基于电阻率层析成像技术的农田土壤优先流原位动态监测

盛 丰，文 鼎，熊祎玮，王 康

基于电阻率层析成像技术的农田土壤优先流原位动态监测

盛 丰1,2,3，文 鼎1,2，熊祎玮1,3，王 康4

（1. 长沙理工大学水利工程学院，长沙 410114；2. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，长沙 410114；3. 洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室，长沙 410114；4. 武汉大学水利水电学院，武汉 430072）

针对现有观测技术无法原位监测和判别农田土壤优先流类型、发育位置和演化过程的问题，该研究采用电阻率层析成像技术对野外大尺度条件下的NaCl溶液入渗过程进行原位监测，根据不同时刻监测的剖面视电阻率分布对试验区域的土壤结构分布特征进行分析，对优先流通道发育位置、优先流类型和演化过程进行识别，同时对电阻率层析成像技术识别优先流的精度进行研究。结果表明，试验区域的土壤结构性质不均匀，水平方向5.0～10.0 m范围内的土壤较水平方向0～5.0 m范围内的土壤更为密实；入渗过程中在试验区域土壤疏松区水平方向4.0～5.0 m区间中有非均质指流形成；该指流通道在灌入NaCl溶液9～14 min完全形成，在灌入NaCl溶液60 min时完全退化成基质流；幂函数模型可用来建立剖面视电阻率与Cl-浓度之间的关系。研究成果对农田土壤优先流发育位置与演化过程的原位监测与识别以及防治因水和溶质优势入渗而引起的资源浪费、环境污染和工程地质灾害等具有参考价值。

入渗；土壤；农田；电阻率层析成像；视电阻；优先流；指流；原位监测

0 引 言

优先流又称优势流、非均匀流，是指“水和溶质沿某些特定的路径（优势路径）运动而绕过部分多孔介质的现象”[1]，是土壤中常见的水流运动和溶质运移形式。优先流增大了溶质在土壤中的运移速度、缩短了溶质在土壤中停留降解的时间、减少了土壤颗粒对溶质的吸附和截留[2]，是造成农田施肥[3-4]、重金属[5-6]、垃圾填埋场渗滤液[7-9]等污染地下水系统的重要因素。此外，降雨沿优先流通道快速到达深层土壤甚至地下水的非平衡水分运动，影响了地表和地下径流过程，是诱发地面沉降与塌陷、滑坡、泥石流和山体崩塌等工程地质灾害的重要因素之一[10]。因此，准确识别和掌握土壤优先流的时空分布特征和演化规律对于农业资源高效利用、污染控制和地质灾害防治等都有重要意义。目前，优先流的观测技术主要有示踪成像技术、微张力测量技术、非侵入影像获得技术和电阻率层析成像技术（Electrical Resistivity Tomography，ERT）等[11]。示踪成像技术操作简单、试验成本低、成像效果直接，是目前最常用的优先流观测技术[12]；但该技术需要开挖土壤剖面来获得优先流路径，破坏土体结构，因此不能进行原位长期监测，也限制了其在大尺度研究中的应用[13]。微张力测量技术对土壤结构扰动少、效率和精度高、劳动力消耗低、操作简易、可进行长期的原位监测[14]；但微张力探头的探测范围有限，探头布设太少则可能探测不到优先流路径，而布设太多则会破坏土壤的原状结构[15]。非侵入影像获得技术可直接显示水流运动过程且扫描快速方便、不破坏土壤内部结构，但目前还没有针对土壤优先流研究的专用扫描仪，试验样品通常需要外送到医院进行扫描，试验分析费用高且检测分析过程繁琐[16]。ERT技术通过向地下供电，形成以供电电极为源的等效点电源激发的电场，再由在不同方向观测的电位或电位差来研究探测区的电阻率分布，在此基础上进一步研究土壤物理参数及入渗水分和溶质的空间分布和变化过程[17]。ERT技术具有设备轻便、试验成本低、探测深度大、探测范围广、成像分辨率高等优点，且ERT技术不需破坏原状土壤就可以动态监测，因此被广泛运用于工程地质勘察、水文地质和环境地质调查及资源勘探之中[18]。然而，优先流是一种高度不均匀和不稳定的瞬变流，持续时间短、响应速度快，其动态过程很难捕捉，目前仍然是各种观测技术所面临的一项重要挑战[19]。此外，如何在不破坏土壤结构条件下对农田大尺度的优先流类型、发育位置和演化过程进行识别与判断，目前仍然是工程学界和科学界的热点和难点问题[20-21]。针对以上难题，本文拟利用ERT技术原位无损动态监测优点，对野外大尺度条件下的入渗过程进行连续监测，建立由ERT监测土壤视电阻率分布和演化数据判别试验区域的土壤结构性质空间分布特征和反演农田土壤优先流发生、发展和消亡全演化过程的技术与方法，为防治因水和溶质优势入渗而引起资源浪费、环境污染和工程地质灾害提供理论参考和技术支持。

1 试验与方法

1.1 试验过程

ERT试验在武汉大学南望山进行（114°24'05" E，30°31'52"N），试验区域土壤为黏土，具体结构性质与水动力参数如表1所示。电阻率层析成像试验示意图如图1所示。

表1 土壤物理及水动力参数

试验前将选定的试验区域进行平整，并小心地除去地表的杂草。试验区域平整后，人工开挖出长度为10.0 m、宽度为0.2 m、深度为0.2 m的矩形试验区域。目前，应用ERT监测土壤水分与溶质分布研究中的测量电极间距多在0.1～10 m量级之间（如，Zieher等[22]、Oberdörster等[23]和Vogelgesang等[24]的研究中，ERT测量电极间距分别为0.75、2.0和2.0～6.0 m）；考虑到土壤优先流的不均匀性和瞬变性，参考石素梅[25]和de Carlo等[26]的研究（测量电极间距分别为0.3 m和0.15 m），采用沿试验区域中心线按0.25 m等间距的布设40根ERT测量电极的布置方案，以有效和精确地捕捉农田大尺度条件下土壤优先流的分布特征和演化过程。ERT测量电极布置完成后，开机扫描试验区域的初始视电阻分布。扫描完成后，将配置好的体积为120 L（折合入渗水深60 mm）、浓度为2.5 g/L的NaCl溶液（NaCl是一种常用的示踪剂，其输移运动与入渗水流运动具有极好的一致性；且NaCl作为一种强电解质，其分布可以明显地改变土壤电阻率和电导率分布，从而易于被ERT监测和捕捉）灌入试验区域。由于试验区域较大，灌入前先将配置好的氯化钠溶液均分成10等份承装在干净的塑料小桶中，并在试验区域0.5～9.5 m范围按1.0 m的间距放置10把小平铲，将小桶承装的NaCl溶液贴近试验区土壤，然后同时快速地注入到小平铲上，通过小平铲的缓冲作用来防止灌入的NaCl溶液冲刷试验区域表层土壤，避免因直接灌水造成试验区域土壤形成冲刷坑从而导致灌水集中入渗并影响试验精度。NaCl溶液灌入后迅速取出小平铲并记录试验开始的时间。

1.2 优先流ERT监测与图像处理

由于入渗过程中NaCl溶液改变了其流经区域土壤介质的导电性（即改变了介质的视电阻），利用通过地表布设的高密度ERT电极进行实时扫描监测，即可获得入渗过程中试验区域土壤剖面不同深度处的视电阻率变化，在此基础上即可研究入渗过程中土壤优先流的演化过程和溶质的输移过程。试验以重庆奔腾数控技术研究所研制的WDJD-3多功能数字直流激电仪为测控主机，配以WDZJ-3多路转换器构成ERT测量系统。ERT野外测量试验及图像处理步骤主要包括：电极布设与接线、参数设置、扫描测量、图像处理等步骤。

1）电极布设与接线。测量开始前，首先根据试验目的及实际情况进行电极的布设。确定好电极布设方案后，使用多芯电缆线将等间距布设的各电极与WDJD-3高密度电阻率测量系统试验主机相连并进行调试。电极布设完成后，确定电极装置类型及测量布置方案。本次试验采用温纳（Wenner）装置[27]进行测量。

2）参数设置。在WDJD-3主机上进行工作参数的设定，包括测量装置、滚动总数、使用电极数、点距、间距数、剖面数。其中滚动数需根据剖面数、间距数和使用电极数等提前计算。本次试验区域长度10 m，共使用40根电极，电极间距为0.25 m。

3）扫描测量。使用所选择的测量装置自上而下分层扫描测量土壤视电阻率，其中第1层为0.125 m，相邻两层间距为0.125 m，最大测量深度为1.625 m（第13层），共进行21次扫描测量。由于每次扫描测量需要一定的时间（扫描全部13层需耗时约6 min），且测量深度越大、层数越多，所耗时间也越长，为有效捕捉NaCl溶液的入渗过程，=0和2 min时仅扫描第1层，=5 min时扫描最上2层，=9和14 min时扫描最上4层，=20、25和30 min时扫描最上5层，=40 min时扫描最上7层，从=50 min开始（=50、60、70、80、90、100、110、120、135、150、165、175 min）扫描全部13层，最后一次扫描测量时间为175 min。

4）ERT图像处理。将ERT所测量的各个时刻的视电阻率数据通过BTRC2004软件（重庆奔腾数控技术研究所）转换为Surfer网格格式并导入Surfer 8.0程序中，按照横纵比5∶1的克里格法，经过白化处理后绘制视电阻率等值线图[28]。

1.3 采样与分析

ERT试验结束后，立即在试验区内按1.0 m间距用土钻钻取土柱，取样深度为1.0 m。土柱取得后，沿深度方向按间距10.0 cm采集土样。土样采集后，用蒸馏水浸提土壤中的氯离子，然后在中性至弱碱性范围内（pH=6.5～10.5），以铬酸钾为指示剂，用硝酸银标准滴定溶液滴定浸提液中的氯离子[29]。由所消耗的硝酸银标准溶液的量，求得土壤中氯离子的含量。

2 结果与分析

2.1 剖面土壤结构分布特征分析

根据ERT试验各监测点位不同时刻的视电阻率数据，绘制出试验区域的初始视电阻率分布（即入渗前的视电阻率分布）等值线图及入渗过程中不同时刻剖面的视电阻率分布等值线图分别如图2a～k所示。

图2a显示，试验区域土壤初始视电阻率大约在23～82 Ω·m之间，且视电阻率随着深度增加逐渐减小。这主要是因为表层土壤因为蒸发作用含水率较低，因而电导率较小、电阻率较大。图2a同时显示，试验区域=5.0～10.0 m范围存在一个厚度自左向右逐渐增加的高视电阻率区。图2b～k显示，在NaCl溶液入渗过程中，试验区域的深层土壤视电阻率反而较其初始视电阻率小幅升高。这主要是因为上层土壤被灌入的NaCl溶液湿润甚至是饱和，其导电性显著增强、视电阻率剧烈下降；而深层土壤或因入渗NaCl溶液尚未被传导至本层而保持原来的导电性，或因入渗的NaCl溶液量较少而使得导电性增幅较小；由于供电电流优先选择从电阻率低、导电性强的上层土壤直接流过，导致深部土壤中的电流降低，因而视电阻率反而小幅度升高（这也是ERT测量的是土壤视电阻率而不是真实电阻率的原因）。

对比图2a和图2b～k可知，试验区域=5.0～10.0 m范围土层中的视电阻率在灌入NaCl溶液后明显降低（相对于其初始视电阻率），但仍明显高于=0～5.0 m范围相同深度处土层的视电阻率，尤其是在灌入NaCl溶液后的20 min内。该结果表明ERT监测土壤剖面的结构性质不均匀，其中=5.0～10.0 m范围土层较=0～5.0 m范围土层更为密实，使得入渗的NaCl溶液并未向=5.0～10.0 m范围的深层土壤迅速运动，从而导致入渗过程中该范围的土壤视电阻率均高于=0～5.0 m范围相同深度处的土壤视电阻率。由于土壤电阻率随着土壤孔隙比的减小（即土壤越密实）而增大[30]，因此，试验区域=5.0～10.0 m范围的土壤初始视电阻率高于=0～5.0 m范围的土壤初始视电阻率（如图2a所示）。

2.2 优先流发育位置识别与类型判断

图2a显示，虽然试验区域=5.0～10.0 m范围的土壤初始视电阻率自左向右增大，但试验区域的土壤初始视电阻率分布在水平方向上总体变化不大但沿深度方向则明显降低。图2b～k显示，入渗过程中视电阻率小于20 Ω·m的土壤低视电阻率区始终出现在试验区域表层，而不存在自试验区域表层向下延伸至试验区域深层或贯穿整个试验区域的视电阻率小于20 Ω·m的低视电阻率区（路径或通道）。以上结果表明ERT监测试验剖面中不存在明显的大孔隙流通道。因为，土壤大孔隙是水流和溶质天然的优势输移路径，入渗水和溶质在通过土壤大孔隙进行集中输移时，将引起优先流通道范围内的土壤视电阻率明显降低，而这一现象并未在试验过程中观测到，即便是在ERT所监测的入渗开始前期的2、5、9、14和20 min的土壤视电阻率分布图中也未能观测到（如图 2b～f所示）。这可能是因为试验场地平整时清除了表层40～60 cm的土壤和植物根系，从而消除了土壤干缩裂缝和大孔隙。李萼等[31-34]在本试验区域附近所开展的示踪试验也清除了试验区域表层20～40 cm的土壤和作物根系，这些研究成果也均显示其所在试验区域的土壤在清除表层土壤后均不存在明显的土壤大孔隙。

图2a同时显示，尽管试验区域的土壤初始视电阻率分布不均匀（尤其是表层土壤中的初始视电阻率），但除=6.0～10.0 m范围表层0.5 m厚度的局部区域外，整个剖面其他区域的视电阻率等值线均连续分布且不封闭。而图2b～f却显示，灌入NaCl溶液后的前20 min内，=0～5.0 m范围的低视电阻率区随着入渗时间的延长向深层土壤迅速拓展，而=5.0～10.0 m范围的低视电阻率区虽也向下发展变厚但总体厚度仍相对较小，由此导致原来连续且沿方向波动变化不大的初始视电阻率等值线波动幅度变大并在=4.0～5.0 m区间（也即剖面初始视电阻率分布图（图2a）中的高视电阻率区域外围边缘附近）向下明显突出（如图2d～f所示）。随着流动的进一步发展，原来连续分布的视电阻率等值线在=4.0～5.0 m区间最终被分割开来（如图2g～k所示）。以上结果表明在试验区域=4.0～5.0 m区间的土壤中形成了明显的优先流通道。造成这一现象的主要原因是试验区域=5.0～10.0 m范围的土壤比=0～5.0 m范围的土壤更为密实。由于密实区的土壤导水性能较弱，施加于其上的NaCl溶液入渗困难，从而导致灌入的NaCl溶液沿着其与疏松区（=0～5.0 m范围）的边缘并在疏松区（=4.0～5.0 m区间）土壤中进行优势运移（即导致土壤优先流的形成）。根据优先流表现形式分类，该种优先流形态为非均质指流。

指流是由于入渗湿润锋在发展过程中不稳定，原来均匀的湿润锋受扰动被“撕裂”成一个个柱状流动路径，从而形成优先流运动形式[35]，在非均质土壤和均质土壤中都可形成。由于入渗土壤的非均质性，原本均匀施加于土表的NaCl溶液在试验区域的=5.0～10.0 m范围无法被迅速传到至深层土壤，在其缓慢下渗的同时向左侧（=0～5.0 m范围）流动；当侧向水流运动到临近的土壤疏松区时（即=4.0～5.0 m区间），对该区域的入渗湿润锋产生扰动从而导致入渗湿润锋不稳定并进而发展形成指状优先流（指流）。孔祥言[36]也指出，土壤作为一种多孔介质是不可能完全均质的，当土壤介质中某一点邻域的渗透性比周围区域高时，会在该点处的入渗湿润锋产生一个“突点”（即产生一个微小的扰动，使入渗湿润锋向前略微“突出”）；若此微小扰动能随时间增大而衰减（水量补充不足），则入渗湿润锋是稳定的（即不会产生指流）；若此微小扰动能随时间增大而增强（水量补充充足），这种微小的扰动将迅速增长，从而使得“突点”以“手指状”迅速向前延伸，即产生指流现象。本研究中试验区域右侧（=5.0～10.0 m范围）的土壤密实、渗透性差，该区域上所施加的NaCl溶液侧向补充“突点”，使得扰动放大并最终导致了优先流通道（指流）的形成。由于灌入的NaCl溶液集中在优先流通道中快速输移，优先流通道中的土壤含水率和溶质浓度明显高于通道两侧的基质区土壤中的含水率和溶质浓度，从而显著降低了优先流通道区域的土壤视电阻率并将原来连续的视电阻率等值线分割开来。

2.3 优先流演化过程分析

图2b～h显示，试验区域=0～5.0 m范围的低电阻率土层厚度在灌入NaCl溶液后的9 min内迅速增大，而在灌入NaCl溶液9 min后又迅速减小，并在灌入NaCl溶液后30 min时其厚度下降到与=5.0～10.0 m范围的低视电阻率土层厚度近乎相等（但仍略大）。以上结果表明，监测土壤剖面中的优势入渗通道在灌入NaCl溶液9 min后开始形成，并迅速将入渗的NaCl溶液迅速传导至深层土壤，从而导致=0～5.0 m范围上层土壤的视电阻率升高、低视电阻率土层厚度减小。进一步对比=9、14、20和40 min的剖面视电阻率分布图（如图2d～h所示）可知，入渗的NaCl溶液在试验区域=2.0～3.0 m和=4.0～5.0 m两个区间各产生了一个入渗湿润锋“突点”；其中，=2.0～3.0 m区间的入渗湿润锋“突点”在入渗前期发育相对更为明显（如图2d所示）。然而，由于试验区域=5.0～10.0 m范围土壤密实、渗透性差，施加于该区域的NaCl溶液侧向流向疏松区并补充“突点”，使得与其临近的=4.0～5.0 m区间的入渗湿润锋“突点”扰动放大并最终导致了优先流通道（指流）在该区间（=4.0～5.0 m）形成。由于优先流通道最终在=4.0～5.0 m区间发育形成，=2.0～3.0 m区间的入渗湿润锋“突点”因水量补充不足（入渗NaCl溶液侧向补充在=4.0～5.0 m区间形成的优先流通道）而衰减退化成基质流。因此，随着NaCl溶液入渗的进一步发展，=2.0～3.0 m区间的入渗湿润锋“突点”逐渐消退而=4.0～5.0 m区间的入渗湿润锋“突点”则始终较为明显（如图2e～h所示）。该结果进一步表明监测土壤剖面中的优先流通道在灌入NaCl溶液9～14 min已完全形成。

图2i～k显示，试验区域上层土壤中原来被优先流通道割裂的视电阻率等值线在灌入NaCl溶液60 min后重新恢复成连续分布状态，且整个剖面的视电阻率分布（=60 min）与之后=100和175 min的视电阻率分布无明显差异。该结果表明=4.0～5.0 m区间的土壤优先流通道在灌入NaCl溶液60 min时已完全消退，优先流完全退化成基质流。而深部土壤（=0.8～1.4 m、=3.3～5.1 m）中长时间存在一个块状的低视电阻率区（如图2i～k中呈环状分布的视电阻率为30 Ω·m的等值线）也表明优先流通道此时已经消退，正是由于基质流较低的导水能力才使得这一低视电阻率区能够长时间的维持。同时，这也从另一个方面证明了该监测土壤剖面中的优先流类型为指流而非大孔隙流，因为土壤大孔隙对入渗水和溶质具有极高的传导能力并对在其中输移的水和溶质产生屏蔽作用[37]，且大孔隙不会在水流传导完毕后消失，因此不会在大孔隙发育位置滞蓄入渗的NaCl溶液并形成低电阻率区。

2.4 ERT识别土壤优先流精度分析

根据实验室实测的土壤Cl-浓度及其对应位置上的视电阻率，绘制土壤视电阻率和Cl-浓度关系箱型图如图3所示（以Cl-浓度增量50 mg/L为一区间）。

由图3可知，整体上土壤视电阻率随Cl-浓度的增加呈下降趋势，且区间统计的视电阻率平均值、中位数、上下边缘点等统计量均随着Cl-浓度增加而下降。这是因为土壤电导主要来自于其中的土壤水及其所溶解的溶质（即土壤溶液）；土壤含水率越高、土壤水中带电离子浓度越大，其导电效率越强、视电阻率越低；其中，土壤溶液中的强电解质（NaCl）对土壤电导率的影响更为显著。此外，随着Cl-浓度的增加，各区间视电阻率的变化幅度减小；当Cl-浓度大于150 mg/L时，视电阻率集中分布在16～17 Ω·m之间。以上结果表明，当Cl-浓度较低的时候，视电阻率的变化对Cl-浓度的变化敏感；而随着Cl-浓度的增大，视电阻率不断减小并趋于一定值，对Cl-浓度的变化不敏感。一些研究成果[38-39]也表明溶液的电导率与溶液离子浓度成正比（即离子浓度与电阻率成反比）；且当离子浓度较小时，电阻率随着离子浓度的变化而迅速变化；而当离子浓度足够大时，电阻率则逐渐趋近于定值。

根据图3中视电阻率与土壤水Cl-浓度的关系，分别采用幂函数和指数函数拟合出采样位置的土壤Cl-浓度与对应点位的视电阻率之间的相关关系成果如表2所示。表2显示，按幂函数关系来建立起来的土壤视电阻率和Cl-浓度相关关系具有更高的精度（2=0.690、NSE= 0.883）。采用拟合的土壤Cl-浓度与视电阻率之间的幂函数关系，由最末监测时刻（=175 min）的剖面土壤视电阻率分布反演出该时刻的剖面土壤Cl-浓度分布如图 4所示。

表2 视电阻率和Cl-浓度关系拟合结果

注：为视电阻率，Ω·m；为Cl-浓度，mg·L-1；**表示显著性水平<0.01。

Note:is apparent electrical resistivity, Ω·m;is concentration of Cl-, mg·L-1; ** represents significance at 0.01 level.

对比图4a（剖面视电阻率分布图）和图4b（按幂函数相关关系反演出的Cl-浓度分布图）可知，按幂函数关系反演出的最末监测时刻（=175 min）的剖面土壤Cl-浓度分布与该时刻的剖面土壤视电阻率分布较为一致。如，图 4b中的Cl-浓度等值线走势和低Cl-浓度区域分布分别与图 4a中的视电阻等值线走势和高视电阻率区域分布较为一致；在图4a深部（=0.8～1.4 m、=3.3～5.1 m）土壤中存在一个块状的低视电阻率区，而图4b的该区域也存在一个形状相似、范围大小接近的高Cl-浓度区。此外，图4b也表明在NaCl溶液的入渗过程中，在试验区域=4.0～5.0 m区间的土壤中形成了明显的优先流通道，从而使得该范围内土壤中的Cl-浓度相对于相同深度上其他区域土壤中的Cl-浓度明显偏高，与前文分析一致。

土壤视电阻率影响因素众多，包括土壤类型、物质组成、孔隙率与孔隙结构、含水率和溶质浓度等内在因素和季节（温度、湿度）、自然电场、测量仪器与测量方法（电极布置位置、间距和深度）等外在因素[40]。其中，土壤含水率和溶质浓度是最重要的影响因素[41]。但视电阻与土壤含水率之间的关系非常复杂，目前常用Archie公式[42]来拟合视电阻率与土壤含水率之间的函数关系。然而，Archie公式不仅涉及的参数众多，而且部分参数测定极为困难（如黏土体积百分比），因此，自Archie公式提出以来人们都在不断的研究和改进该公式。此外，由于土壤的非均质性，Archie公式所需的参数（黏土体积百分比）需要在试验区域上布设较多的采样点，不仅劳动强度大而且破坏了监测土壤剖面的原状结构。而由图3和图4可知，土壤视电阻率与溶质（Cl-）浓度之间的关系好、形式简单，（按幂函数关系）反演出来的Cl-浓度分布与土壤视电阻分布具有较好的一致性且符合实际情况。由于土壤优先流一旦形成，土壤滞后作用（指流）、大孔隙（大孔隙流）、土壤管道（管道流）或土壤中的粗土斜夹层（漏斗流）将引起入渗水流沿着相同路径（优先流通道）重复发生[43]，因此，ERT监测强电解质溶液（如NaCl溶液）入渗过程的土壤视电阻率变化可有效用于土壤优先流（位置和过程）识别。

3 结 论

1）土壤介质特性影响入渗溶液的流动与分布，而入渗溶液的流动与分布又反过来影响土壤介质的电导率和电阻率。因此，通过对比分析入渗前后电阻率层析成像技术（Electrical Resistivity Tomography，ERT）监测土壤剖面的视电阻率分布，可对试验区域的土壤结构性质分布特征进行分析研究。本文试验所监测的土壤剖面结构性质不均匀，其中，水平方向0～5.0 m范围为剖面土壤疏松区，水平方向5.0～10.0 m范围为剖面土壤密实区。

2）入渗溶液沿优势入渗通道运动，显著地改变了剖面土壤的电导率和视电阻率分布；且随着优先流的发展，剖面土壤电导率和视电阻率分布也随之进行演变。因此，通过对比分析ERT监测土壤剖面不同时刻的视电阻率分布，可对入渗过程中试验区域的优先流类型、发育位置和演变过程进行识别和研究。本文所开展的ERT监测NaCl溶液入渗过程试验中，灌入的NaCl溶液在土壤密实区外缘水平方向4.0～5.0 m区间的土壤疏松区中以非均质指流形式进行优势输移，指流通道在灌入NaCl溶液9～14 min内完全形成，在灌入NaCl溶液60 min时完全退化成土壤基质流。

3）采用幂函数关系建立的视电阻率和Cl-浓度之间的相关方程具有较好的精度（2=0.690），按幂函数关系反演出来的剖面土壤Cl-浓度分布与实测剖面土壤视电阻率分布较为一致，表明幂函数可用于建立土壤视电阻率和Cl-浓度之间的关系。由于土壤视电阻率与土壤溶质浓度之间较好的幂函数关系，采用ERT监测强电解质溶液的入渗过程可有效用于土壤优先流位置与过程的识别。

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In-situ monitoring of preferential soil water flow with electrical resistivity tomography technology

Sheng Feng1,2,3, Wen Ding1,2, Xiong Yiwei1,3, Wang Kang4

(1.,&,410114,; 2.,410114,; 3.,410114,; 4.,430072,)

Preferential flow, which contributes to the rapid water flow and solute transport in unsaturated soils, is common in the natural unsaturated soils. Preferential flow allows irrigated water and applied agriculture chemicals to move through unsaturated zone to groundwater table quickly with limited degradation and filtration, increasing the losses of applied resources and energy, and making the groundwater under high contamination risks. The non-equilibrium water movement, via preferential flow channel, to deep soil or even groundwater is one of the important factors inducing engineering and geological disasters such as land subsidence and collapse, landslide, debris flow and mountain collapse. However, the capturing of its dynamic process, especially the identification and judgment on the type, position and evolution of preferential flow without destroying soil structure, is still the hot topic and hard nut to crack in both science and technology all over the world. In this research, Electrical Resistivity Tomography (ERT) was applied to monitor the filed infiltration process of NaCl solution in situ. The distribution and change of apparent electrical resistivity of the monitored soil profile was measured at different time during infiltration. And the distribution of Cl-concentration of the monitored soil profile was analyzed in laboratory by soil sampling after infiltration. Based on these measured data, the heterogeneous distribution characteristics of soil structure, and the position, type and evolution of preferential flow in the monitored soil profile were analyzed and identified. Besides, the relationship between apparent electrical resistivity and Cl-concentration of the monitored soil profile was analyzed to evaluate the precision of applying ERT to identify preferential infiltration. The results showed that soil structure and properties affected the movement and distribution of applied NaCl solution, on the contrary, the movement and distribution of applied NaCl solution also affected the soil electrical conductivity and resistivity. Thus, the distribution characteristics of soil structure and properties were able to be detected by comparing the ERT monitored distribution of soil electrical resistivity before and after infiltration. The structure of the soil profile monitored by ERT was not uniform, with the soil within the horizontal direction of 5.0-10.0 m being much denser than that within the horizontal direction of 0-5.0 m. The preferential flow channel that constrained the applied NaCl solution with a greater concentration obviously changed the distributions of soil electrical conductivity and resistivity. And the distributions of soil electrical conductivity and resistivity changed as the preferential flow developed. Thus, the kind, generation position and evolution process of preferential flow were able to be detected by comparing the ERT monitored distribution of soil electrical resistivity at different time during the preferential flow process. During the infiltration process, a heterogeneous fingering flow was developed in the loose soil area within the horizontal direction of 4.0-5.0 m. The fingering channel was completely formed during 9-14 minutes after the application of NaCl solution to the monitored soil surface, and the preferential flow completely degraded to matrix flow no late than 60 minutes after the application of NaCl solution to the monitored soil surface. Power function was capable of establishing relationship equation between apparent electrical resistivity monitored by ERT and the measured Cl-concentration of the monitored soil profile (the coefficient of determination of 0.690). As the preferential flow repeated along the same path once the preferential flow was formed, the ERT monitoring the infiltration process of NaCl solution was of good efficiency in identifying the position and evolution of preferential flow in engineering and geology survey. This results provide valuable information for the prevention and control of losses of applied resources and energy, groundwater contamination and engineering and geological disasters caused by preferential soil water flow.

infiltration; soils; farmland; electrical resistivity tomography; apparent electrical resistivity; preferential flow; fingering flow; in-situ monitoring

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Sheng Feng, Wen Ding, Xiong Yiwei, et al. In-situ monitoring of preferential soil water flow with electrical resistivity tomography technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 117-124. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.013 http://www.tcsae.org

2020-10-16

2021-03-10

国家自然科学基金项目（51579020）；湖南省教育厅科学研究项目（17A009）

盛丰，博士，副教授，研究方向为非饱和带土壤水动力学与水土环境。Email：fsaint8586@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.013

S152

A

1002-6819(2021)-08-0117-08