开源求解器在潜流带非饱和流动与多组分反应输运模拟中的创新应用

本研究针对潜流带（hyporheic zone）中传统模型忽略地表水位波动和非饱和流动的局限，基于OpenFOAM平台开发了全耦合多相反应输运求解器，整合VoF两相流模型、扩展达西定律及PhreeqcRM地球化学模块，实现了地表-地下双向通量边界条件，为河流廊道生态功能评估提供了高精度模拟工具。

　　

河流潜流带是地表水与地下水混合的关键界面，其动态过程控制着营养物质循环和污染物迁移。然而，传统数值模型多假设河床完全饱和，忽略降水与洪水引起的水位波动及非饱和区流动，导致对生物地球化学过程的预测存在偏差。尤其当涉及氮循环产生的氧化亚氮(N₂O)或磷吸附等反应时，这种简化可能显著影响生态风险评估。

为解决这一问题，由Pei Li、Corey D. Wallace和Mohamad Reza Soltanian团队基于OpenFOAM开发了全耦合三维非饱和流动与多组分反应输运求解器。该模型创新性地整合了表面域VoF（Volume of Fluid）两相流模型与地下域扩展达西定律，通过PhreeqcRM模块耦合复杂地球化学反应网络，并首次实现地表-地下界面的双向保守通量边界条件。研究通过6类多尺度案例验证了模型精度，包括二维沙丘溶质运移、三维河床形态反应输运及水位波动下的非饱和流动模拟。

关键技术方法包括：1）OpenFOAM框架下的并行化多相流求解器；2）基于IMPES（隐式压力显式饱和度）算法的地下非饱和流动模拟；3）PhreeqcRM驱动的多组分反应网络；4）实验室水槽实验与野外多尺度数据验证。

研究结果部分：
Computational methods
模型采用分域策略，地表域通过VoF捕捉气-水界面波动，地下域利用扩展达西定律描述非饱和渗流，两域通过动态边界条件耦合质量与动量守恒。

Numerical modeling cases
在二维沙丘案例中，模型准确重现了溶质穿透曲线；三维河床模拟显示床面几何形态通过高压区增强潜流通量；水位波动情景下，非饱和区显著影响氮素转化路径。

Conclusions
该求解器突破了传统模型的单向耦合局限，首次实现潜流带全耦合多物理场模拟，为河流廊道生态管理提供量化工具。其开源特性（代码发布于HydroShare及GitHub）将推动社区协作发展。

讨论指出，模型对河岸带非饱和区N₂O生成、磷吸附等过程的模拟能力，填补了现有工具在动态边界与多相流耦合的空白。研究获美国国家科学基金会（EAR-2048452）支持，相关成果发表于《Environmental Modelling》。