初始含水量对瞬态流条件下非饱和石灰岩柱中水动力弥散的影响机制研究

本研究针对农业污染物在包气带迁移过程中水动力弥散系数(αL)的量化难题，通过19组示踪实验结合MIM模型，首次揭示了瞬态流（rewetting阶段）下石灰岩的αL值较稳态流高2倍，创新性提出αL与含水量θ、累计注水量的动态关系模型，为地下水污染预测提供了关键参数优化方案。

　　

在农业生产中，化肥和农药通过降雨或灌溉渗入地下，最终污染含水层的过程被称为"非饱和带污染物迁移"。这一过程中，水动力弥散（hydrodynamic dispersion）是决定污染物扩散范围的关键物理现象，其核心参数纵向弥散度（longitudinal dispersivity, α_L）如同污染物的"指纹"，控制着污染羽流的形态。然而，现有研究存在两大瓶颈：一是绝大多数实验在稳态流（steady flow）条件下进行，而实际包气带水流多为瞬态（transient）；二是α_L与含水量θ的关系存在争议，部分学者甚至报告相反结论。更棘手的是，法国巴黎盆地特有的Beauce石灰岩作为重要含水层，其α_L特性尚未系统研究。

针对这些科学难题，法国地质调查局（BRGM）联合ISTO-CNRS的研究团队开展了一项创新性实验。他们选取30 cm长的原始石灰岩柱，设计19组示踪实验，涵盖稳态流、排水后复湿（rewetting）等复杂水文场景。通过高精度监测含水量θ、压力水头h和出流速率，结合移动-不动水模型（Mobile-Immobile Model, MIM），首次量化了瞬态流对α_L的影响。

关键技术包括：1）使用HYDRUS-1D模拟瞬态水流与溶质运移；2）采用MIM模型解析示踪突破曲线（BTCs）；3）创新性建立α_L=f(θ,累计注水量)的动态关系；4）通过链式校准（chained calibration）同步优化15组实验参数。实验样本来自法国Chartres地区80-110 cm深处的Beauce石灰岩，其均质性和低渗透性（K_s=3.6×10^-6 m/s）为研究提供了理想介质。

【Tracer test experiments】
实验设计精妙地区分两类初始条件：稳态流（θ≈0.23）和排水后复湿（θ≈0.15）。结果显示，复湿阶段的α_L值（α_L-dry）达3.0 cm，是稳态流（α_L-wet=1.5 cm）的2倍。

【Water flow and mass transfer equations】
通过改进的ADE方程（含θ和u变量）揭示：复湿时高速水流优先通过大孔隙，导致溶质滞留在细孔隙中，形成"拖尾效应"。MIM模型中的不动水比例（β=0.25）验证了这一机制。

【Calibration strategy】
两步校准法突破传统：先优化van Genuchten模型的6个水力参数（h_r, n, θ_s, θ_r, K_s, b_K），再校准α_L和β。关键创新在于将α_L分为α_L-wet和α_L-dry两类，验证了初始θ的决定性作用。

【Discussion】
研究颠覆了"α_L仅与迁移距离相关"的传统认知，证明瞬态流会通过改变孔隙水流速分布（velocity distribution）显著提升α_L。这一发现解释了田间观测中污染物扩散范围大于模型预测的现象。

该研究发表于《Journal of Hydrology》，其重要意义在于：1）首次建立石灰岩中α_L与瞬态流的定量关系；2）开发的动态α_L模型可嵌入HYDRUS等预测软件，提高农业面源污染风险评估精度；3）为欧盟水框架指令（WFD）下的地下水保护提供科学依据。Dominique Thiéry团队指出，未来需在裂隙性介质中验证该模型，并探索温度对α_L(θ)关系的影响。