重力驅動指流的觀測和數學模擬研究綜述

李海龍,夏玉強

(1.中國地質大學(武漢)環境學院,湖北 武漢 430074;2.中國地質大學(北京)水資源與環境科學學院,北京 100083;3.美國天普大學土木與環境工程系,費城 19122)

重力驅動指流(gravity-driven fingers),又稱優勢流,簡稱指流或指狀分支流,是地表水在重力作用下滲入非飽和土壤中時經常發生的一種現象,其特征是滲入土壤中的水流在土壤中形成固定的指狀優勢通道。Gerke[1]指出“指流包括水流和溶質不經其他土壤部分而沿某些特定通道運移的所有現象”。土壤中指流的存在大大加速了地表水在土壤中的滲流速度,提高了各種養分及污染物在包氣帶中的運移傳輸速度,加劇了工農業生產排放的污染物對土壤的污染。因此,指流的研究已成為與農業、林業、生態環境保護等行業密切相關的基礎研究課題之一。

1 指流的形成原因

指流的形成原因復雜多樣,一種眾所周知的簡單情形就是多孔介質中孔隙的隨機分布導致一些較大的孔隙連在一起而形成“優勢通道”。當水流在重力作用下滲入多孔介質時,會傾向于沿著這樣的優勢通道形成指流。指流研究的復雜性在于其產生原因的多樣性[2]。例如,Coppola等[3]在單個土體尺度上,根據指流產生機制的不同劃分了4種指流形式:大孔隙(非毛細管孔)流,結構性孔隙流,濕鋒面不穩定性引起的指流,以及由土壤濕潤度(或斥水性)空間分布的不規則性和時間動態性引起的指流。總體來說,導致指流的因素除土壤孔隙度和滲透性空間……