天然土壤中指流分数与水通量关系的评估研究及其在土壤水动力学模型中的应用

本研究针对非饱和土壤中指流现象(fingering flow)对地下水流动和溶质迁移的关键影响，通过将实验室验证的指流分数(f)与水通量(qs)幂律关系应用于野外染色入渗实验数据，首次在自然土壤条件下验证了Active Region Model (ARM)的适用性。研究发现，无需额外参数调整，仅需恒定a0=0.43即可准确模拟野外尺度的水分分布与指流动态，为农业资源高效利用和地下水污染防控提供了创新性建模工具。

　　

土壤中的水流路径从来不是均匀分布的——当水分在重力作用下穿过干燥或多层结构的土壤时，常会形成被称为"指流"(fingering flow)的狭窄优先通道。这种现象如同大自然在土壤中绘制的神秘指纹，不仅加速水分下渗，更成为污染物直达地下水的"快速通道"。传统土壤水动力学模型如Richards方程对此束手无策，而双孔隙模型又因参数复杂难以实用。这给农业面源污染防控和地下水保护带来了巨大挑战，特别是在中国这样农业集约化程度高的发展中国家。

清华大学领衔的研究团队在《Journal of Hydrology》发表的研究中，通过创新性地将实验室发现的指流分数(f)与水通量(q_s)幂律关系(f=(q_s/K_s)^a₀)嵌入Active Region Model (ARM)框架，首次实现了对自然土壤中指流现象的准确模拟。该研究采用染色示踪与数值模拟相结合的方法，利用野外入渗实验数据验证模型，发现恒定参数a₀=0.43即可精确预测不同深度土壤的指流分数和水分分布，无需针对自然土壤的复杂性进行参数调整。

关键技术方法
研究团队通过染色入渗实验获取野外土壤剖面指流分布数据，结合ARM模型将传统Richards方程扩展为包含活动区域分数(f)的新形式?(fθ_a)/?t=?·[fK_a(?h_a+1)]。模型输入参数仅需常规土壤水力特性参数，通过数值求解获得水头(h_a)、水通量(q_s)和活动区域分数(f)的动态分布。

模型结果
模拟显示：1) 积水入渗阶段，表层土壤水通量接近饱和导水率K_s，形成显著指流；2) 停止供水后，浅层土壤通量迅速衰减而深层保持稳定，反映指流通道的持续特性；3) 活动区域分数(f)随深度增加呈递减趋势，与染色示踪结果高度吻合(R²>0.9)。

讨论与结论
该研究突破性地证明：1) 实验室建立的f-q_s关系具有普适性，可拓展至非均质自然土壤；2) ARM框架通过单组参数实现指流模拟，较传统双孔隙模型参数需求减少50%；3) 参数a₀的稳定性(0.39-0.48)印证了水流路径选择遵循最小能耗原理的理论假设。这项成果为区域尺度农业污染物迁移预测提供了实用工具，对制定精准灌溉和污染防治策略具有重要实践价值。