孔隙流体动态非平衡效应的形成机制及其对土体水力特性的影响

The soil hydraulic property curve is one of the most important parameters for the research on the hydraulic process and pollutant transportation in soils. However, the limits are also evident when the soil hydraulic properties measured under static flow conditions are used under complicated hydraulic dynamic and boundary conditions due to the dynamic non-equilibrium effect (DNE). In this project, goal-specific drainage-imbibition processes with different particle size media, pore fluid pairs (air-water, NAPL-water), hydraulic dynamic conditions (fluid velocity and its change rate, and capillary number), boundary changes (change type of the boundary pressure and its change rate) are produced. At the macro level, the occurrence and strength of DNE connected to the particle size, hydraulic dynamic condition, boundary pressure change, spatial and temporal scale of the sampling, and the drainage-imbibition cycle itself are systematically investigated and characterized. At the micro level, observations of the pore structure, the shapes of the pore fluids and their interface movement via X-ray Computed Tomography and neutron imaging techniques are further performed for revealing the relationship between the occurrence and strength of DNE and the micro pore process of the pore fluids. Then the key determiners which determine the occurrence and strength of DNE are analyzed thoroughly, and the generation mechanism of DNE are put forward at a macro-micro conjunction level. The relationships between the key determiners and the DNE strengths are established under complicated soil-water systems. The project combines the micro pore processes of pore fluids and the macro responses of DNE characterizations, which will be meaningful for a further understanding of the hydraulic process and the establishment of more accurate hydraulic property curve models.

因动态非平衡效应（DNE）的存在，传统土壤水力特性曲线在复杂水动力或边界条件下其准确性受到质疑。为此，项目拟科学匹配粒径与孔隙流体，系统构建不同水动力与边界条件下的土体环境。在宏观层面，通过干燥与湿润过程，系统解析孔隙流体DNE效应产生及强弱与介质粒径、孔隙流体、水动力及边界、研究尺度及干燥与湿润过程本身之间的内在机制。在微观层面，采用X-CT技术，辅以中子成像方法，研究干燥和湿润过程中孔隙结构、孔隙流体形态及流体之间界面运动等微观过程，探究不同土体粒径、水动力及边界条件下流体孔隙运动微观过程与其宏观DNE效应之间响应机制。从微观和宏观层面探讨影响DNE效应产生及强弱的关键因子，建立关键因子—DNE效应强度关系，进而揭示孔隙流体DNE效应的产生机制。项目将流体孔隙运动微观过程与DNE效应宏观响应关联研究，对于揭示土体水分与物质过程中的关键因子，构建更为科学的新型水力特性关系具重要意义。

为获得土壤孔隙流体动态非平衡效应（DNE）效应的产生条件、强弱及关键影响因子、粒径及水动力条件对土壤孔隙流体DNE效应产生及强弱的影响、宏观和微观层面土壤孔隙流体DNE效应产生机制，同时为了减少不同实验之间因孔隙细微变化对介质的DNE）测定带来的不确定性，我们在一系列完整干燥过程中测定了逐步干燥过程中动态与静态的S-p关系，并用来推断在每一步干燥过程中DNE及DNE随时间的变化，从而构建新的参数来表征DNE，以确定影响孔隙流体DNE大小的因素（如包括毛细数、饱和度随时间变化率、饱和度随时间变化最大值（RSMAX））。结果表明，动态条件下的侵入压大于静态条件下的侵入压，DNE仅当水饱和度大于某一阈值时才发生。 无论在单一的干燥过程还是逐步干燥过程中，最大毛细压力（PMAX）均早于最低饱和度值（SMIN）出现前发生。同时，在逐步干燥过程中，除了从完全饱和状态开始的那一逐步过程，其他的逐步过程中RSMAX产生早于动态与静态毛细压力差（DPMAX）的出现而出现.。因而，一逐步过程中DNE可以用PMAX与SMIN发生时间差、DPMAX、动态与静态条件下毛细压力差的均方根（DPAVE）及动态参数τ 等来表征。更进一步可以发现，在干燥过程中，饱和度及饱和度的变化率对于构建DNE模型比毛细数更为重要。在逐步干燥过程中时间差△t, DPAVE, 和DPMAX 是表征DNE的非常重要的参数。.通过X射线计算机断层扫描（X−CT）技术对不同粒径及水动力条件下获得的已达到剩余饱和度状态时的柱状样进行测定，发现孔隙中残余水是以水膜形式分布于每一个孔隙边缘，且直径小的孔隙中的残余水占孔隙的百分比接近100%（孔隙可被水相完全填充）。不同粒径的砂样中，细小的孔隙被水及水膜占据的比例最高，粗大的孔隙中仅有水膜分布与孔隙边缘。.探讨DNE效应作用下传统水力特性曲线之不足，将DNE效应融入传统的水力特性方程中，构建可以更加科学地表征在孔隙尺度或水动力及边界条件复杂多变情况下的新型土体水力特性关系，为土体中水分与物质过程、地下水污染物地球化学过程等模型提供可靠的参数和理论支持，对学科传统概念、理论的发展有积极意义。