水会往哪去?一种测量水流动方式的新方法

原标题:水会往哪去?一种测量水流动方式的新方法

当化学品泄漏到环境中时,重要的是要知道泄漏扩散速度有多快。如果一个农民灌溉一种作物,这个人需要知道水应该以多快的速度通过土壤并被根部吸收。在这两种情况下,都需要很好地了解水的孔隙结构。现在在《水资源研究》期刊上发表的一项研究中,报告了一种测量孔隙结构和水流的新方法。有了它,科学家应该能够更准确地确定水、污染物、养分和其他液体在土壤中移动的速度以及它们的去向。

该数学模型由加州大学戴维斯分校、加州州立大学、北岭分校和北卡罗来纳大学教堂山分校的科学家验证。通讯作者、加州大学戴维斯分校助理教授Majdi Abou Najm说:这将打开一个全新的方向,能帮助人们更有效地利用资源,更好地理解水、污染物和营养素的流动。达西定律是水文学中最重要的方程之一,长期以来被用来描述流体通过多孔介质(如岩石和土壤)的流动。但当现实更为复杂时,这个等式假设一个尺寸适用于所有对孔径的估计。

研究人员表示,模型在现实和当前模型之间找到了一个中间点,前者有无限数量的孔径,后者用一个平均孔径来表示它们。为了研究,新模型在四个沙子上进行了测试,其额外的好处是相对便宜,可以在各种环境中使用。研究表明,大多数孔径测量方法都需要采集有限尺寸的样品进行实验室分析。这种新方法提供了一种简单、廉价的方法,使用可以在典型杂货店买到的物品,如汤增稠剂或食品添加剂,直接在现场测量各种孔径大小。

这是一种简单、廉价的多孔介质孔径表征方法,该方法生成了用于改进流动和传输模型的孔隙半径分布。这种表征孔隙结构的新方法利用了非牛顿流体的最新理论发展。用合成多孔介质进行的数值评估和验证表明,只有在饱和渗透实验中用非牛顿流体补充水,才有可能获得有效孔隙半径的分布及其对总流量的贡献。为了在真实的砂上证明这种能力,用不同的多孔介质填料进行了一系列一维柱实验,包括Accusands和多分散砂/玻璃珠混合物。

对于每个填料,在一定流速和压力梯度范围内注入蒸馏水和不同浓度的瓜尔胶和黄原胶。将模型生成孔隙半径与X射线微电脑断层扫描(μCT)测量的孔隙半径分布进行了比较,结果表明模型与μCT数据之间有很好的一致性。使用模型生成的孔隙半径对饱和水流和排水曲线的模拟,与实验数据进行了良好的对比,单相流的误差通常在2%到10%之间,接近μCT测量排水曲线半径分布的误差。返回搜狐,查看更多

博科园|研究/来自:加州大学戴维斯分校
参考期刊《水资源研究》
DOI: 10.1029/2019WR025044
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