土壤优先流流动分形的时空特征和两区-两阶段分形模型研究

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，增大了农业灌水和施肥的渗漏损失以及地下水受污染的风险。为表征土壤优先流的快速非平衡运动，更准确地模拟和预测非饱和带土壤中水和溶质的运动过程，本项目将在试验研究和理论分析的基础上，揭示土壤优先流流动分形发展的阶段性特征，阐明优先流不同阶段流动结构的发展规律和描述方法；揭示土壤优先流流动分形的尺度特征，为运用分形模型解决不同尺度条件下的流动和运移问题提供理论依据和方法支持；揭示流动背景条件对优先流流动结构发展的影响及其规律，建立通过示踪试验和根据流动背景条件确定流动分形特征参数的方法。在这些基础上，建立理论基础更完善的、可解决田间非均匀流动和运移问题的两区-两阶段分形模型。研究成果对农业资源的高效利用、污染控制和环境保护都有重要的理论价值和现实意义。

由于优先流的快速非平衡运动，传统的采用Darcy定律和Richard方程描述土壤水流运动、采用对流-弥散方程描述土壤溶质运移的连续性模型难于准确模拟和预测优先流条件下水和溶质的输移过程，因此需要构建新的优先流模型。本项目研究分别采用亮蓝染色示踪方法和碘-淀粉显色示踪方法研究了粗、细质地土壤条件下的优先流运动过程与流动背景条件（包括初始含水率状态、入渗水量、试验尺度和土壤质地等）之间的关系。研究结果表明，流动背景条件对土壤优先流运动有重要影响，并且土壤优先流运动特征（如入渗深度、染色模式、优先流通道和流动非均匀性等）随流动背景条件的变化表现出一定的规律性；优先流流场在发展过程中将先后经历流场扩张和保持两个阶段，不同阶段的优先流具有明显不同的特征，需要采用不同的控制方程分别描述；尽管不同尺度下的土壤优先流运动特征表现出规律性的变化，但其分形特征在所研究的试验尺度范围保持一定的标度不变性。此外，本项目通过多离子-多阶段入渗方法，研究了土壤优先流流动结构、大孔隙发育特征及其对入渗示踪剂溶液输移的影响。通过多离子-多阶段入渗方法，我们将土壤中的大孔隙分为贯穿型土壤大孔隙和非贯穿型土壤大孔隙两类。研究结果显示，不同类型的土壤大孔隙对入渗示踪剂溶液的输移能力不同；此外，非贯穿型土壤大孔隙对不同阶段注入的示踪剂溶液的输移能力也是不同的。通过这些试验数据，本项目对现有模型（如活动流场模型、二域模型等）模拟不同入渗条件下（尤其是不同土质条件下）优先流运动过程的有效性进行了分析和评价；在此基础上，针对现有模型的不足，结合优先流发展过程中所表现出来的阶段性，建立了可有效模拟和预测田间非饱和带土壤中水流运动和溶质运移过程的两区-两阶段模型。研究结果表明，两区-两阶段模型可较好地描述各种土质条件下的优先流运动；活动流场模型对细质地土壤条件下的优先流运动预测精度较好，而对粗质地土壤条件下的优先流预测精度较差；二域模型对各种土质条件下的优先流运动预测精度均较差。