當(dāng)化學(xué)品泄漏到環(huán)境中時(shí)，重要的是要知道泄漏擴(kuò)散速度有多快。如果一個(gè)農(nóng)民灌溉一種作物，這個(gè)人需要知道水應(yīng)該以多快的速度通過土壤并被根部吸收。在這兩種情況下，都需要很好地了解水的孔隙結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)在在《水資源研究》期刊上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，報(bào)告了一種測(cè)量孔隙結(jié)構(gòu)和水流的新方法。有了它，科學(xué)家應(yīng)該能夠更準(zhǔn)確地確定水、污染物、養(yǎng)分和其他液體在土壤中移動(dòng)的速度以及它們的去向。

該數(shù)學(xué)模型由加州大學(xué)戴維斯分校、加州州立大學(xué)、北嶺分校和北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的科學(xué)家驗(yàn)證。通訊作者、加州大學(xué)戴維斯分校助理教授Majdi Abou Najm說：這將打開一個(gè)全新的方向，能幫助人們更有效地利用資源，更好地理解水、污染物和營養(yǎng)素的流動(dòng)。達(dá)西定律是水文學(xué)中最重要的方程之一，長期以來被用來描述流體通過多孔介質(zhì)(如巖石和土壤)的流動(dòng)。但當(dāng)現(xiàn)實(shí)更為復(fù)雜時(shí)，這個(gè)等式假設(shè)一個(gè)尺寸適用于所有對(duì)孔徑的估計(jì)。

研究人員表示，模型在現(xiàn)實(shí)和當(dāng)前模型之間找到了一個(gè)中間點(diǎn)，前者有無限數(shù)量的孔徑，后者用一個(gè)平均孔徑來表示它們。為了研究，新模型在四個(gè)沙子上進(jìn)行了測(cè)試，其額外的好處是相對(duì)便宜，可以在各種環(huán)境中使用。研究表明，大多數(shù)孔徑測(cè)量方法都需要采集有限尺寸的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析。這種新方法提供了一種簡單、廉價(jià)的方法，使用可以在典型雜貨店買到的物品，如湯增稠劑或食品添加劑，直接在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量各種孔徑大小。

這是一種簡單、廉價(jià)的多孔介質(zhì)孔徑表征方法，該方法生成了用于改進(jìn)流動(dòng)和傳輸模型的孔隙半徑分布。這種表征孔隙結(jié)構(gòu)的新方法利用了非牛頓流體的最新理論發(fā)展。用合成多孔介質(zhì)進(jìn)行的數(shù)值評(píng)估和驗(yàn)證表明，只有在飽和滲透實(shí)驗(yàn)中用非牛頓流體補(bǔ)充水，才有可能獲得有效孔隙半徑的分布及其對(duì)總流量的貢獻(xiàn)。為了在真實(shí)的砂上證明這種能力，用不同的多孔介質(zhì)填料進(jìn)行了一系列一維柱實(shí)驗(yàn)，包括Accusands和多分散砂/玻璃珠混合物。

對(duì)于每個(gè)填料，在一定流速和壓力梯度范圍內(nèi)注入蒸餾水和不同濃度的瓜爾膠和黃原膠。將模型生成孔隙半徑與X射線微電腦斷層掃描(μCT)測(cè)量的孔隙半徑分布進(jìn)行了比較，結(jié)果表明模型與μCT數(shù)據(jù)之間有很好的一致性。使用模型生成的孔隙半徑對(duì)飽和水流和排水曲線的模擬，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了良好的對(duì)比，單相流的誤差通常在2%到10%之間，接近μCT測(cè)量排水曲線半徑分布的誤差。

博科園｜研究/來自：加州大學(xué)戴維斯分校

參考期刊《水資源研究》

DOI: 10.1029/2019WR025044

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