北京
在实验室土柱中，一个对流–弥散模型往往可以很好地拟合突破曲线。但到了真实含水层，同样的方法却可能遇到完全不同的问题：污染羽提前到达、长时间拖尾、形态高度不对称；实验室测得的弥散参数到了场地尺度不再适用；随着观测尺度和模型尺度改变，得到的“有效参数”也随之改变。
01
问题究竟出在哪里？
答案很大程度上隐藏在两个相互联系的关键词中：非均质性与尺度效应
地下介质并不是均匀的。孔隙、沉积层理、裂隙以及不同尺度的水力参数变化，共同塑造了高度复杂的地下水流速场。溶质在这样的介质中运移，其表现不仅取决于分子扩散和局部弥散，还取决于我们在什么尺度上观察、描述和模拟这一过程。
从分子运动，一直走到真实场地
全书并不是从一个复杂模型直接开始，而是沿着溶质运移问题自身的尺度逐步展开。
从完全混合模型和质量守恒出发，进入分子扩散、对流–扩散方程及其数值求解；随后讨论剪切流弥散、土柱中的溶质运移和参数估算，并进一步走向场地尺度含水层中的随机非均质性、宏观弥散以及真实场地示踪实验，最后讨论水力层析、电阻率层析等高分辨率含水层表征方法。
从分子尺度—孔隙尺度—达西尺度—土柱尺度—场地尺度，这些看似分散的问题最终指向同一个核心：
当观测尺度改变时，我们看到的溶质运移规律为什么会发生变化？
经典对流–弥散方程为什么有时“不够用”？
对流–弥散方程是地下水溶质运移研究最基本的理论工具之一。
问题并不在于这一经典方程“错了”，而在于必须理解其中参数代表什么尺度，以及哪些非均质性已经被显式描述、哪些仍被隐藏在所谓“有效弥散”之中。
在均质介质和充分混合条件下，经典理论可以很好地工作；而在真实的强非均质介质中，不同路径上的流速差异可能持续存在，溶质羽流随之发生拉伸、分裂、偏斜和拖尾，并表现出明显的非菲克型运移特征。
因此，弥散度并不一定是一个可以从实验室直接搬到场地的固定介质参数。
尺度改变以后，参数的物理含义也可能随之改变。
从“一个参数”走向“随机场”
这也引出了本书另一条重要主线——随机水文学。
面对一个真实含水层，我们通常不可能知道每一点的渗透系数。有限的钻孔和试验只能获得地下世界的局部信息。
如何利用这些有限信息描述空间非均质性？
如何认识相关尺度、变差函数、随机场和条件实现？
什么时候可以把复杂含水层等效成均质介质？
什么时候这种等效会掩盖控制污染羽流演化的关键结构？
本书从随机场和尺度效应的角度，对这些问题进行了系统讨论，并进一步联系场地尺度示踪实验、高分辨率水力参数表征和溶质羽流预测。
从理论，到真实地下水系统
书中还系统介绍了多个经典场地尺度示踪实验及其理论意义。
这些试验告诉我们：真实地下水系统中的溶质羽流远比理想模型复杂。宏观弥散、遍历性、非平稳性、边界条件以及不同尺度的非均质结构，都可能影响我们对污染物迁移范围和长期行为的预测。
近年来发展起来的水力层析、电阻率层析等高分辨率表征技术，则提供了一条新的路径：
与其把所有无法解析的非均质性都归入一个“弥散参数”，不如尽可能认识真实地下介质本身。
这也是地下水溶质运移研究从传统等效参数模型走向高分辨率表征和预测的重要方向。
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一本关于“尺度”的书，也是一套理解非均质性的思维方式
《非均质介质溶质运移理论与方法》涉及扩散、对流、弥散、随机场、尺度效应、宏观弥散、非菲克运移、场地示踪和含水层高分辨率表征等内容。
但贯穿全书的并不是某一个公式或某一种模型，而是一个更基础的问题：
我们在什么尺度上认识地下世界，又在什么尺度上预测溶质的未来？
对于从事地下水科学、水文地质、环境地质、污染物运移、地下水数值模拟及相关研究的教师、科研人员和研究生而言，这既是一本理论与方法参考书，也可以作为进一步理解非均质地下水系统的一条系统学习路径。
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编辑说明
本文摘编自科学出版社2026年6月出版的
《非均质介质溶质运移理论与方法》
(美) 叶天齐 董艳辉 叶淑君 等著.
北京: 科学出版社, 2026.6；
ISBN 978-7-03-085955-6；
责任编辑：韦 沁
图片来源于该书，标题为编者所加
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