不同形態(tài)的黃土優(yōu)勢通道形成演化機制會不同，其優(yōu)先流的流動機制和規(guī)律會不同，對地質(zhì)災(zāi)害的影響程度也會有所不同。優(yōu)勢通道是水快速進入土體內(nèi)部的媒介，對優(yōu)勢通道的研究是黃土優(yōu)勢滲流致災(zāi)研究中不可或缺的一部分，現(xiàn)優(yōu)勢通道主要針對宏觀—細觀—微觀不同尺度下的滲流特征及分布形態(tài)特征進行研究。而對探究不同形態(tài)下優(yōu)勢通道中優(yōu)先流的流動規(guī)律、對土體強度性質(zhì)的影響及在導(dǎo)水過程中的演變機制和變化趨勢研究較少，是未來黃土地質(zhì)災(zāi)害研究的一個重點。

2.2 優(yōu)先流分類研究

優(yōu)先流是水流通過優(yōu)勢通道快速下滲的一種非平衡流，由于形成機理及濕潤峰不同，其入滲模式也不同且種類較多，并具有不同反映現(xiàn)象的名稱，如大孔隙流、指流、漏斗流、非飽和重力流、溝槽流、異質(zhì)流、擺動流等[42-43]?，F(xiàn)優(yōu)先流研究主要在大孔隙流、指流及漏斗流方面，本文主要針對此3種形態(tài)的優(yōu)先流進行論述。

2.2.1 大孔隙流

在優(yōu)先流研究中，大孔隙流研究比較普遍且深入。大孔隙流( macropore flow )指水繞過結(jié)構(gòu)密實、滲透率低的土壤基質(zhì)，沿著根孔、節(jié)理裂隙等導(dǎo)水能力強的大孔隙下滲的非平衡流[44]，滲流模型見圖2。

圖2 大孔隙流滲流模型[13]

Lawes等[45]發(fā)現(xiàn)部分地表水通過大孔隙快速入滲，且論證了大孔隙流的存在。隨后許多學(xué)者對大孔隙流進行深入研究。吳繼強等[46]基于模型試驗從大孔隙深度及有效面孔隙度兩個角度分析大孔隙在非飽和土中對水及溶質(zhì)運移規(guī)律的影響。Alberti等[47]建立三維滲流模型，采用數(shù)值模擬對飽和土中大孔隙流的流動特性、溶質(zhì)運移進行表征，結(jié)果表明：大孔隙密度與優(yōu)先流強度呈線性相關(guān)。高朝俠等[48]通過土柱入滲試驗探究大孔隙扭曲性及連通性對水分遷移的影響，構(gòu)建大孔隙流雙重滲透模型，模擬濕潤鋒的運移特征。盛豐等[49-50]運用離子示蹤法開展?jié)B流試驗，探究土壤中大孔隙的發(fā)育特征及溶質(zhì)的運移規(guī)律，論述了大孔隙流和指流的研究進展、模型理論及研究方法。大孔隙流是優(yōu)先流研究中最廣泛、最深入、最具代表性的一種非平衡流，對其研究也是優(yōu)先流研究中最關(guān)鍵、最重要的一部分。

2.2.2 指流

指流( finger flow )是土體中普遍存在一種非平衡流運移形式，是指水在非飽和土體中遷移時繞過大部分土壤基質(zhì)，并由于各土層性質(zhì)的差異，使?jié)駶欎h非均勻下移，呈“指狀”或“舌狀”的流動現(xiàn)象[51]，滲流模型見圖3。

圖3 指流滲流模型

指流的形成機理主要在于滯留空氣壓力的作用、分層土壤、疏水性土壤及土壤水力學(xué)特性的空間變異性四個方面[44]。Glass等[52-53]通過室內(nèi)雙層沙土積水試驗，證明在分層土壤下極易發(fā)生指流現(xiàn)象；并探究指流直徑和指尖流速之間的規(guī)律，結(jié)果表明：流速越大，指流直徑越大。張建豐等[54-55]通過入滲試驗和數(shù)值模擬對黃土層狀結(jié)構(gòu)土中指流的現(xiàn)象、發(fā)生機理及產(chǎn)生條件進行研究，揭示了水流在層狀結(jié)構(gòu)土壤中的入滲規(guī)律；針對不同粒徑的砂質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)土進行入滲試驗，表明指流發(fā)生的兩個主控因素為水流的穩(wěn)滲率及土體的飽和導(dǎo)水率。攔繼元等[56]對指流的形成機理及影響因素進行試驗研究，表明指流在土性及飽和導(dǎo)水率差異大的層狀土壤中易發(fā)生，均勻土中不會發(fā)生。Wang等[57]通過室內(nèi)土柱滲透試驗，探究了層狀土中指流的發(fā)生機理、指流的流動規(guī)律及滲透參數(shù)的變化規(guī)律。目前指流研究主要集中在發(fā)生條件、影響因素等方面，指流對土性的影響及致災(zāi)機理研究較少，需要進一步探究。

2.2.3 漏斗流

漏斗流( funnel flow )是指在土體剖面中有一個或幾個粗碎屑夾層，當(dāng)水流入滲到達夾層后將沿夾層的表面傾斜流動至斜夾層的下端，水流匯集，隨后濕潤鋒以“漏斗”形態(tài)垂直向下運移的非平衡流[58]，滲流模型見圖4。

圖4 漏斗流滲流模型Fig.4 Seepage model of funnel flow

漏斗流是優(yōu)先流的一種，對漏斗流的研究相對較少。Ju等[59-60]等通過數(shù)值模擬，調(diào)查研究了滲流帶中污染物的運移如何受到漏斗型優(yōu)先流的影響；確定穩(wěn)態(tài)漏斗型優(yōu)先流的特性，以及它如何受到入滲速率、土層密度和結(jié)構(gòu)組合的影響。Kung等[61]對漏斗流的形成機理及對溶質(zhì)的運移影響進行研究，還研究了漏斗流的流動模式以及滯后效應(yīng)對漏斗現(xiàn)象的影響。漏斗流多發(fā)生在砂質(zhì)土壤中，對水分及溶質(zhì)的運移有很大的影響，是黃土地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的誘因之一。

近些年來對各類型優(yōu)先流的形成機理、滲流特征已進行了大量研究，且取得了很大的進展和成果。但優(yōu)先流研究主要集中在大孔隙流方面，對其他優(yōu)先流的滲流規(guī)律及發(fā)育機制研究較少，知識體系不健全，在未來黃土優(yōu)勢入滲研究中需要進一步探索。

3 優(yōu)勢滲流研究方法

3.1 試驗觀測法

試驗觀測法是指運用一定的技術(shù)手段對黃土地區(qū)優(yōu)勢滲流及優(yōu)先流現(xiàn)象進行觀測，對優(yōu)勢通道及流動規(guī)律進行定性和定量的分析。按照試驗方法對土體的擾動程度，可分為擾動型和非擾動型兩種類型。

非擾動試驗是指在試驗過程中對土體的擾動程度很小或沒有擾動，主要包括掃描技術(shù)、探地雷達法及高密度電法等。擾動試驗指對土體結(jié)構(gòu)造成破壞，使土體不能保持原狀，主要包括示蹤法、穿透曲線法及張力滲透儀法等。對近些年來優(yōu)先流的試驗研究總結(jié)歸納見表1。

表1 優(yōu)先流試驗研究總結(jié)表Table1 Summary table of preferential flow experimental studies

試驗觀測法在優(yōu)先流研究中有數(shù)據(jù)易采集分析，結(jié)果直觀的優(yōu)點。但同時也具有尺度效應(yīng)和邊界效應(yīng)的問題，另外擾動性試驗破壞了土體結(jié)構(gòu)，與實際可能存在較大的誤差。盡可能的減弱或消除兩者的影響是將來優(yōu)先流試驗研究的一個重點。

3.2 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法是指通過建立優(yōu)勢滲流模型及滲流方程，利用數(shù)值軟件來模擬水及溶質(zhì)在土體內(nèi)的運移特征，是優(yōu)先流研究非常重要的一個手段。

吳慶華等[69-70]通過HYDRUS的雙滲透模型(基質(zhì)域和大孔隙域)模擬優(yōu)先流發(fā)育過程，表明優(yōu)先流入滲速率與降雨強度呈正相關(guān)，地下水入滲補給以優(yōu)先流為主。同霄等[71]基于顆粒離散元法對降雨入滲過程裂縫的幾何形態(tài)變化進行數(shù)值模擬，分析優(yōu)先流的致災(zāi)機理。Rahbeh等[72]通過HYDRUS的單孔隙和雙孔隙模型模擬優(yōu)先流的垂直滲流過程，表明土體表層的優(yōu)先流控制了土壤水分的垂直運動。趙寬耀等[73]通過COMSOL模擬分析優(yōu)勢流和基質(zhì)流共同作用下不同灌溉強度下水的入滲特征，表明灌溉強度大時，入滲以優(yōu)先流為主導(dǎo)，基質(zhì)中的滲流為非飽和入滲；灌溉強度小時，入滲以飽和狀態(tài)的基質(zhì)流為主導(dǎo)，優(yōu)先流為非飽和入滲。Filipovic等[74]等結(jié)合染色示蹤法及HYDRUS的雙滲透模型以原狀土柱為對象對土壤中的多孔體系及優(yōu)先流動路徑進行模擬研究。

近年來，隨著對優(yōu)先流研究的深入，HYDRUS、PFC、COMSOL等數(shù)值軟件被不斷完善和廣泛應(yīng)用，土體內(nèi)部的優(yōu)勢入滲現(xiàn)象擬合也愈來愈好，但若選取的入滲模型不同，得出的結(jié)果也不相同，且有的模型參數(shù)難以獲取。因此對于優(yōu)勢入滲研究，要完善優(yōu)勢入滲模型，建立統(tǒng)一的模型參數(shù)獲取方法；要試驗法與數(shù)值模擬相互結(jié)合，互相補充。

4 優(yōu)先流入滲模型

為了更好的定量探究土體中優(yōu)先流對水分遷移的影響及溶質(zhì)的運移規(guī)律，學(xué)者們建立了許多描述土體優(yōu)先流的入滲模型，常見的優(yōu)先流模型可分為兩域模型、多域模型及其他模型。

4.1 兩域模型

兩域模型是假定土由由基質(zhì)域和孔隙域構(gòu)成，對兩域采用特定的水流控制方程和溶質(zhì)運移方程來模擬優(yōu)先流在土體中的入滲現(xiàn)象。兩域模型又可大致分為兩類，一類是水在孔隙域中運移，而在基質(zhì)域中基本不流動的流動—非流動型；另一類是水及溶質(zhì)在兩域中都可以運移，但在兩域中運移速度不同的流動—流動型，這類模型普遍都認為水在基質(zhì)域中的運移符合達西定律[44]，滲流特征見圖5。

圖5 兩域模型示意圖[75]Fig.5 Schematic diagram of two domain models [75]

兩域模型研究較為廣泛，代表模型很多，極大的拓寬了優(yōu)先流的滲流研究。Skopp等[76]對兩域中的水及溶質(zhì)運移采用對流彌散方程來表示，用F表示孔隙域，S表示基質(zhì)域，方程如下：

(1)

(2)

式中：VF，VS為水及溶質(zhì)在兩域的流速，VF>VS；cF，cs為兩域中的溶質(zhì)濃度；θF，θS為兩域中的體積含水量；DF，DS為兩域的彌散系數(shù)；α為兩域之間的交換系數(shù)。

該模型可以很好的模擬兩域間水及溶質(zhì)的交換和運移，且當(dāng)VS趨近零時，該模型可簡化為流動—非流動型；當(dāng)α趨近零時，可簡化為孔隙簇模型[44]。相較于此，Wallach等[77]也構(gòu)建了類似模型，Wallach將土體分為流動孔隙域和靜止孔隙域，且認為在結(jié)構(gòu)性較好的土體中只有流動孔隙域(由連通性較好的優(yōu)勢通道組成)和兩域周圍的基質(zhì)層參與溶質(zhì)的交換，并通過質(zhì)量守恒方程來描述運移交換特征，方程如下：

(3)

(4)

式中：c1，c2為流動孔隙域和基質(zhì)層中溶質(zhì)濃度；θ1，θ2為流動孔隙域和基質(zhì)層的體積含水量；q為水在流動孔隙域穩(wěn)定均勻時的流量；k為質(zhì)量傳遞系數(shù)；ε為無量綱參數(shù)。

該模型簡化了質(zhì)量守恒方程，其模型參數(shù)可以通過擬合土壤穿透曲線來獲得。當(dāng)參數(shù)ε趨近于零時，模型描述了基質(zhì)層無限匯聚的情況，相較于Skopp模型更加簡單，模型參數(shù)更易獲取。

兩域模型的機理比較簡單，對優(yōu)先流的滲流模擬較好，但也存在許多缺點：流動—非流動型模型與實際不符，水在基質(zhì)域中也存在滲流現(xiàn)象；模型中部分參數(shù)獲取比較困難；邊界條件的處理比較復(fù)雜等。

4.2 多域模型

多域模型是根據(jù)孔徑將土體劃分為多個孔隙域，各孔隙因壓力水頭及濃度不同而進行水及溶質(zhì)的交換運移，對每個孔隙域采用相應(yīng)的運移主控方程來模擬優(yōu)勢入滲現(xiàn)象[44]，滲流特征見圖6。Gwo等[78]將土體分為大孔隙域、中孔隙域及微孔隙域，建立多域模型。采用達西定律控制水流，方程如下：

圖6 多域模型示意圖[75]Fig.6 Schematic diagram of multi-domain models [75]

(5)

多域模型相較于兩域模型對于土體中水與溶質(zhì)的運移更為精確，但由于多域模型劃分土體比較精細，所需模型參數(shù)也比兩域模型多，且模型參數(shù)獲取更為復(fù)雜，所以多域模型研究較為困難，相較于兩域模型研究較少。

4.3 其他模型

除兩域模型和多域模型外，許多學(xué)者還引入了其他的模型來對優(yōu)先流的入滲規(guī)律進行研究。盛豐等[79]根據(jù)優(yōu)先流表現(xiàn)的階段特征和分形特征，構(gòu)建了兩區(qū)—兩階段模型。兩區(qū)分別為活動流場和不活動流場；兩階段是指活動流場在發(fā)展過程中會出現(xiàn)擴張和保持兩個階段。該模型模擬土體優(yōu)先流的最大特點是活動流場隨著土壤含水率的升高而擴張，是動態(tài)變化的，而水及溶質(zhì)在不活動流場是不運移的。擴張和保持階段的水流控制方程如下：

(6)

(7)

式中：θa，θi為活動流場和不活動流場的土壤含水率；Ka，ha為活動流場的非飽和水力傳導(dǎo)度和土壤勢頭；f為活動流場占整個流場的比例；fmax為活動流場擴張到最大時占整個流場的比例，與時間無關(guān)；raw為活動流場內(nèi)土壤水耗散和補充的速率。

Mallants等[80]利用一維數(shù)值流動模型模擬水流在含大孔隙的層狀土壤中的運移規(guī)律，將Monte-Carlo隨機法引入數(shù)值模擬中，構(gòu)建隨機模型。潘網(wǎng)生等[81]將逾滲理論與黃土微觀結(jié)構(gòu)研究相結(jié)合，構(gòu)建了黃土雙重逾滲模型來模擬研究黃土優(yōu)勢入滲的規(guī)律。朱建東等[75]結(jié)合分形導(dǎo)數(shù)理論對入滲模型進行改進，得到分形導(dǎo)數(shù)Richards 入滲模型與分形導(dǎo)數(shù)Green-Ampt模型，并對兩種模型進行對比評優(yōu)。除此之外還有多尺度平均模型、混合層模型及兩階段模型等。

優(yōu)先流模型的構(gòu)建是認清優(yōu)先流的流動機理及滲流規(guī)律中十分重要的一環(huán)，現(xiàn)今對于優(yōu)先流模型構(gòu)建已取得了顯著成果，但優(yōu)先流是一種非平衡流，對于其流動規(guī)律及滲流特征的控制方程仍需要進一步完善，且模型參數(shù)較多、難以精確獲取，亟待解決。

5 存在問題及研究展望

優(yōu)勢入滲是導(dǎo)致黃土地區(qū)發(fā)生重大地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因之一，對優(yōu)勢入滲和優(yōu)先流的研究也是近年來的研究熱點問題。但目前的研究仍存在許多問題亟待解決：

(1)優(yōu)勢通道的演變機理及致災(zāi)機理不清

優(yōu)勢通道研究是黃土優(yōu)勢入滲研究中不可或缺的一部分，本文將優(yōu)勢通道分為面狀優(yōu)勢通道、管狀優(yōu)勢通道及粒間優(yōu)勢通道。但對于優(yōu)勢通道與優(yōu)先流的互饋機制仍不清晰，黃土地區(qū)細微觀的孔隙、裂隙在優(yōu)先流作用下是如何擴展演化的，反之優(yōu)勢通道的演變對優(yōu)先流會產(chǎn)生什么影響，以及這種互饋機制在黃土地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生過程中發(fā)揮的作用仍需要進一步的探究。

(2)優(yōu)先流入滲機理及入滲模型研究不足

文中對優(yōu)先流進行分類研究，并對大孔隙流、指流及漏斗流研究進行論述，對其入滲模型及主控方程進行探討。目前優(yōu)先流研究主要集中在大孔隙流，且對優(yōu)先流在土體內(nèi)部的入滲流動形式及入滲機理有很大爭議。另外雖然現(xiàn)今提出了很多優(yōu)先流入滲模型，入滲模型很大部分將基質(zhì)域認定為剛性邊界，不隨優(yōu)先流的下滲而發(fā)生改變，實際存在很大的誤差，且主控方程方面也存有爭議。所以需要進一步健全優(yōu)勢入滲模型，探究不同類型的優(yōu)先流及不同類型優(yōu)勢通道下優(yōu)先流的入滲機理。

(3)優(yōu)勢入滲過程連續(xù)可視化監(jiān)測困難

優(yōu)勢入滲的方法可分為試驗法和數(shù)值模擬，試驗法不可避免會存在尺度效應(yīng)和邊界效應(yīng)，數(shù)值模擬與實際存在較大誤差。試驗法對于探究某一時刻的優(yōu)勢入滲及優(yōu)先流流動現(xiàn)象較容易實現(xiàn)，但對于實時連續(xù)監(jiān)測土體的入滲及流動現(xiàn)象還比較困難，實時監(jiān)測對于優(yōu)勢入滲研究十分重要，是一個急需攻克的難題。在將來優(yōu)勢入滲研究中要減少或克服尺度和邊界效應(yīng)，發(fā)展優(yōu)勢入滲實時觀測技術(shù)。

(4)優(yōu)勢入滲定量化研究困難

優(yōu)先流是一種背離達西定律的非平衡流，對非平衡流的定量化研究較為困難，現(xiàn)對于優(yōu)先流的研究主要集中于定性研究，許多學(xué)者對優(yōu)先流建立滲流模型，通過數(shù)值模擬來進行定量研究，但選取的模型及主控方程不同，結(jié)果也會存在差異，且模型及方程參數(shù)的選取比較困難，這也造成了定量化結(jié)果不準(zhǔn)確。這也是未來研究中需要解決的一個關(guān)鍵問題。

優(yōu)勢入滲和優(yōu)先流現(xiàn)象在黃土地區(qū)宏觀、細觀和微觀層面上都存在，所以未來對優(yōu)勢入滲和優(yōu)先流及優(yōu)勢通道的演變機制研究需要從宏觀—細觀—微觀3個方面進行研究，建立優(yōu)勢滲流致災(zāi)的鏈生機制，探究優(yōu)勢通道和優(yōu)先流的互饋機制及對黃土地質(zhì)災(zāi)害的致災(zāi)機理。