黄土优势渗流研究进展与展望

孙恒飞，朱兴华，成玉祥，张智锋，张卜平，蔡佳乐

(1.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054； 2.西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西 西安 710054)

黄土是一种特殊的第四纪沉积的松散堆积物，在我国堆积形成了世界上分布最集中、占地面积最广的黄土高原区。该区域土性结构复杂、地形地貌破碎、山脉纵横交错，所以造成地质灾害频发[1]。据统计，我国每年约有30%的地质灾害发生在约占国土面积6%的黄土高原区，灾害数量多，机理复杂[2]。

“十水九滑，无水不滑”，在地质灾害众多诱发成因中，水是主控因素之一，众多学者也对此做出了大量的研究。徐张建等[3]对黄土滑坡的分布规律和地质结构特征进行总结，认为持续降雨或暴雨及大面积灌溉是主要诱因之一。巨玉文等[4]认为山西西部滑坡、泥石流等黄土地质灾害的发生与降雨有密切联系。Dominik等[5]对黄土地表径流灾害及径流在灾害形成过程中的作用进行研究和实例分析。Gu等[6]分析灌溉前后边坡渗流场和稳定性的变化规律，发现灌溉会改变边坡内部的孔隙水压力分布，使地下水位快速上升，严重影响边坡稳定性。龙建辉等[7]通过数值模拟分析认为地下水渗流是滑坡变形破坏的启动因素和决定因素。同时水也是黄土地区灾害链形成的重要激发因子，是灾害链演化后期固体物质运移的载体，对黄土水力侵蚀—滑坡—泥流灾害链的链式结构、演化机理的研究也很重要[8-9]。另外黄土是一种特殊土，不同于其他类型土体，黄土在形态上具有直立性，结构上孔隙较为发育；此外黄土还具有独特的水敏性、湿陷性及崩解性等水理特性，这些黄土特殊的性质都严重影响着地表水的入渗方式和形态，使得地质灾害的发生往往与水及黄土工程地质特性的影响密不可分。

然而，黄土地区的大型黄土地质灾害涉及范围广、深度深。而据试验表明地表水在黄土中的入渗深度有限，且入渗缓慢，并不影响深部的含水率[10]。那么，在黄土地区水是如何快速进入、以何种形式进入土体深部来改变土体性质致灾害发生是一个十分重要的科学问题。因此黄土优势入渗及优先流研究成为一项重要的热点研究课题。本文主要通过论述优势通道及优先流的类型划分，探索黄土地区优势通道形成原因及优先流的影响因素；对现今优势渗流的研究方法、渗流模型进行归纳分析，最后总结探讨黄土优势渗流研究的不足及未来发展方向。

1 优先流定义及研究历程

国内外学者对优先流的定义有很多，但整体上大同小异。优先流是指水流及溶质沿着孔隙、裂隙等原生或次生通道等导水能力强的渗透路径，绕过土壤基质，以违背达西定律的形式，快速到达土体深部和地下水的一种非平衡流现象[11-12]。这种导水能力强的渗透路径即为优势通道，而优先流沿着优势通道快速下渗致土体深部的过程即为优势入渗。从优先流的定义上可以看出优先流的两大重要特性：一是优先流是一种非平衡流；二是优先流的下渗必须通过优势通道。

早在19世纪优先流就已被发现，但缺乏充分的理论研究，直到Beven等[13]在20世纪末针对土壤内大孔隙流及溶质的运移特征进行试验研究、定量分析，使优先流研究渐渐得到重视。最初主要应用于农业工程方面，针对土壤中水及溶质的运移过程机制进行研究。Vervoort等[14]认为优先流与土体结构关系密切，通过现场监测与土体染色穿透试验分析土壤结构影响下的水及溶质的运移规律。冯杰等[15]应用CT扫描、数值模拟等方法对优先流在大孔隙土壤中的运移机制进行深入探究。郭会荣等[16]通过降雨入渗试验、室内土柱穿透曲线试验等手段定性定量的分析了优先流的入渗补给特征及溶质运移规律。

20世纪是优先流迅猛发展的一个时期，经过一个世纪的发展，优先流的相关研究有了飞跃式的突破：基本健全了优先流的流动机制、总结了优先流的影响因素、拓展了优先流研究的技术方法及构建了优先流的渗流模型。Beven等[17]总结了1864到1984这一个多世纪的优先流研究进展与成果，对优先流的发展历程及未来研究问题进行详细论述，有很重要的指导意义。到了21世纪，优先流和优势入渗研究领域不断拓展，逐渐应用于水文、地质、环境科学等方面。

黄土地区的优势入渗致灾机理研究就是其中一大方面。在斜坡地带地下管流的存在导致地下水快速富集和孔隙水压力的增加，是产生滑坡的主要原因之一[18-19]。Hencher等[20]通过实例说明地下优势渗流通道系统对滑坡的类型及形成时间有很大的影响。曾磊等[21]通过降雨模型试验表明黄土边坡失稳的原因是雨水沿优势通道到达土体深部的隔水层，导致上层滞水。彭建兵等[22]指出黄土地区的一个关键科学问题，即优势通道是如何控制降雨和地表水入渗，水进入土体后怎样改变区域水文条件和应力状态以致黄土地质灾害的发生。张茂省等[23]指出对优先流的运移规律及定量刻画方法研究是水致黄土滑坡研究中很重要的一环。马鹏辉等[24]对蒋刘黄土滑坡研究中发现滑坡区节理裂隙等优势通道发育，使地表水快速补给地下水导致区域潜水位抬升，边坡失稳。

优先流是一种非平衡流，优势入渗规律复杂，涉及领域广泛。现今有许多学者对黄土优势渗流的致灾机理进行深入探究，但仍存在很大的争议与未解决的问题。需要进步研究优先流在土体内部的流动规律及与土的相互作用，进而完善黄土地区优势入渗致灾机理。

2 优势渗流分类研究

2.1 优势通道分类研究

优势通道是指能使降水及地表水快速渗入土体深部的集水通道。黄土因特殊的结构和水敏性导致垂直裂隙发育、颗粒随机排列、粒间孔隙多样等特征[25]。因此形成了各种形态不同、大小不同、性质不同的优势通道。按规模大小可以将优势通道划分为宏观、细观及微观优势通道[26]。也可以根据土壤水分特征曲线中孔径与基质吸力的关系对黄土的大孔隙和小孔隙进行界定，对土壤大孔隙进行形态学分类[27]。按发育特征将优势通道划分为均匀介质、优势介质及灌入介质，研究3种优势通道下的优先流入渗特征[28]。

根据先前学者的研究总结，可以将黄土优势通道按形态划分为面状、管状及粒间优势通道。面状优势通道以黄土发育的结构面为主，包括节理、裂隙等，见图1( a )，形成的主要原因是黄土具有直立性、破碎性，这会使黄土垂直节理及拉张裂隙发育。王景明等[29]对黄土节理进行分类，并深入研究构造节理的力学性质及区域性特征。卢全中等[30-31]对黄土体结构面进行了综合分类及灾害效应剖析，指出黄土结构面是地下水的运移通道和储存场所。同时地表水也会通过垂直节理等黄土结构面进入土体内部，使黄土块体重度加大、强度降低，从而导致灾害发生[32]。

图1 优势通道分类模型图Fig.1 Classification model diagram of preferential passage

管状优势通道以黄土洞穴(落水洞、暗穴等)、根孔及虫洞为主，见图1(b)、(c)，主要原因是黄土具有水敏性，湿陷性及崩解性等水理特性。水敏性使黄土的结构特性遇水显著降低，易遭受侵蚀或掏蚀，形成洞穴；湿陷性会影响黄土的沉降，尤其是自重湿陷性是黄土洞穴产生的最直接因素；崩解性可使黄土易被侵蚀搬运，加速黄土洞穴的形成与发展[33]。邹锡云[34]等对黑方台的黄土洞穴分布及特征进行调查，分析洞穴灾害的主要影响因素。李喜安等[35]，Peng等[36]讨论了黄土高原黄土洞穴的分类特征，对其成因机制、发育规律及对地质灾害的影响进行深入分析。张焱等[37]针对黄土洞穴发育地区对滑坡土体及稳定性的影响进行深入分析。

粒间优势通道以黄土内部孔隙为主，形成原因是黄土颗粒具有碎散性及粘聚性，见图1( d )，黄土的碎散性使黄土内部的孔隙发育，粘聚性使黄土颗粒形成团聚体，团聚体之间相互交错分布形成土体骨架及孔隙，为水的入渗提供微观通道。雷祥义等[38-39]利用扫描电镜对黄土孔隙按成因和大小分别进行分类，并剖析各种孔隙结构在不同区域及层位上的变化规律。彭建兵等[40]通过压汞实验获得黄土孔径分布图，找到了黄土微孔隙、粒间孔隙、架空孔隙及大孔隙的分界点。

不同形态的黄土优势通道形成演化机制会不同，其优先流的流动机制和规律会不同，对地质灾害的影响程度也会有所不同。优势通道是水快速进入土体内部的媒介，对优势通道的研究是黄土优势渗流致灾研究中不可或缺的一部分，现优势通道主要针对宏观—细观—微观不同尺度下的渗流特征及分布形态特征进行研究。而对探究不同形态下优势通道中优先流的流动规律、对土体强度性质的影响及在导水过程中的演变机制和变化趋势研究较少，是未来黄土地质灾害研究的一个重点。

2.2 优先流分类研究

优先流是水流通过优势通道快速下渗的一种非平衡流，由于形成机理及湿润峰不同，其入渗模式也不同且种类较多，并具有不同反映现象的名称，如大孔隙流、指流、漏斗流、非饱和重力流、沟槽流、异质流、摆动流等[42-43]。现优先流研究主要在大孔隙流、指流及漏斗流方面，本文主要针对此3种形态的优先流进行论述。

2.2.1 大孔隙流

在优先流研究中，大孔隙流研究比较普遍且深入。大孔隙流( macropore flow )指水绕过结构密实、渗透率低的土壤基质，沿着根孔、节理裂隙等导水能力强的大孔隙下渗的非平衡流[44]，渗流模型见图2。

图2 大孔隙流渗流模型[13]

Lawes等[45]发现部分地表水通过大孔隙快速入渗，且论证了大孔隙流的存在。随后许多学者对大孔隙流进行深入研究。吴继强等[46]基于模型试验从大孔隙深度及有效面孔隙度两个角度分析大孔隙在非饱和土中对水及溶质运移规律的影响。Alberti等[47]建立三维渗流模型，采用数值模拟对饱和土中大孔隙流的流动特性、溶质运移进行表征，结果表明：大孔隙密度与优先流强度呈线性相关。高朝侠等[48]通过土柱入渗试验探究大孔隙扭曲性及连通性对水分迁移的影响，构建大孔隙流双重渗透模型，模拟湿润锋的运移特征。盛丰等[49-50]运用离子示踪法开展渗流试验，探究土壤中大孔隙的发育特征及溶质的运移规律，论述了大孔隙流和指流的研究进展、模型理论及研究方法。大孔隙流是优先流研究中最广泛、最深入、最具代表性的一种非平衡流，对其研究也是优先流研究中最关键、最重要的一部分。

2.2.2 指流

指流( finger flow )是土体中普遍存在一种非平衡流运移形式，是指水在非饱和土体中迁移时绕过大部分土壤基质，并由于各土层性质的差异，使湿润锋非均匀下移，呈“指状”或“舌状”的流动现象[51]，渗流模型见图3。

图3 指流渗流模型

指流的形成机理主要在于滞留空气压力的作用、分层土壤、疏水性土壤及土壤水力学特性的空间变异性四个方面[44]。Glass等[52-53]通过室内双层沙土积水试验，证明在分层土壤下极易发生指流现象；并探究指流直径和指尖流速之间的规律，结果表明：流速越大，指流直径越大。张建丰等[54-55]通过入渗试验和数值模拟对黄土层状结构土中指流的现象、发生机理及产生条件进行研究，揭示了水流在层状结构土壤中的入渗规律；针对不同粒径的砂质层状结构土进行入渗试验，表明指流发生的两个主控因素为水流的稳渗率及土体的饱和导水率。拦继元等[56]对指流的形成机理及影响因素进行试验研究，表明指流在土性及饱和导水率差异大的层状土壤中易发生，均匀土中不会发生。Wang等[57]通过室内土柱渗透试验，探究了层状土中指流的发生机理、指流的流动规律及渗透参数的变化规律。目前指流研究主要集中在发生条件、影响因素等方面，指流对土性的影响及致灾机理研究较少，需要进一步探究。

2.2.3 漏斗流

漏斗流( funnel flow )是指在土体剖面中有一个或几个粗碎屑夹层，当水流入渗到达夹层后将沿夹层的表面倾斜流动至斜夹层的下端，水流汇集，随后湿润锋以“漏斗”形态垂直向下运移的非平衡流[58]，渗流模型见图4。

图4 漏斗流渗流模型Fig.4 Seepage model of funnel flow

漏斗流是优先流的一种，对漏斗流的研究相对较少。Ju等[59-60]等通过数值模拟，调查研究了渗流带中污染物的运移如何受到漏斗型优先流的影响；确定稳态漏斗型优先流的特性，以及它如何受到入渗速率、土层密度和结构组合的影响。Kung等[61]对漏斗流的形成机理及对溶质的运移影响进行研究，还研究了漏斗流的流动模式以及滞后效应对漏斗现象的影响。漏斗流多发生在砂质土壤中，对水分及溶质的运移有很大的影响，是黄土地区地质灾害发生的诱因之一。

近些年来对各类型优先流的形成机理、渗流特征已进行了大量研究，且取得了很大的进展和成果。但优先流研究主要集中在大孔隙流方面，对其他优先流的渗流规律及发育机制研究较少，知识体系不健全，在未来黄土优势入渗研究中需要进一步探索。

3 优势渗流研究方法

3.1 试验观测法

试验观测法是指运用一定的技术手段对黄土地区优势渗流及优先流现象进行观测，对优势通道及流动规律进行定性和定量的分析。按照试验方法对土体的扰动程度，可分为扰动型和非扰动型两种类型。

非扰动试验是指在试验过程中对土体的扰动程度很小或没有扰动，主要包括扫描技术、探地雷达法及高密度电法等。扰动试验指对土体结构造成破坏，使土体不能保持原状，主要包括示踪法、穿透曲线法及张力渗透仪法等。对近些年来优先流的试验研究总结归纳见表1。

表1 优先流试验研究总结表Table1 Summary table of preferential flow experimental studies

试验观测法在优先流研究中有数据易采集分析，结果直观的优点。但同时也具有尺度效应和边界效应的问题，另外扰动性试验破坏了土体结构，与实际可能存在较大的误差。尽可能的减弱或消除两者的影响是将来优先流试验研究的一个重点。

3.2 数值模拟法

数值模拟法是指通过建立优势渗流模型及渗流方程，利用数值软件来模拟水及溶质在土体内的运移特征，是优先流研究非常重要的一个手段。

吴庆华等[69-70]通过HYDRUS的双渗透模型(基质域和大孔隙域)模拟优先流发育过程，表明优先流入渗速率与降雨强度呈正相关，地下水入渗补给以优先流为主。同霄等[71]基于颗粒离散元法对降雨入渗过程裂缝的几何形态变化进行数值模拟，分析优先流的致灾机理。Rahbeh等[72]通过HYDRUS的单孔隙和双孔隙模型模拟优先流的垂直渗流过程，表明土体表层的优先流控制了土壤水分的垂直运动。赵宽耀等[73]通过COMSOL模拟分析优势流和基质流共同作用下不同灌溉强度下水的入渗特征，表明灌溉强度大时，入渗以优先流为主导，基质中的渗流为非饱和入渗；灌溉强度小时，入渗以饱和状态的基质流为主导，优先流为非饱和入渗。Filipovic等[74]等结合染色示踪法及HYDRUS的双渗透模型以原状土柱为对象对土壤中的多孔体系及优先流动路径进行模拟研究。

近年来，随着对优先流研究的深入，HYDRUS、PFC、COMSOL等数值软件被不断完善和广泛应用，土体内部的优势入渗现象拟合也愈来愈好，但若选取的入渗模型不同，得出的结果也不相同，且有的模型参数难以获取。因此对于优势入渗研究，要完善优势入渗模型，建立统一的模型参数获取方法；要试验法与数值模拟相互结合，互相补充。

4 优先流入渗模型

为了更好的定量探究土体中优先流对水分迁移的影响及溶质的运移规律，学者们建立了许多描述土体优先流的入渗模型，常见的优先流模型可分为两域模型、多域模型及其他模型。

4.1 两域模型

两域模型是假定土由由基质域和孔隙域构成，对两域采用特定的水流控制方程和溶质运移方程来模拟优先流在土体中的入渗现象。两域模型又可大致分为两类，一类是水在孔隙域中运移，而在基质域中基本不流动的流动—非流动型；另一类是水及溶质在两域中都可以运移，但在两域中运移速度不同的流动—流动型，这类模型普遍都认为水在基质域中的运移符合达西定律[44]，渗流特征见图5。

图5 两域模型示意图[75]Fig.5 Schematic diagram of two domain models [75]

两域模型研究较为广泛，代表模型很多，极大的拓宽了优先流的渗流研究。Skopp等[76]对两域中的水及溶质运移采用对流弥散方程来表示，用F表示孔隙域，S表示基质域，方程如下：

(1)

(2)

式中：VF，VS为水及溶质在两域的流速，VF>VS；cF，cs为两域中的溶质浓度；θF，θS为两域中的体积含水量；DF，DS为两域的弥散系数；α为两域之间的交换系数。

该模型可以很好的模拟两域间水及溶质的交换和运移，且当VS趋近零时，该模型可简化为流动—非流动型；当α趋近零时，可简化为孔隙簇模型[44]。相较于此，Wallach等[77]也构建了类似模型，Wallach将土体分为流动孔隙域和静止孔隙域，且认为在结构性较好的土体中只有流动孔隙域(由连通性较好的优势通道组成)和两域周围的基质层参与溶质的交换，并通过质量守恒方程来描述运移交换特征，方程如下：

(3)

(4)

式中：c1，c2为流动孔隙域和基质层中溶质浓度；θ1，θ2为流动孔隙域和基质层的体积含水量；q为水在流动孔隙域稳定均匀时的流量；k为质量传递系数；ε为无量纲参数。

该模型简化了质量守恒方程，其模型参数可以通过拟合土壤穿透曲线来获得。当参数ε趋近于零时，模型描述了基质层无限汇聚的情况，相较于Skopp模型更加简单，模型参数更易获取。

两域模型的机理比较简单，对优先流的渗流模拟较好，但也存在许多缺点：流动—非流动型模型与实际不符，水在基质域中也存在渗流现象；模型中部分参数获取比较困难；边界条件的处理比较复杂等。

4.2 多域模型

多域模型是根据孔径将土体划分为多个孔隙域，各孔隙因压力水头及浓度不同而进行水及溶质的交换运移，对每个孔隙域采用相应的运移主控方程来模拟优势入渗现象[44]，渗流特征见图6。Gwo等[78]将土体分为大孔隙域、中孔隙域及微孔隙域，建立多域模型。采用达西定律控制水流，方程如下：

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

(5)

多域模型相较于两域模型对于土体中水与溶质的运移更为精确，但由于多域模型划分土体比较精细，所需模型参数也比两域模型多，且模型参数获取更为复杂，所以多域模型研究较为困难，相较于两域模型研究较少。

4.3 其他模型

除两域模型和多域模型外，许多学者还引入了其他的模型来对优先流的入渗规律进行研究。盛丰等[79]根据优先流表现的阶段特征和分形特征，构建了两区—两阶段模型。两区分别为活动流场和不活动流场；两阶段是指活动流场在发展过程中会出现扩张和保持两个阶段。该模型模拟土体优先流的最大特点是活动流场随着土壤含水率的升高而扩张，是动态变化的，而水及溶质在不活动流场是不运移的。扩张和保持阶段的水流控制方程如下：

(6)

(7)

式中：θa，θi为活动流场和不活动流场的土壤含水率；Ka，ha为活动流场的非饱和水力传导度和土壤势头；f为活动流场占整个流场的比例；fmax为活动流场扩张到最大时占整个流场的比例，与时间无关；raw为活动流场内土壤水耗散和补充的速率。

Mallants等[80]利用一维数值流动模型模拟水流在含大孔隙的层状土壤中的运移规律，将Monte-Carlo随机法引入数值模拟中，构建随机模型。潘网生等[81]将逾渗理论与黄土微观结构研究相结合，构建了黄土双重逾渗模型来模拟研究黄土优势入渗的规律。朱建东等[75]结合分形导数理论对入渗模型进行改进，得到分形导数Richards 入渗模型与分形导数Green-Ampt模型，并对两种模型进行对比评优。除此之外还有多尺度平均模型、混合层模型及两阶段模型等。

优先流模型的构建是认清优先流的流动机理及渗流规律中十分重要的一环，现今对于优先流模型构建已取得了显著成果，但优先流是一种非平衡流，对于其流动规律及渗流特征的控制方程仍需要进一步完善，且模型参数较多、难以精确获取，亟待解决。

5 存在问题及研究展望

优势入渗是导致黄土地区发生重大地质灾害的主要诱因之一，对优势入渗和优先流的研究也是近年来的研究热点问题。但目前的研究仍存在许多问题亟待解决：

(1)优势通道的演变机理及致灾机理不清

优势通道研究是黄土优势入渗研究中不可或缺的一部分，本文将优势通道分为面状优势通道、管状优势通道及粒间优势通道。但对于优势通道与优先流的互馈机制仍不清晰，黄土地区细微观的孔隙、裂隙在优先流作用下是如何扩展演化的，反之优势通道的演变对优先流会产生什么影响，以及这种互馈机制在黄土地质灾害发生过程中发挥的作用仍需要进一步的探究。

(2)优先流入渗机理及入渗模型研究不足

文中对优先流进行分类研究，并对大孔隙流、指流及漏斗流研究进行论述，对其入渗模型及主控方程进行探讨。目前优先流研究主要集中在大孔隙流，且对优先流在土体内部的入渗流动形式及入渗机理有很大争议。另外虽然现今提出了很多优先流入渗模型，入渗模型很大部分将基质域认定为刚性边界，不随优先流的下渗而发生改变，实际存在很大的误差，且主控方程方面也存有争议。所以需要进一步健全优势入渗模型，探究不同类型的优先流及不同类型优势通道下优先流的入渗机理。

(3)优势入渗过程连续可视化监测困难

优势入渗的方法可分为试验法和数值模拟，试验法不可避免会存在尺度效应和边界效应，数值模拟与实际存在较大误差。试验法对于探究某一时刻的优势入渗及优先流流动现象较容易实现，但对于实时连续监测土体的入渗及流动现象还比较困难，实时监测对于优势入渗研究十分重要，是一个急需攻克的难题。在将来优势入渗研究中要减少或克服尺度和边界效应，发展优势入渗实时观测技术。

(4)优势入渗定量化研究困难

优先流是一种背离达西定律的非平衡流，对非平衡流的定量化研究较为困难，现对于优先流的研究主要集中于定性研究，许多学者对优先流建立渗流模型，通过数值模拟来进行定量研究，但选取的模型及主控方程不同，结果也会存在差异，且模型及方程参数的选取比较困难，这也造成了定量化结果不准确。这也是未来研究中需要解决的一个关键问题。

优势入渗和优先流现象在黄土地区宏观、细观和微观层面上都存在，所以未来对优势入渗和优先流及优势通道的演变机制研究需要从宏观—细观—微观3个方面进行研究，建立优势渗流致灾的链生机制，探究优势通道和优先流的互馈机制及对黄土地质灾害的致灾机理。