土壤水非均匀流动特征的尺度效应研究方妍1，盛丰2,＊（1.湖南新华水利电力有限公司，长沙410007；2.中山大学环境科学与工程学院，广州510275）摘要：优先流是土壤中常见的水流和溶质运移形式，由于土壤的空间变异性，使得这一重要的土壤水和溶质输移形式难以被捕捉和描述。本文采用碘-淀粉染色示踪方法研究了田间条件下土壤水运动的非均匀特征，通过对染色模式的数字图像分析定性的研究了试验尺度对土壤水流运动非均匀程度的影响，同时采用土壤水实际入渗深度分布非均匀系数（Cμa）和活动流场模型（Activeregionmodel,ARM）分形特征参数（γ）来定量描述不同试验尺度条件下土壤水流动的非均匀程度。研究结果显示，γ和Cμa有着相同的变化趋势，说明γ能正确描述土壤水流运动的宏观非均匀特征；γ为土壤非均匀流流场分形维数的函数，在所研究的试验尺度范围内具有一定的尺度不变性。关键词：碘-淀粉染色示踪试验；非均匀流；尺度；活动流场模型：2009-005：P641.2文献标识码：AScalingeffectsofheterogeneoussoilwaterflowpatternsFANGYan1,SHENGFeng2,＊(1.HunanXinhuaWaterResourcesElectricPowerCo.,Ltd,Changsha410007,China;2.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China)Abstract:Preferentialflowisacommonsoilwaterflowandsolutetransportpatterninthesoil-watersystem.While,asaresultofthespecialvariabilityofsoilphysicalandhydraulicproperties,thepreferentialflowisdifficulttobecharacterized.Threeiodine-starchstainingexperimentswithdifferentinner-framesizeswereconductedinsiltyclaysoiltostudythesoilwaterflowheterogeneityaffectedbytheexperimentalscale.Imageprocessesanddigitalprocedureswereappliedtoanalyzeflowpathsofthesoilprofilesqualitatively.Aheterogeneitycoefficientofrealinfiltrationdepthdistributions(Cμa)andthefractalcharacteristicparameter(γ)oftheactiveregionmodel(ARM)wereusedtocharacterizetheheterogeneityofthepreferentialflowpatternsquantitatively.Resultsshowedthatthefractalcharacteristicparameter(γ)wasabletocapturethemajorfeaturesoftheobservedflowpatternsatthescalesofinterestanddisplayedthesamechangetrendwithCμaunderdifferentscales;theARMparameter(γ)showedasafunctionofthefractaldimensionoftheheterogeneousflowpatterns,andwasindependenttotheexperimentalscaleinthisresearch.Keywords:Iodine-starchstainingexperiment;heterogeneoussoilwaterflow;scaleeffect;activeregionmodel由于土壤高度的空间变异性以及土壤水流运动的非线性，使得土壤非均匀流难以被捕捉和描述[1]。近年来，相当一部分的研究采用随机模拟的方法来直接考虑自然界的各向异性，模拟非均匀介质条件下的水流运动。应用随机模拟方法，关键的一步就是在研究范围内确定所研究单元的运移参数和土壤性质的统计量，即均值、方差和空间变异结构。但是，野外条件下的土壤水动力参数的测量是相当困难、昂贵和耗时的，并且大尺度范围条件下的水动力参数更加难于获得；而通常在小尺度下测量的水动力参数用来分析大尺度范围的流体运动，必然引导出错误的结论。近年来，有研究者根据土壤水流运动的分形特征[2，3]，在连续性模型基础上引入分形理论建立了活动流场模型（Activeregionmodel,ARM）[1]。活动流场模型在描述土壤水流非均匀程度等方面取得了成功，而且活动流场模型参数与流场分形维数具有函数关系，表明模型参数应该具有潜在的尺度特性，但对此还缺乏深入的研究。为计算活动流场模型参数，首先需要获得土壤水流的非均匀分布模式。其中，染色示踪剂由于它能直观的显示土壤非均匀流的分布形式而得到越来越广泛的应用[4，5]。碘离子由于其较高的溶解度、低毒、几乎不被土壤颗粒所吸附、具有与土壤水流几乎相同的运移性能、氧化后与淀粉反应生成的蓝紫色易于被识别和提取等优点，越来越广泛的被用于土壤非均匀流的染色示踪研究[6～8]。本论文采用染色示踪方法研究活动流场模...