1项目背景与意义

地表水通过渗流进入地下水是地下水回补的主要方式，在这一过程中，毛细水带是渗流的必经路径。毛细水带指的是潜水面以上的薄层饱和带，其进气压力低于穿透潜水面所需的压力。在均匀多孔介质中，毛细水带的高度为潜水面以上直到毛细上升的最大高度。而悬挂毛细水带是指在地下水位波动下，水位从细砂降至粗砂后，存在于地下水位之上但不直接与之相连的毛细水。

在粗砂中，毛细水带的厚度通常为2-5 cm，而在粘性土中，毛细水带的厚度可达200-400 cm。通常情况下，毛细水带的厚度比整个包气带或潜水带要小得多，因此，许多以往的研究常常忽视了毛细水带的存在。然而，本项目组（有学者也）研究发现毛细水带对于地表水入渗及溶质运移具有非常显著的阻滞作用，如图1所示。

图1毛细水带条件下溶质运移某时刻的浓度分布图（本项目组的）

（红线为毛细水带上边界，绿线为地下水位线）

毛细水带通过影响地表水入渗速度和溶质运移规律，直接影响地下水的补给效率和污染物的扩散。然而，目前对毛细水带对地表水渗流及溶质运移影响的认识尚不清晰，尤其在不同类型毛细水带条件下，入渗行为和污染物迁移机制研究仍存在空白。

本项目旨在通过实验与数值模拟，深入研究毛细水带对地表水渗流和溶质运移的阻滞机理，构建其运移模型，揭示毛细水带在地下水污染物扩散中的关键影响机制，为地下水的保护提供新思路。

2 研究内容

（1）  毛细水带对地表水渗流和溶质运移影响规律实验

通过实验研究不同类型的毛细水带对地表水和溶质渗流速度及路径的影响，分析毛细水带边界和毛细水带对于水分和溶质运移的影响规律，揭示水分和溶质在毛细水带中的运动规律。

（2）  毛细水带中水分运动模型及溶质运移模型构建

在实验研究基础上，结合毛细水带中水分和溶质运移规律，构建毛细水带中水分运动模型和溶质运移模型，量化毛细水带对水分和溶质的影响机制，实现其对水分渗流及污染物扩散的数学描述。

（3）  大型软件中毛细水带功能模型自定义开发

在实验研究和模型构建基础上，通过模拟软件设置毛细水带边界功能，实现其上边界的阻滞效应模拟。通过离散化水分与溶质运移模型，开发自定义模型，完成大型软件的二次开发，提升模型应用能力。

（4）  毛细水带作用下地下水环境影响数值模拟

结合实际工程，通过数值模拟深入探讨不同类型毛细水带中地表水与污染物的扩散规律，全面分析毛细水带在水分与溶质运移中的关键作用，揭示其对地下水环境的影响机制。

3 研究目标

本项目旨在研究毛细水带对地表水渗流和溶质运移的影响机制，通过实验、理论和数值模拟相结合的方法，揭示毛细水带对地下水环境的关键作用。具体目标包括：通过实验分析毛细水带对水分和溶质运移的影响规律；构建水分运动和溶质运移模型，实现其影响机制的数学描述；开发自定义模型，在大型软件中实现对毛细水带影响的准确模拟；通过数值模拟探讨毛细水带在水分与污染物扩散中的关键作用，为地下水环境管理提供科学依据。

4 拟解决的关键问题

（1）  毛细水带对地表水和溶质运移的影响机制

这一问题是本研究的核心，理解其机制有助于全面揭示毛细水带在水分和溶质运移中的作用，是认识其对水分和污染物迁移影响的基础。

（2）  毛细水带对水分和溶质运移影响的数学描述

准确构建水分运动模型和溶质运移模型才能有效描述毛细水带的影响，是实现量化描述和模拟的基础，对后续研究和实际应用至关重要。

5 本项目创新点和特色

（1）综合考虑毛细水带对水分与溶质运移的影响

本项目最大创新点在于系统性研究毛细水带对水分渗流和溶质运移的影响，突破了以往研究对其作用的忽视。通过实验与模型结合，量化毛细水带的阻滞效应，构建相应的水分与溶质运移模型，为更好地理解其在地下水环境中的关键作用提供新视角。

（2）水利与多学科交叉研究的创新探索

本项目结合水利、力学、环境科学与土壤科学，研究毛细水带对水分与污染物运移的影响。通过分析其在水资源管理与地下水质量监测中的关键作用，运用数值模拟方法推动大型软件开发，为水资源管理提供创新技术支持。

6 项目具备的条件

（1）实验研究方面

本项目组搭建了毛细水带可视化实验平台，如图2所示。提出了通过数字图像溶质浓度观测方法，如图3所示。具备了研究毛细水带影响机制的实验条件和技术优势。

图2 可视化实验平台（实物图和示意图）

图3 观测方法流程图

（2）模型构建方面

项目组具有深厚的水分和溶质运移模型研究基础，是国内最早从事分数阶溶质扩散模型研究的团队，团队长期致力于模型构建的研究，发表SCI论文20余篇，如图4。具有构建模型的深厚研究基础。

图4 团队早期和最近的研究成果

（3）软件二次开发方面

项目组已经进行了毛细水带的边界设置研究，能够描述其阻滞作用，如图5。项目组具有COMSOL和FLUENT软件二次开发经验，能够通过编制程序实现自定义模型开发，如图6。

图5毛细水带阻滞作用设置及模拟效果

图6 FLUENT软件中的自定义模型源程序

（4）大型工程数值模拟方面

项目组具备大型工程数值模拟经验，针对污染物扩散模拟，主持了南京滨江小化工地块的污染物扩散预测和流场分析研究，如图7所示。

图7 某实际工程的三维模型和污染物扩散模拟

招募学生要求

（学生参与项目研究所需的知识背景、技术能力等要求）

（1）  准备继续深造的同学优先，不介意是否跟指导教师深造，关键是有继续学习的意愿

（2）  愿意学习数值模拟和实验技术的同学优先，无论目前是否掌握，关键是有兴趣。