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农业水土工程新进展课程论文 —优先流问题综述 姓名：王铄 专业：农业水土工程 学号: 0908280957 优先流问题综述 0引言： 在20世纪70和80年代,多次发生“怪异”的污染现象。如1980年,居住在美国长岛东部的居民非常惊恐地发现,他们有大约1 000多个饮用水井被Aldicarb所污染,而这种杀虫剂通常用来杀死科罗拉多番茄瓢虫。熟悉当地情况的管理者对这种杀虫剂到达地下水如此快,并且如此高浓度很疑惑。长岛现象并不是个案,随后又多次有此类问题出现,即农用化学物质造成了地下水污染,并对人类生存造成严重威胁。 这种较高浓度的地下水杀虫剂现象,与笔者所谈的优先流现象密切相关。其实早在1864年研究入渗过程中的“大孔”现象就是优先流研究的开始,J. B. Lawes等人于1882年,通过排水实验,研究了这一现象。G. R. Free等人在1940年,研究了68种土壤的理化性质,发现入渗速率与非毛管孔隙度之间有一定的联系。1943年,Bodman等发现当水被加入到干旱土壤时,有一个特殊的湿润峰,其最大土壤含水量接近田间持水量。R. E. Horton认为, 土壤裂隙、虫孔和根孔,都能显著增加人渗。1952年,Hill分析得出多孔介质孔隙在重力驱动下存在非饱和流现象。上述研究,都是早期有关优先流的描述,但当时并未引起人们足够的重视。 从上述论述中,可以知道优先流是一种较为常见的土壤水分运动形式,与土壤入渗、地表及地下水质密切相关。开展优先流研究,是土壤水运动机制研究由均质走向非均质领域的标志。当优先流作为专业术语广泛地应用于表层水和地下水领域研究时,也以较高频率出现在科学和工程文献中,并得到了工业和制造业的承认,如制造业文献报道过土壤大孔隙具有提高和降低工业物质迁移效率的作用;在采矿业,优先流现象影响到采矿操作中尾料处理工作,将无污染物质放置于被断定是较易发生优先流的地方,以减少有害物质的渗流量。 1 优先流基本内涵 对于所有的优先流,其流动过程都可以看作为流聚集进入集中区域,这种聚集可以在土壤表面及亚表面发生。“优先流”作为名词术语,用于描述一个过程,在这一过程中,大多数水及其携带的污染物质通过一个孔隙介质,沿着喜欢的流动路径并环绕过介质中部的其他部分而快速运动;而作为水平衡的一个结果,中部的保留部分,水必须流动得相当慢,或根本不动。这一概念暗指在相对不动水域的对流溶质移动时间比优先流路径还要长,并且,如果水真的不动,此过程将无限延长。对于后者情况,局部的溶质在水分可动和不可动区域之间的转换,就代表另一个重要的溶质迁移过程。 优先流是一种常见现象,大量研究表明:如果不考虑土壤结构,只要水入渗穿过土壤中的渗透区域,就有优先流出现。许多专家针对所研究内容,对“优先流”进行概念表述,提出自我认识。如张洪江等认为,土壤水流过程由2部分组成,即快速非平衡的优先流和混合置换过程的基质流。Beven等定义优先流为“快速穿过大孔隙系统,并绕过土壤基质的水流”。Bouma认为,优先流是“进入大孔隙,并穿过非饱和土壤基质的自由水流”。Helling和Gish针对土壤中植物根系穿插而产生的根孔、动物的运动通道和居穴、土壤的干缩缝以及因湿润锋不稳定所形成的指状渗透通道等方面,以它们对水流和溶质运移的传导作用为依据,将其称为“优先路径”,将水分和溶质通过优先路径经过多孔介质的过程称为优先流。现在,对于土壤优先流定义公认的观点是:“优先流是用于描述在多种环境条件下发生的非平衡流过程的术语”。优先流作为水在土壤中的某一部分的运动,快于其他部分的现象的反映形式,使土壤剖面出现不规则的湿润程度;所以,优先流的一个重要特征是在湿润时,含水量峰值部分能够快速蔓延到某种深度,而环绕大部分的基质孔隙空间,其运移速度远远超出Richards方程预测范围。优先流的另一个重要特征,是它本身的非平衡性,即优先流作为一个流动路径,在此路径中,入渗水没有充分的时间与土壤基质的缓慢运移的其他部分保持平衡,而具有非平衡性。 2　优先流类型及其现象表述 在优先流定义及表征特征指导下,优先流表现形式较多,并具有不同的反映现象的名称,如大孔隙流(macropore flow)、环绕流(bypass flow)、管流(pipeflow)、漏斗流(funnel flow)、指流(finger flow)、沟槽流(channel flow)、短路流(short circuiting flow)、部分置换流(partial displacement)、地下强径流(subsurface storm flow)、非饱和重力流(gravity-driven unstable flow)、异质流(heterogeneity-driven flow)、摆动流(oscil-la