由于土壤高度的空间变异性和各向异性，使得优先流成为土壤中一种常见的但又难于被捕捉和预测的土壤水流运动和溶质运移形式。土壤水流和溶质在优先流通道中的运移速度远大于其以基质流形态运移的速度，增大了农业灌水和施肥的渗漏损失、缩短了污染物在土壤中停留降解的时间、减少了土壤颗粒对污染物的吸附和截留。所有这些都将增大地下水受污染的风险。　　 为准确预测优先流的发展，人们提出了很多模型。其中，将分形引入连续性模型理论所建立的活动流场模型兼具连续性模型和离散型模型描述非均匀流的优点。尽管一些野外试验资料在一定程度上证明了活动流场模型理论的正确性，但在活动流场模型描述土壤水流运动非均匀程度的有效性以及活动流场模型分形特征参数与入渗条件之间的关系等方面都还缺乏系统和深入的研究。此外，活动流场模型理论尚不够完善，尚未建立起活动流场模型下溶质运移的控制方程，对运用活动流场模型预测优先流演变过程方面也尚未展开深入研究。　　 本论文主要研究内容如下：(1)采用亮蓝和碘离子为染色示踪剂在砂土、壤土和粉质粘土条件下共开展14个染色示踪试验。(2)运用壤土和粉质粘土条件下所进行的碘-淀粉染色示踪试验，评价活动流场模型描述优先流非均匀特征的有效性，并研究不同入渗条件(土壤初始含水率、入渗水量和试验尺度)与活动流场模型分形特征参数值之间的关系。(3)在活动流场模型基本理论和质量守恒原理基础上推导出活动流场模型下土壤水流运动和溶质运移的控制方程；通过与砂土条件下开展的染色示踪试验测量结果的比较，研究活动流场模型和二域模型模拟预测优先流发展的有效性，并通过模型有效性系数展开定量的比较分析。(4)通过相对敏感性分析研究活动流场模型分形特征参数对优先流发展(入渗深度)的影响。此外，通过土壤含水率分布模式参数研究不同入渗条件(土壤类型、流动非均匀性、入渗水量、土壤初始含水率和入渗时间)对入渗后土壤含水率分布形式的影响。　　 本论文取得的主要成果包括：　　 (1)成功地运用互相关函数分析来研究土壤水流入渗变异特征的方向性、比较入渗在剖面内和剖面间变异程度的大小、计算入渗区域上土壤优先流的最大概率宽度。互相关函数表征入渗深度沿不同方向(X方向和Y方向)分布的相关程度，其中沿X方向计算的结果用于比较各剖面内部的入渗非均匀程度，沿Y方向计算的结果用于比较剖面之间的入渗非均匀程度。根据沿不同方向计算的互相关函数曲线的变化特征和大小关系可判定土壤水入渗是否存在方向性以及入渗在剖面内和剖面间变异程度的大小。根据互相关尺度可计算出不同方向(X方向和Y方向)上土壤优先流的最大概率宽度；根据不同方向上土壤优先流的最大概率宽度是否相等也可判定土壤水入渗是否存在明显的方向性。　　 (2)不同入渗条件下活动流场模型均能很好的捕捉到优先流的非均匀特征。相同入渗条件下，土壤初始含水率越小时土壤水流运动的非均匀程度越高，由此拟合的活动流场模型分形特征参数值也越大。入渗水量对土壤水流运动非均匀程度的影响较为复杂。当入渗水量很小时，流动总体上相对比较均匀；当入渗水量增大时，土壤优先流的非均匀程度随之增大；当入渗水量充分增大时，流动整体上又变得相对比较均匀。由此，随着入渗水量的增大，土壤水流运动的非均匀程度先增大后减小，拟合的活动流场模型分形特征参数值也先增大后减小。活动流场模型分形特征参数值在本研究试验尺度范围内变化很小，表明优先流的统计非均匀特征在该研究尺度范围内很可能与试验尺度无关，这说明根据较小尺度上的试验结果计算的活动流场模型分形特征参数值可用于解决较大尺度的问题。　　 (3)在活动流场模型基本理论和质量守恒原理的基础上建立了活动流场模型下土壤水流运动和溶质运移的控制方程，完善和发展了活动流场模型理论。根据活动流场模型和二域模型修改基于连续性模型理论所建立的数值模拟程序，并运用修改后的程序模拟预测土壤优先流的发展。对于所研究的染色示踪试验，二域模型模拟预测的土壤含水率和溶质浓度分布的模型有效性系数均不超过0.4；与之相比，活动流场模型模拟预测的模型有效性系数都在0.8以上。这一结果表明，活动流场模型成功的捕捉到了土壤优先流的整体非均匀特征，活动流场模型预测优先流发展的精度要优于二域模型。　　 (4)不论土壤类型、降雨入渗水量和土壤初始含水率如何，入渗深度对活动流场模型分形特征参数的相对敏感性系数始终大于0。这表明，任何条件下，土壤水流运动非均匀程度(以活动流场模型分形特征参数表征)的增大都将促使优先流流速增大，从而加剧地下水受污染的风险。当降雨入渗水量和土壤初始含水率相同时，入渗深度对活动流场模型分形特征参数的相对敏感性系数随着活动流场模型分形特征参数值的增大而增大；相同活动流场模型分形特征参数值条件下(即流动非均匀程度相同)，入渗深度对活动流场模型分形特征参数的相对敏感性系数随着降雨入渗水量和土壤初始含水率的增大而减小。表明土壤水流运动非均匀程度越高、土壤初始含水率越低和入渗水量越小时，模拟结果对活动流场模型分形特征参数值越敏感。　　 (5)较粗质地土壤、较高的土壤水流运动非均匀程度、较大的入渗水量、较高的土壤初始含水率和较长的入渗时间都能使得最大土壤含水率的发生位置更靠近入渗湿润锋，由此计算的土壤含水率分布模式参数也较大。相对而言，土壤质地对土壤含水率分布模式的影响最大。由于土壤水重分布，使得上层土壤中的活动流场面积小于染色面积，该深度范围的染色比例和染色区内的土壤含水率分布数据不能用来拟合活动流场模型分形特征参数值。当土壤初始含水率沿入渗深度保持不变，并且染色区内的土壤含水率最大值发生在地表以下时，则在土壤含水率最大值发生深度以下土层中活动流场和染色区是相重合的，可选择该深度范围内受土壤初始含水率影响较小数据点(染色面积比例和染色区内的土壤含水率)来拟合活动流场模型分形特征参数值。