渗流-温度驱动下非饱和土壤中重金属迁移的颗粒热力学机理研究

针对非饱和土壤中重金属(HMs)迁移机制不明的问题，北京交通大学团队构建了渗流-温度耦合驱动的多相流传输模型，创新性引入颗粒温度、颗粒熵等热力学参数，揭示了介观尺度能量耗散机制。通过一维土柱实验验证，该模型成功模拟了HMs在变浓度条件下的迁移规律及液-气相变过程，为污染土壤修复提供了理论工具。

　　

随着工业化和城市化进程加速，重金属污染通过大气沉降、地表径流等途径侵入土壤-地下水系统，形成持久性生态威胁。尤其非饱和带作为污染物进入地下水的关键屏障，其复杂的渗流-温度-化学耦合机制尚未明晰。传统研究多聚焦饱和区污染物迁移，而对非饱和土壤中液-气-固多相交互、相变诱导的重金属(HMs)迁移缺乏系统认知。这一知识缺口严重制约了污染防控技术的精准设计。

北京交通大学的研究团队在《Journal of Hydrology》发表的研究中，创新性地从颗粒热力学视角切入，建立了渗流-温度双驱动下的非饱和土壤多相流耦合模型。该模型首次引入颗粒温度(particle temperature)和颗粒熵(particle entropy)等介观参数，通过势能密度函数与迁移系数协同作用，揭示了耗散力与耗散流的内在关联。研究通过一维土柱实验验证模型可靠性，并系统探讨了HMs类型、浓度对水分分布及迁移行为的影响，特别捕捉了从非饱和态到饱和态的演化过程。

关键技术方法包括：1) 构建包含固相基质(S)、液态水(W)、气相(G)和离子(H)的多相质量守恒方程?ρ^α/?t-?²(D_αρ^α)+?_i(ρ^αv^αS)=ρ?^α；2) 设计60cm×14.8cm的土柱装置模拟变浓度条件C_i(t)=C₀(1-exp(-βt/M))；3) 耦合吸附-解吸动力学与相变过程的数值计算。

质量、动量和能量守恒
通过建立四相(S/W/G/H)质量守恒方程，引入表观密度ρ^α=n^αρ_α和迁移速度v^αS等参数，量化了各相间的物质交换。动量守恒分析揭示了温度梯度对孔隙演化的动态影响。

试验描述与数值方法
采用高耐温土柱装置验证模型，监测数据显示模型能准确预测不同深度处水分、水蒸气和HMs的迁移规律，尤其在β=0的恒浓度条件下呈现典型对流-扩散特征。

计算模型
数值模拟表明：相变过程通过改变孔隙水压显著影响HMs传输路径，而吸附-解吸动态平衡则主导着Cd²⁺、Pb²⁺等二价离子的滞留效应。

研究结论指出，该模型首次实现了非饱和土壤中THM(热-水-力学)耦合与化学传输的协同计算，突破传统模型仅考虑单相传输的局限。通过颗粒熵等参数的引入，为介观尺度能量耗散机制提供了量化工具。实践意义上，该成果不仅为垃圾填埋场防渗系统优化提供理论支撑，更拓展了重金属污染土壤的原位修复技术路径。值得注意的是，模型对冻融循环等极端气候条件下的相变-迁移耦合过程预测仍有提升空间，这将成为后续研究重点。