多孔介質中溶質擴散滯後的試驗測定與建模研究

《多孔介質中溶質擴散滯後的試驗測定與建模研究》是依託浙江大學，由吳勞生擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：多孔介質中溶質擴散滯後的試驗測定與建模研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：吳勞生
• 項目類別：面上項目

項目摘要

近來孔隙尺度研究表明，多孔介質中的液相分布會受到水分飽和歷史的影響。土壤水分滯後指在變乾和變濕過程中，同樣的基質勢條件下，土壤的含水量不相等。由於土壤孔隙中的水分是主要的溶質擴散路徑，溶質擴散也可能會受到水分滯後效應的影響，但該效應尚未得到系統性的研究。本項目將通過試驗和模擬途徑研究溶質擴散的滯後效應。在利用乾濕方法的基礎上，我們將試驗測定不同含水量和基質勢條件下一種粉砂岩和三種不同質地的土壤的等效溶質擴散係數（也即相應的擴散曲折度）。隨後該整批數據將用來建立溶質擴散滯後的統計模型，將其表示為含水量或基質勢的函式。我們還將利用格子玻爾茲曼法和有限元求解納維-斯托克斯方程等計算流體力學方法，為溶質擴散滯後過程建立起孔隙尺度的物理模型。由於擴散是溶質運移最重要的機理之一，量化溶質擴散滯後可以準確模擬多孔介質中的溶質運移，對於高效施肥、節水、土壤修復以及各種工程套用等方面都有重要的指導意義。

結題摘要

研究孔隙尺度上的土壤水流與溶質運移過程對於了解植物根際養分吸收、微生物活動、地下水污染過程有重要意義。由於在微觀尺度上進行實驗研究具有較大難度，利用微觀CT技術獲取較高精度的土壤孔隙結構信息，再基於CT圖像進行直接建模已成為孔隙尺度研究的熱點方法。進行直接建模已成為孔隙尺度研究的熱點方法。在孔隙結構給定的情況下，水流過程的模擬可以通過計算流體力學方法求解Navier-Stokes方程實現。傳統的數值模擬手段主要通過有限元法、有限體積法、有限差分法等對N-S方程進行離散求解。但是，這些方法在處理多孔介質的複雜邊界時常常遇到困難，模擬結果難以收斂。本項目本文基於格子Boltzmann法在同步輻射X射線顯微CT獲取到的高精度多孔介質結構中進行水流運動和溶質運移的模擬，實現了對真實三維土壤團聚體（解析度3.7μm，節點數達64,000,000）中水流運動和溶質運移過程的直接模擬探究了多孔介質空間異質性對土壤水力學特性以及溶質運移特性的影響，並利用發展起來的模型方法量化分析了生物質炭在改良土壤團聚體結構中的水力學效應及對溶質運移的影響。本項目最終開發了一套高性能孔隙尺度三維飽和壤水流與溶質運移的模擬方法，首次結契約步輻射X射線顯微CT和孔隙尺度物理模型研究了生物質炭改良對土壤團聚體水力學特性和其內部的溶質運移過程的影響。論文中提出的理論和方法對於認識多孔介質中水流運動和養分遷移的微觀機制有著重要意義。