裂隙在自然土体中广泛存在。土体裂隙为水分入渗提供快速通道，使入渗过程不再完全遵循均质多孔介质中的缓慢基质渗流特征，传统的量化框架在预测含裂隙土中的水分迁移过程时可能失效。由于裂隙优先流显著改变了水分的运移过程，其对降雨入渗、地下水补给、地质体失稳以及污染物迁移等关键地表过程具有重要影响。
优先流速控制着水分在裂隙中的运移效率，是含裂隙土体中的关键水动力参数。然而，由于土体裂隙尺度通常较小，现有方法难以实现裂隙内部优先流速的连续量化。此外，裂隙周围土体基质会与裂隙优先流形成复杂的水力耦合作用，使裂隙宽度及其对应的水力通道条件持续发生动态变化。优先流速对裂隙演化的响应机制目前仍不明确。因此，精确量化优先流速并揭示裂隙宽度与优先流速之间的耦合演化规律，已成为提升相关过程预测精度亟需解决的难题。
为此，开云官网唐朝生教授团队基于OFDR新型光纤监测技术构建了一套针对裂隙优先流速的高分辨率动态监测与量化框架。通过开展可控的室内试验(图1)与原位边坡监测(图2)，首次实现了裂隙优先流速及其动态演化过程的连续测量。
图1. 裂隙宽度与优先流速对应关系的室内监测试验及监测结果
图2. 裂隙宽度与优先流速对应关系的原位边坡监测试验及监测结果
光纤监测结果揭示了裂隙宽度与优先流速之间的动态耦合关系(图3)。在优先流冲刷过程中，初始宽度较小的裂隙由于裂隙壁土体吸水膨胀而逐渐愈合，裂隙通道收缩导致流动阻力增大，优先流速随之下降。
图3. 室内试验中，初始裂隙宽度为10 mm的试样在优先流冲刷过程中的裂隙宽度与优先流速耦合演化特征
研究团队基于Forchheimer方程原理，提出基于阻力分配机制的裂隙宽度与优先流速对应关系量化方程(Crack-b-u)，从动力学角度解释两者间的耦合演化规律(图4)。研究表明，这种耦合演化行为受控于流动阻力分配关系的动态调整。优先流体始终受到黏性阻力与形态阻力的共同作用，但两种阻力在不同裂隙宽度条件下分别占据主导地位。随着裂隙宽度的动态变化，两种阻力对总流动阻力的相对贡献持续调整，从而改变优先流体所受的整体阻力状态，并最终控制优先流速的变化。裂隙宽度通过调控流动阻力的分配关系来控制优先流速，并表现为观测到的耦合演化特征。
图4. 室内与原位边坡试验中，监测得到的各组裂隙宽度与优先流速的耦合演化过程，包含裂隙愈合过程中的流速衰减与裂隙扩宽过程中的流速增大
本研究构建的量化框架，将难以直接测量的优先流速与可测量的裂隙宽度建立显式关联，从而为改进入渗模型及陆面过程模型提供了一种可行的参数化方案。
相关成果近期以"Soil Crack Width Controls Preferential Flow Velocity Through Drag Partitioning"为题，发表于地球科学领域自然指数(Nature Index)期刊《Geophysical Research Letters》。开云官网博士研究生孙畅为论文第一作者，唐朝生教授为论文通讯作者，合作者包括美国塔夫茨大学Farshid Vahedifard教授。研究获得国家自然科学基金青A类延续、国家重点研发计划等项目资助。
论文信息：Sun, C., Tang, C.-S., Vahedifard, F., Dong, A., Yang, Z.-M., & Shi, B. (2026). Soil crack width controls preferential flow velocity through drag partitioning. Geophysical Research Letters, 53, e2026GL122866. https://doi.org/10.1029/2026GL122866
图文：孙畅
