粗粒土壤中非达西渗流锋面的动态接触角调控机制及其环境迁移意义

为解决重力驱动优先流(Gravity-driven preferential flow)对地下水污染的潜在风险，研究人员通过高分辨率高速摄像技术，首次系统研究了不同静态接触角(Static contact angle)多孔介质中渗流锋面的非达西运动特性。发现湿润锋以0.06 m/s的间歇性高速推进时，动态接触角(Dynamic contact angle)符合Baver-Hoffman方程，证实了非稳定流中基质势(Matric potential)的不连续性，为污染物迁移预测提供了新理论依据。

　　

这项突破性研究揭示了粗粒土壤中水分运动的奇特现象：当重力驱动的优先流(Gravity-driven preferential flow)发生时，湿润锋会像跳格子游戏般以每秒0.06米的惊人速度在孔隙间跳跃式前进，每次仅穿过最小孔隙，整个过程仅需0.01秒！通过高精度高速摄像技术捕捉到的画面显示，这种非达西流(Non-Darcian flow)会使水分子与颗粒表面的接触角"变形"——动态接触角(Dynamic contact angle)随着流速增加而显著增大，且严格遵循Baver-Hoffman方程。

更令人振奋的是，无论多孔介质的静态接触角(Static contact angle)如何变化，这种规律都普遍适用。研究团队首次从实验角度证实了湿润锋两侧基质势(Matric potential)存在"断崖式"跃变，这就像在土壤孔隙中发现了微观尺度的"瀑布效应"。该发现为预测病原体(Pathogens)和农药(Pesticides)等污染物在地下水中的迁移提供了全新视角，特别是在沙质含水层等粗粒土壤环境中。