海院科研动态（6）| 孔隙运动中动态非平衡效应研究取得新进展

      传统土壤水力特性曲线基于静态实验条件建立，认为土体中该曲线是唯一的，水分、压力和水力传导度之间一一对应。然而近年研究发现，土体中土壤水力特性曲线受土体的水动力条件、边界效应及孔隙流体之间、流体与孔隙固壁之间的相互作用等影响而千变万化。以往研究者们大多采用单独的动态和静态实验分别获取动态和静态条件下的土壤水力特性曲线，但由于两种实验条件改变了研究对象的介质结构，对研究结果的准确性产生了不确定性。

       我院李雁教授研究团队以细砂为介质，选取气−水两相体系作为多相流研究对象，设计简洁有效的实验装置及测定方法，在不改变介质结构条件下，同时测定了干燥过程中动态与静态条件下土体水饱和度、毛细压力及其关系曲线，获得了干燥过程中流体作孔隙运动时的动态非平衡效应（Dynamic Nonequilibrium Effects，简称DNE）及其随时间的变化。研究发现，动态条件下的侵入压大于静态条件下的侵入压；在干燥过程中DNE仅发生在水饱和度大于某阈值条件下；无论在连续完整还是局部的干燥过程中，土体中最大毛细压力值出现在其最小水饱和度值出现之前。因此土体DNE效应主要表现在其最大毛细压力值与最小水饱和度值出现时间差(△t)及同一水饱和度下动态与静态毛细压力最大差（DPMAX）上，影响土体DNE大小的主要是水饱和度及其变化率而不是毛细管数。

图：空气-水两相系统中水饱和度-毛细压力关系监测装置

图：某一干燥过程中动、静态条件下水饱和度与毛细压力随时间的变化

       该研究确定了毛细管数、水饱和度、水饱和度随时间的变化率对土体中DNE大小的影响，并构建了新的参数用以表征DNE效应。这对于构建更为科学的新型土体水力特性关系、土壤及地下水中物质与能量过程的准确模拟有积极意义。

       该研究成果发表在国际知名学术刊物《Water Resources Research》，Li, J., He, X., Li, C., Du, Y., Li, Y., Xia, J.,et al. (2019). Factors influencing dynamic nonequilibrium effects in drainage processes of an air‐water two‐phase fine sandy medium. Water Resources Research, 55, 2232–2256.。论文第一作者李静2016年于新奥门31999新奥门31999毕业，获硕士学位。通讯作者为新奥门31999新奥门31999李雁教授和杨颖副教授。

      上述研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目的资助。

原文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018WR023034