局部物质流入对变饱和系统中非局部示踪剂传输的影响

《Journal of Hydrology》：Influence of local influx on non-local tracer transport in a variably saturated system

不同入流水量对多尺度孔隙介质中示踪剂传输行为的影响表明，低流量下示踪剂穿透更深、更快流动区域，导致更早且尖锐的突破峰，而高流量因近表面约束导致更分散的输运。数值模型未能准确模拟低流量情况，提示需改进局部尺度初始条件表征。

　　本研究探讨了不同水量和示踪剂输入速率对多孔介质中非局部传输行为的影响。实验通过模拟从地表入渗到部分饱和区再到完全饱和区域的整个过程，揭示了短期入渗事件如何影响在更大尺度上（例如厘米-小时和分米-天）的传输动态。研究的主要目的是分析局部入渗动态对系统尺度传输行为的潜在影响，特别是示踪剂在非饱和与饱和区域之间的传输过程。实验采用了一种实验室规模的流体流动单元，该单元模拟了地下水流动，并在不同的输入速率条件下引入了示踪剂脉冲。通过观察和分析这些示踪剂在流出端的浓度变化，研究揭示了输入速率如何影响示踪剂在系统中的传播路径和时间。

在实验设计中，研究人员使用了一种均匀的石英砂填充的流体流动单元，其尺寸为83厘米长、42厘米高、10厘米宽。这种单元模拟了地下水流动，并通过控制入渗速率来研究不同条件下的传输行为。实验中，研究人员引入了一定量的示踪剂溶液，通过两种不同的输入速率进行测试。输入速率分别为0.55毫升/分钟（Q_high）和0.275毫升/分钟（Q_low），对应的脉冲持续时间为100分钟和200分钟。两种情况的示踪剂输入体积相同，但不同的输入速率导致了截然不同的传输模式。通过实验测量和数值模拟的结合，研究人员试图理解这些不同输入条件如何影响示踪剂在系统中的分布和传输。

实验结果显示，较低的输入速率导致示踪剂在流出端更快地出现，并形成了更尖锐的浓度峰值。这表明，当示踪剂能够深入到更快速流动的区域时，其传输速度会加快。相反，较高的输入速率导致示踪剂在接近地表的低速区域中停留时间更长，因此其在流出端的浓度峰值更为缓慢且分散。这一现象可能与水力传导性、饱和度分布以及毛细力和重力的相互作用有关。例如，较高的输入速率可能使示踪剂的分布更加集中于地表附近的区域，而较低的输入速率则允许示踪剂更深入地渗透到介质中，从而接触到更快速流动的区域。

为了进一步分析这些传输行为，研究人员使用了两种不同的数值模型：一种是基于理查兹方程和对流-弥散方程的连续模型，另一种是基于粒子追踪的模型。连续模型能够较好地模拟高输入速率下的传输过程，但未能准确再现低输入速率下的示踪剂浓度峰值。这表明，传统的连续模型在描述低输入速率下的传输行为时可能存在一定的局限性。相比之下，粒子追踪模型通过设定不同的初始示踪剂分布条件，能够更准确地再现两种输入速率下的浓度变化趋势。

这一研究结果强调了在多孔介质系统中，局部输入动态对非局部传输行为的重要影响。尽管传统的连续模型在描述整体传输行为时具有一定的优势，但在某些情况下，特别是当系统中存在多个不同的水力区域时，这些模型可能无法充分捕捉到局部变化对整体传输过程的影响。因此，研究人员提出了一种新的方法，即通过设定不同的初始条件来模拟系统尺度的传输过程。这种方法能够更好地反映局部入渗动态对整体传输行为的影响，尤其是在非饱和与饱和区域之间的耦合过程中。

此外，研究还指出了多孔介质系统中存在的一些复杂性和挑战。例如，水力参数（如传导性、含水率和水力滞留特性）在不同尺度上的表现可能存在差异，而这些差异可能导致传统模型在描述实际系统行为时出现偏差。因此，研究人员强调了在建模过程中，必须考虑到不同尺度之间的相互作用，以及局部水力条件对整体传输行为的潜在影响。

实验还发现，尽管在实验室条件下使用了均匀的石英砂，但不同输入速率下的示踪剂传输行为仍然存在显著差异。这表明，即使在看似均匀的介质中，局部输入动态仍然能够对整体传输行为产生重要影响。因此，研究人员建议在建模过程中，不仅要关注宏观水力参数，还要充分考虑局部输入条件对传输行为的影响。

最后，研究结果对实际应用具有重要意义。例如，在浅层地下水环境中，地表过程（如灌溉、施肥、污染泄漏、降水或蒸发）可能会对地下水的传输行为产生显著影响。因此，理解这些不同尺度上的传输动态，对于改进污染物传输模型、地下水补给预测以及相关的水文过程研究具有重要的现实意义。研究还指出，传统的多尺度建模方法在某些情况下可能无法准确捕捉到局部输入动态对整体传输行为的影响，因此需要进一步探索和改进建模方法，以更好地反映实际系统的复杂性。