Retentia de apa din sol si apa din sol

Curbacaracteristica

Introducere

Curbacaracteristica a apei din sol ( SWC) descri ecantitatea de aparetinutaintr-un sol ( exprimatacasimasasauvolum de apacontinut, θmsauθv) in echilibru la un anumit potential matricial. O SWC este o proprietatehidraulicaimportantalegata de marimeasiconectareaspatiilorporilor; prinurmare, influentataputernic de catretexturasistructurasoluluisi de alti constituent inclusive materieorganica. Modelareadistributieiapeisi a fuxului in soluri partial saturate cerecunoasterea SWC, prinurmarejoaca un rol critic in gestionareaapeisianticipareatransportului de substantedizolvatesipoluanti in mediu. De obicei a SWC estefoarteneliniarasirelativdificilsa fie exacta. Deoarecepotentialulmatricial se intindepecatevaordine de marimepentrugamacontinutului de apaintalnite de obicei in aplicatii practice, matricea potential esteadesearepresentatapescaralogaritmica.

Figura 1 prezintacurbe SWC caractericticepentrusoluri de diferitetexturi, care demonstreazaefecteleporozitatii( continutsaturat de apa) sivariantelepante ale relatiilorrezultate din distributiavariata a marimiiporilor.

Potential matriceal

Asa cum s-a discutat in articolul privind “ Potentialul de apa in sol”, in aceasta enciclopedie matricea potentiala este atribuita fortelor capilare si de absorbtie active intre lichis, gazos si faze solide. Capilaritatea rezulta din tensiunea superficiala a apei, precum si unghiul de contact cu particulele solide. In conditii partial saturate ( de exsmplu, in prezenta fazei de aer non-umectare), intefete curbate lichid-vapori ( meninscuri) din sistemul de sol poros. Raze meninscuri de curbura ( R) sunt o functie a presiunuii capilare ( PC) si sunt calculate in conformitate cu ecuatia Young-Laplace:

Ecuatia 1.

Unde P0 este presiunea atmosferica ( conventional de referinta zero), Pc-ul este presiunea apei din sol, iar σ este tensiunea superficiala a interfetei lichid-vapori. Dacca porii din sol se comporta ca un manunchi de tuburi capilare, capilaritatea ar fi suficienta pentru a descrie relatiile dintre potentialul matricial si razele porilor solului. Cu toate acestea,in plus fata de capilaritate, solul de

aseameane aprezinta absorbtie, care formeaza invelitori de hidratare pe suprafetele particulelor (Hillel, 1998). Prezenta apei este mai importanta in soluri argiloase cu suprafata mare, si este influentata de stratul dublu electric si cationii interschimbabili prezenti. In solurile nisipoase, absorbtia este nesemnificativa, iar efectele capilaritatii sunt predominante. In general, totusi, matricea potentiala rezulta din combinarea efectului de capilaritate si suprafata de absorbtie. “penele” capilare sunt la o stare de echilibru interioara cu absorbtie ?, iar cele doua nu pot fi considerate separat. Pentru o discutie mai detaliata a se vedea Tuller 1999, si articole despre “ Capilaritate” si “ Potentialul apei din sol” in aceasta enciclopedie.

Modelul pachetului de capilare cilindrice (BCC)

Primele modele conceptuale pentru SWC si distributia lichidului in medii poroase partial saturate se bazeaza pe reprezentarea “pachetului de capilare cilindrice” (BCA) a geometriei spatiului poros (Millington and Quirk, 1961; Mualem, 1976). Reprezentarea BCC postuleaza ca la un potential matriceal dat o portiune de pori interconectati cilindric este complet umplut cu lichid intrucat porii mari sunt complet goi fig2. Aceasta idealizare conventionala ca spatiile porilor solului permit o legatura intre marimea porilor solului si modelele SWC bazat pe ecuatia cresterii capilare ( a se vedea articlolul “ capilaritate” in aceasta enciclopedie). Cu toate acestea, o astefel de reprezentare impune limitari serioase cu privire la aplicarea practica a modelului BCC asupra mediilor poroase naturale cum s-a discutat in sectiunea urmatoare, inclusiv geometria de baza nerealistica se opune ocuparii duale apa-aer in aceeasi pori si lipsa de consideratie a catitatilor de apa absorbite.

Retentia lichidului si forma porilor

Retentia lichidului in matricea de sol poros este foarte dependenta de forma si unghiul invidual al porilor. Inspectia de sectiuni subtiri sau micrografii de sol releva ca spatiile porilor naturali nu seamana cu capilare cilindrice, ori de cate ori este atribuit de catre o repezentare idealizata. Deoarece mediile poroase naturale sunt formate prin agregare de particule priamre si suprafete minerale, spatiul porilor rezultat este descris mai realist de sectiuni unghiulare sau fante ale porilor decat prin capilare cilindrice (Li and Wardlaw, 1986; Mason and Morrow, 1991).

Pentru o reprezentare realista a spatiilor porilor naturale, porii unghiulari ofera alte avantaje decat tuburile cilindrice in ceea ce priveste comportarea lichidului. Cand porii unghiulaari sunt drenati, o fracttiune din faza de umectare ramane in colturile porilor (fig.3c.). Acest aspect de “ dubla ocupare” a portiunii ocupate a tubului(Morrow and Xie, 1998), nu este posibila in tuburi cilindrice, reprezinta mai realistic configuratii lichide si mecanisme pentru mentinerea continuitatii hidraulicii in mediile poroase ( Dullien et al. 1986). Colturile umplute cu lichid si crapaturile joaca un rol important in rata de depalsare a uleiului ( Blunt et al., 1995) si in alte procese de transport in mediile poroase partial saturate.

Figura 3

Tuller si colaboratorii (1999) furnizeaza relatiiile dintre retentia lichidului si pori unghiulari. Suparafata sectiunuii transversale umplute cu apa AWT pentru toate triunghiurile regulate si neregulate si pentru poligoane regulate de ordin superior este data de urmatoarea expresie:

Expresia 2

Unde r este raza de curbura a interfetei lichid-vapori, care este dependenta de potentialul chimic (μ) sau presiune capilara (PC) in conformitate cu ecuatia Young-Laplace

Expresia 3

cu σ ca tensiune superficială a lichidului, ρ densitatea lichidului, și F (γ) o formă sau factor unghiular dependent numai de unghiulsecțiunii transversale a porilor (Tuller și Or, 2001). Rețineți că în această discuție, considerăm numai comportamentul capilar, ignorând pelicule de lichid adsorbite care acoperă suprafețele porilor plate. Spre deosebire de pistonul de umplere-golire sau de capilare circulare, porii unghiulari supusi diferitelorstadii de umplere și deplasari spontane în tranziția de la uscat la ud sau invers. La condiții relativ uscate (potentiali chimici redusi) particule subtiri de lichid sunt adsorbite prin toate suprafețele plane ale porilor unghiulari și lichidul se acumulează în colțuri datorită forțelor capilare. O creștere suplimentară a potențialului chimic duce la creșterea în continuare a grosimii particulei și la o creștere a interfetei a razei de curbura capilara în colțuri, până contactul capilar in colțurile meniscurilorformeaza un cerc inscris. La acest potențial critic, lichid umple porii centrali spontan (pori de completare snap-off). Raza de curbura interfata în acest punct critic este egală cu raza unui cerc înscris în secțiunea transversală a porilor (Tuller et al., 1999):

expresia 4

unde rimb este raza de îmbibare spontane, A este aria secțiunii transversala a porilor, și P este perimetrul secțiunii transversale a porilor. Pentru drenaj, la un anumit potențial lichid-vapor menisc invadează porii și lichidul se deplasează din centru în colțuri (Mason și Morrow, 1991). Raza de curbură la debutul drenajului, rd, este exprimată în termeni de perimetru (P), iar factorul de unghiularitate F (γ�) (Tuller et al., 1999): expresia 5 Un exemplu ilustrativ al efectelor a formeiporilor (și unghiului) asupra îmbibarii și proceselor de drenaj este reprezentat în fig.4, arătând diferențele marcante dintre porii cilindrici și unghiulari cu aria secțiunii transversale a porilor egala. Deplasarea lichidului în tuburi cilindrice în timpul drenajului este ca un piston, fără a lăsa lichidul din secțiune transversală după pragul de drenaj. Pori unghiulare, pe de altă parte, arată că lichid este deplasat primul din regiunea centrală(la o rază de curbură dată de Eq.5), lăsând puțin lichid în colțuri. Scădere ulterioară în rezultatele potențiale chimice in sume proportionala descrescatoare a lichidului în colțuri (potențial chimic "inferior" sau presiune capilară indică valori mai negative la fel ca terminologia de

scară de temperatură Subzero). Potențialul prag chimic pentru diferite forme de pori cu aceleași crestere a ariei secțiunii transversale (devine mai puțin negativ), cu creșterea Factorul unghiului F (γ).Același lucru este valabil pentru cantitatea de lichid existent în colțuri. Condițiile din timpul de îmbibare sunt ușor diferite. Interfețe lichid-vapori în colțuri de pori unghiulari se extind odată cu creșterea potențialului chimic, până la punctul de "snap-off" (Eq.4), moment în care porii sunt complet umpluti cu lichid. Pragul chimic potențial pentru "snap-off" crește cu unghiului F (γ), și cantitatea de lichid avuta in colțuri la un potențial chimic dat este direct proporțională cu forma unghiulara. Forme de pori extrem de unghiulari, cum ar fi porii triunghiulare, rețin mai mult lichid la același potențial decât cele pătrate sau hexagonale (Fig. 4). În cazul extrem de tuburi cilindrice lichidul nu este tinut anteriorumplerii spontane "completare snap--off ( "gol-plin" comportament). Figura 4

Modelarea SWC Măsurarea modelelor SWC este laborioasa și consumatoare de timp. Perechi -ψ θ măsurate sunt de multe ori fincomplete, și, de obicei constituie relativ puține măsurători asupra gamei umezelii de interes. În scopul modelarii și analizeiși pentru caracterizarea și comparația între diferite soluri și scenarii, este, prin urmare, benefica pentru a reprezenta modelele SWC într-o formă matematica continuu. Mai multe abordări din categoria expresii parametrice empirice, bazate modele fizice cu parametri derivati din proprietăți medii măsurabile, a porilor de rețea sau Lattice Boltzmann simulări pot fi folosite pentru a reprezenta o continuă SWC.

Modele SWC empirice Cerințele cheie pentru toate expresiile SWC parametrice sunt parcimonie (cât mai puțini parametrii posibili) pentru a simplifica estimarea parametrilor, și descrierea exactă a comportamentul SWC la limita (capete umede și uscate), în timp ce montarea îndeaproape forma neliniară a măsurătorilor -ψm θ. Un model parametric utilizat eficient și în mod obișnuit pentru conținutul de apă legata sau saturatie efectiva (Θ) a potențialului matricial a fost propusă de van Genuchten (1980) și este notată cu VG: expresia 6 θr și θs sunt conținutul de apă reziduală și saturata, respectiv, ψm este potential matricial, și α, n și m sunt parametrii care depind direct de forma curbei θ (ψ) . O simplificare comună este să se presupună că m = 1-1 / n. Astfel parametrii necesari pentru estimarea modelului sunt θr, θs, α, și n. θs este uneori cunoscută și este ușor de măsurat, lăsând doar trei parametri necunoscuți θr, α și n să fie estimati din datele experimentale în multe cazuri. Rețineți că θr este uneori considerat ca θ la -1.5 MPa, θ aer uscat, sau o valoare semnificativ similară, deși este adesea avantajos să să-l utilizați ca un parametru montaj. Versiunile anterioare ale modelelor functiilor putere"van tip Genuchten" au fost propuse de Brutsaert (1966) și Ahuja și Swartzendruber (1972). Vogel și Císlerová (1988) și Kosugi (1994) modificat pentru a include Eq.6 matricial potențial la punctul de intrare a aerului.Un alt model parametri bine stabilit a fost propus de Brooks și Corey (1964)si se noteaza ca BC:

Expresia 7 în cazul în care ψb este un parametru referitor de potentialul matricial al solului la intrare a aerului (b reprezintă "presiune de barbotare"), iar λ este legat de distribuția mărimii porilor solului. Potențialele matriciale sunt exprimate prin cantități pozitive (de exemplu, în valori absolute), atât VG și BC expresii parametrice. Campbell (1974) folosește la fel BC pentru a exprima gradul de saturare (S = θ / θs) în funcție de intrarea aerului potențial ψb și un factor b, care pot fi legat de textura solului: Expresia 8 ψb și b sunt derivate ca funcții ale diametrului mediu geometric și deviația geometrică standard a distribuției mărimii particulelor (Campbell, 1985; Shirazi și Boersma, 1984). (1974) expresia Campbell este adesea folosita în legătură cu idealizarea fractala a sistemului de sol poros așa cum s-a discutat mai jos. Estimarea parametrilor VG sau BC din date experimentale necesită date punctuale suficiente pentru a caracteriza forma modelelor SWC, și de un program pentru a efectua regresia neliniara. Multe pachete software de calcul tabelar ofera relativ simplu și mecanisme eficiente pentru a efectua regresia neliniară. Detalii despre pasii computerizati necesari pentru montarea unei SWC, a datelor experimentale folosind software comercial disponibil de calcul tabelar sunt date în Wraith și Or (1998). In plus, programe computerizate de estimare a modelelor parametrice specifice sunt de asemenea disponibile, de exemplu, RETC Codul (van Genuchten colab., 1991). Figura 5 prezintă parametrii montati van Genuchten (VG) și Brooks și Corey (BC) Mostra de lut θ (ψ) date măsurate prin Or et al. (1991). Rezultatele cele mai bune se potrivesc parametrilor pentru modelul VG sunt: α = 0,417 m-1; n = 1,75; θs = 0.513 m3 / m3; și θr = 0,05 m3 / m3 (cu r2 = 0,99). Pentru modelul BC parametrii mai potriviti sunt: λ = 0,54; ψb = 1,48 m; θs = 0.513 m3 / m3; și θr = 0,03 m3 / m3 (cu r2 = 0,98). Rețineți că diferența cea mai izbitoare între VG și modelele BC este în discontinuitatea la ψ = ψb pentru BC. Informatii SWC reprezentative masurate bazat pe parametri VG și BC modele sunt disponibile de la o varietate de surse.UNSODA (Leij colab., 1996) baze de date compilate de laboratorul american Salinityconține o colecție exhaustivă a retenției de apă din sol și informații despre conductivitatea hidraulică nesaturata pentru soluri de texturi diferite din întreaga lume, montate pe modelul VG. În timp ce autorii au încercat să ofere unele indicii referitoare la calitatea sau fiabilitatea datelor compilate, utilizatorii sunt sfătuiți (ca întotdeauna) sa foloseasca propria experiență și libertatea de a adapta datele altora la propriile aplicatii. Studiile de regresie prin McCuen et al. (1981) și Rawls și Brakensiek (1989) furnizează o bogăție de informații cu privire la valorile parametrilor Brooks-Corey pentru multe soluri. Acestea includ estimarea parametrilor hidraulici bazat pe alte, de multe ori mai ușor decat proprietăți ale solului. Aceste estimări pot fi suficient de exacte pentru anumite aplicații și ar putea fi folosite pentru a obține primele aproximări. Tabelul 1 conține valorile listate pentru parametrii van Genuchten α și n, precum și conținutul rezidual și saturat de apă pentru diferite clase de sol texturale compilate din baza de date UNSODA (Leij colab., 1996). Rețineți că variația substanțială în relațiile SWC pentru solulde clase texturale dat este de așteptat.

Tabelul 1 Modelele introduse până în prezent pot fi clasificate ca funcții ale curbelor empirice cu parametrii de model liber ce țin de forma specifică a functiei matematice, mai degrabă decât la proprietățile fizice ale mediului poros. Brutsaert (1966), și mai recent, Kosugi (1994, 1996), a stabilit relațiile dintre modelelor SWC și distribuția mărimii porilor, care poate fi descris ca o functie de distribuție logaritmică statistica normală. Ei au idealizat sistemul de sol poros ca un pachet de capilare cilindrice (CCA), cu raze distribuite normale logare, și se aplică ecuația creșterii capilare (a se vedea articolul pe "capilaritate" în această Enciclopedia) pentru a stabili o relație între potentialul matricial și mediul efectiv de saturatie. Aplicabilitatea modelelor din urmă se limitează la soluri cu textură grosiere și la condițiile în cazul în care forțele capilare sunt contribuția majoră la potențialul matricial. Ele tind să eșueze în soluri cu textură fină, cu arie mare a suprafeței specifice (de exemplu, soluri argiloase) în cazul în care fortele de suprafata de absorbtie domina, în special în condiții uscate (vezi articolul pe "Potentialul de apa din sol în aceasta Enciclopedia). Reprezentarea Fractalaa spatiului poros din sol și a modelelor SWC Fractalii sunt ierarhici, de multe ori extrem de complex, sisteme spațiale sau temporale care sunt generate cu algoritmi iterativi ascultă reguli simple de scalare. Modelul în astfel de sistemesa se repete într-un interval definit de marime (auto similaritate). Acest lucru permite reproducerea proprietăților statistice ale unui anumit model la alta marime referitoarela lungime sau timp. Geometria fractală cum a fost introdus prin Mandelbrot (1975) poate fi aplicata pentru a descrie cantitativ nereguli și forme de obiecte naturale prin estimarea dimensiunii lor fractale. Mai multe modele teoretice au fost propuse pentru a deriva SWC de la reprezentările fractale ale sistemului de sol poros. Există două general-abordări, bazate fie pe suprafață sau fractali masă. Modele suprafetelor fractale asuma că apa este prezentă doar sub formă de pelicule de lichid adsorbite pe suprafețe ale porilor (Toledo. și colab, 1990), în timp ce modelele fractale masă (Ahl și Niemeyer, 1989; Tyler și Wheatcraft, 1990; Pachepsky colab., 1995; Perfect, 1999) presupune că doar apa capilara uramareste ecuația creșteri capilare care este prezentă în cadrul sistemului fractal. Ca și în cazul Abordare CCA (a se vedea mai sus) modelele fractale pentru modelele SWC se bazează pe derivarea porilor, distribuția dimensiunilor din structura fractala în cauză, neglijând probelmee porilor de conectivitate și topologie. Crawford (1994) a prezentat următoarea relație între dimensiunea fractală-masă (Dm) și gradul de saturație (S): Expresia 9 în cazul în care ψm este potențialul matricial în cauză, ψb este potențialul matricial lapunctul de intrare al aerului, iar de este dimensiunea încorporata. Dimensiunea incorporata este egala cu 2 în sistemele bidimensionale și 3 în spațiu tridimensional. Rețineți că dimensiunea fractal masa Dm este întotdeauna mai mică decât de. Datorită formei funcționale identice, Eq.9 este de obicei echivalat cu (1974) versiunea Campbell a Brooks și Corey (1964) funcția SWC (Eq.8) pentru a obține (1974) b-Factor Campbell de la dimensiunea fractală (()) B = -1 Dm - de. Valorile pentru b-factorul raportate de Campbell (1985) sunt în acord cu valorile calculate pe baza dimensiunii fractale de masă obținute de la data densitatii în vrac de către Anderson și McBratney (1995).

Bird și colab. (1996), și, mai recent Giménez și colab. (1997) a subliniat că abordările fractal sunt limitate din cauza ipotezei că scalarea fractală este valabial pe o infinitate de game de potential matricial. În realitate mediile poroase naturale au limite scalare inferioare și superioare ca legate de minimum lor și dimensiunile maxime ale porilor. Perfect (1999) a propus un model bazat pe masa pentru SWC care ține seama de intervalul finit al potențialului matricial. Sistemele care sunt fractal într-un interval finit de marime sunt numite prefractal (Mandelbrot, 1982). Modele fizice de baza SWC Spre deosebire de CCA și abordările fractale, Tuller si colaboratoii(1999) a introdus o forma spatiala a porilor unghialari care găzduiește atât capilariatatea cat și fenomene de adsorbție pe suprafețele interne. Elementul unitate de baza al porilor (fig.6) este format dintr-un po unghiular central atașat la spatii in forma de fanta, și este definit printr o latime de fanta adimensionala și scalare fanta lungime parametrii α și β, iar lungimea porilor centrală L. Variația parametrilor celulei permite cazarea a unei largi game de texturi a solului și clase structurale. Solurile nisipoase, de exemplu poate fi reprezentatelungime centrala a porilor relativ mare si vlaori mici pentru β (adică zona specifica mica). Solurile texturate (de exemplu, argile) pe de altă parte poate fi reprezentată prin relativ mic L și β mare pentru a ține cont de suprafete interne mari, adesea observate în aceste soluri. Figura 6 În ciuda complexității mari a modelului de spatii poroase unghiulare, ea are avantaje față abordarea CCA mai frecvent aplicată. În primul rând, porii unghiularimai reprezintă realist spatiul mediilor naturale poroase, și să permită ocuparea dubla de umectare și non-umectare faze (a se vedea secțiunea "retenție a lichidului și forma porilor" de mai sus). Potențialul de cazare și forțe de suprafață de adsorbție duce la o derivare mai exactă a modelelor SWC pentru medii poroase cu zone mari de suprafață specifice ca precum și in conditii uscate. Tuller și colab. (1999) utilizează o formă modificată a ecuației Augmented Young-Laplace care consideră contributiile capilare si adsorbtive la potențialul matricial pentru a calcula interfețe lichid-vapori într-o secțiune transversală a modelului porilor unghiulari, și includ mecanisme de deplasare lichide dinamice (a se vedea secțiunea "retenție a lichidului și forma porilor "de mai sus), pentru a obține funcții SWC de îmbibare sau drenaj la scara porilor. Figura 7 prezintă o tranziție tipic a unui element de unitate de la uscat la umed (îmbibare), care include deplasare lichid spontan (de completare snap-off) în fante (fig. 7b) și în pori centrali (fig. 7d). Figura 7 Pentru a reprezenta comportamentul lichid la scara probă, Or și Tuller (1999) au introdus un sistem upscaling statistic folosind o funcție de densitate gama pentru lungimea central a porilor L. Gama a fost dat prioritate, deoarece seamănă în mod obișnuit cu distribuții ale dimensiunii porilor solului, și, în același timp, facilitează derivarea de soluțiilor analitice pentru modelelor SWC.

Procedura Upscaling conduce la o expresie bazata fizic pentru SWC, unde gradul de saturație (S)este definit ca o funcție a potențialului matricial este exprimat ca sumă de funcții corespunzătoare diverselor mecanisme de umplere a porilor și etapedescris ca în Fig.7 (Sau și Tuller, 1999; Tuller și Or, 2001). Fig.8 prezintă o aplicare de proba de sol Millville mâl argilos. Deoarece modelul calculează configurația de interfețe lichid-vapori în pori și filme, adsorbție și contribuții capilare la SWC pot fi separate (Fig.8A). Această separare nu este posibilă cu orice abordăre empirica sau semi-empirica prezentata mai sus. O altă caracteristică importantă a acest model este abilitatea de a prezice zona interfacială vapori-lichid (Fig.8b), o proprietate extrem de importantă pentru procesele de curgere multifazice, bioremediere a solurilor contaminate, fenomene de schimb gaz, sau virus și de transport coloid. Figura 8 Abordarea Lattice Boltzmann Modele Lattice Boltzmann (LBM) sunt descendenți ai zăbrelelor celulare de gaz automate, care urmează mișcările particulelor individuale și au fost prezentate pentru prima data ca un viabil mijloace de soluționare a ecuațiilor Navier-Stokes în activitatea reper de Frisch si colaboratorii (1986). În sensul cel mai simplist, LBMs lucra cu distribuții de particule de la fiecare zăbrele punct, mai degrabă decât cu particule individuale. LBMs simula interacțiuni ale particulelor ipotetice limitate la o rețea regulata care îmbunătățește de solvabilitate de ecuația Boltzmann. Acest lucru are avantaje pentru anumite tipuri de simulări în care medierea nu este necesară pentru a obține viteza in câmpuri netede. Chen si Doolen (1998) și Qian și colab. (1995) a fost revizuit în aplicarea LBMs pentru fluxuri de fluide. Metoda Lattice Boltzmann a apărut ca un instrument puternic de simulare a sistemelor de fluide multifazice, inclusiv apă și vapori de apă.LBM include detalii complexe despre forma porilor care caracterizează medii poroase realiste, factorii de fluid, și interacțiuni fluide-solide într-un mod de sunet fizic, ceea ce duce la simulare realistă de interfețe dintre diferitele fluide sau între un lichid și vapori și adsorbție de umectare filme. Interfețele apar și migrează în aproape orice geometrie a porilor mai degrabă "în mod natural", fără nevoia de algoritmi de urmărire interfață complexă. Un exemplu de aplicare LBM pentru a calcula retenția de apă în medii poroase complexe este prezentată ca Inserții din figura 9, care se bazează pe imagini 2-dimensională a unui sol real. Vaporii și limitele lichidelor de presiune egală au fost aplicate în partea de sus și de jos ale domeniului, respectiv, în pași corespunzătoare treptelor egale de jurnal (potential-matricial). Potențialul matricial este exprimat în unități de masă pe timp pas patrat (echivalent cu energie pe unitatea de volum din sistem 3-D). Fiecare pas potențial a fost terminat atunci când modificarea relativă a masei de lichid in domeniu a fost neglijabilă.Comportamentul lichidului simulat și apa din sol arată curba caracteristică apreciabil diferențe în configurații, fluide timpul de umectare și uscare rezultă din histerezis. Figura 9

Modele de pori retea și SWC Pentru compleatre, menționăm ca aplicarea de modelare a porilor rețea are abordări pentru derivarea SWC. Detalii privind astfel de abordări de modelare sunt inafara domeniului de aplicare a acestui capitol. În cele ce urmează vom introduce ideile de bază și se referă interesat cititorii la evaluări complete de către Celia si colaboratorii. (1995) și Berkowitz și Ewing (1998), și cărți de Dullien (1992) și Sahimi (1995). Modelele de rețea au fost mai întâi dezvoltate de Fatt (1956) bazat pe ideea că spatiul porilor poate fi reprezentat ca o rețea interconectată de tuburi capilare ale căror raze reprezintă dimensiunile porilor într-un mediu poros. Pentru un anumit potential matricial, configurații interfaciale cadrul rețelei lichid-vapori poate fi determinată pe baza scara-porilor capilara și considerații de deplasare dinamice. macroscopic SWC este apoi determinată pe baza mediei de volum geometric al distributiei spațiale a lichidului în cadrul rețelei (Reeves și Celia, 1996). Un prim avantaj al modelelelor de rețea de pori este luarea în considerare explicită de conectivitate porilor și topologie într-un cadru simplificat și matematic maleabil. Unele dintre limitările implica simplificare a porilor fizică scară (de exemplu, neglijarea scară porilor procese de adsorbție), înțelegere incompletă a migrației interfață și rutare, interfata parametrior de retea de probe reale nu este bine stabilita, și semnificativ povară de calcul pentru rețele detaliate 3-D, chiar la o scară nucleu (> 100 mm).

Histerezis a modelelor SWC Conținutul de apă și energia potențială a apei din sol nu sunt legate în mod unic, deoarece cantitatea de apă prezentă la un potențial matricial dat depinde de distribuția marimii porilort și proprietățile interfeței aer-apă-solid. O relație SWC poate fi obținută prin: (1) luând o probă inițial saturatași aplicarea aspirației sau presiune desatureaza aceasta (desorbție); sau prin (2) umectare treptat un sol uscat inițial (sorbție). Aceste două căi produc curbe care, în cele mai multe cazuri nu sunt identice; apaconținuta incurba de juscare este mai mare pentru un potențial matricial dat decât ca, în sucursală "de umectare" (Fig.10a). Aceasta se numește "histerezis", definită ca "fenomenul expus de către un sistem în care reacția sistemului la modificări depinde de reacțiile sale anterioare pentru a schimba ". Figura 10 Histerezisul în SWC pot fi legat de mai multe fenomene, inclusiv (1) efectul “stilca de cerneala”rezultă din neuniformitate în formă și dimensiuni de pori interconectati -drenajul este reglementată de pori mici de raza r, în timp ce umezirea este dependentă de rază mare R (Fig.10c); (2) lichid-solid are diferite unghiuri de contact pentru avansarea și retragerea meniscurilor acvatice (Fig.10b); (3) Aerul prins într-un sol nou umezit (de exemplu, pori dubli) Dullien, 1992); și (4) umflarea și scăderea solului sub umectare și uscare. Pe baza observațiilor timpurii ale fenomenului de Haines (1930) și pe baza unor teorii mai recente (Mualem, 1984; Kool și Parker, 1987) rolul factorilor individuali rămâne neclar și sunt supuse unei cercetari in curs de desfasurare. O parte din fenomenele histerezis poate fi atribuită, pentru exemplu din cauza diferențelor dintre tensiunea și presiunea indusa de desaturare(Chahal și Yong, 1965). Un aspect potențial important al metodelor de desorbție în tensiune este posibilitatea deplasării lichidului (drenaj) chiar și în absența unei faze gazoase continua, datorită cavitații inițiale de bule de gaz prinse sau

De presiunea lichidului propriu in vapori (sau și Tuller, 2002). Eterogenitatea suprafeței și impurități în sol și apă stâncă sunt favorabile pentru reducerea pragului de tensiune cavitație.

Relatii de masurare a SWC O varietate de metode pot fi utilizate pentru obținerea θ- ψm valori necesare pentru a estima SWC. Potențiale probleme experimentale includ gama funcțională limitată a tensiometrului, care este adesea folosit pentru masuratori in situ; măsurători θ inexacte în unele cazuri; dificultatea de a obține probe netulburate de laborator la determinări; și un ritm lent de echilibru sub potențial (de exemplu, soluri uscate) matricial mic. Metodele in-situ sunt preferate în caracterizarea lui SWC, cum masoara peste o gamă largă de valori-ψm θ. O metodă eficientă de a obține măsurători simultane de ψm și θV este prin instalarea Time Domain reflectometrie (TDR) sonde în imediata apropiere la tensiometre traducatoare, cu atributele monitorizate în timpul umiditatea solului variabil. Schimbări mari în ψm și θV sunt de așteptat în condiții extreme de evaporare în apropierea suprafaței solului, sau în prezența rădăcinilor active ale plantei.

Aparate de presiune placa și de presiune flow cells Aparatul placa de presiune cuprinde o cameră de presiune care închide apa saturata placă poroasă, care permite apei, dar nu de avion pentru a curge prin porii sale (Fig.11b). Placa poroasa este la presiunea atmosferică în partea de jos, în timp ce partea de sus este la presiunea aplicată a camerei. Mostre de sol, de obicei, cernute la <2mm, sunt plasate în reținerea inele în contact cu placa poroasa și se lasă la saturat de imersiune în apă. Placa poroasa cu probe de sol saturate este atunci plasata în cameră și o presiune cunoscuta N2 sau gaz de aer este aplicată forța de apă in afara solului prin placa. Apa curge din sol până echilibru între forța exercitată de presiunea aerului și forța prin care solul apă se desfășoară de către sol (ψm) este atins. Retenția de apă a solului la sfârșitul umed (<1 bar) este puternic influențată de structura solului și distribuția naturala a porilor. Prin urmare, mostrele de soluri neperturbate (miezuri) sunt preferate probelor reasamblate pentru această parte a modelelor SWC. Celula de debit presiune (de asemenea, cunoscut sub numele de celule Tempe) poate deține probe de sol intacte mina într-inele metalice(Fig.11a).Funcționarea celulei Tempe similară celei utilizate în placa de presiune, cu excepția lui gama de presiune este de obicei limitat la 0 la 1 bar sau 0,1 MPa. Plăcile ceramice poroaseutilizate în plăci de presiune și celule de debit trebuie să fie înainte de a utiliza complet saturat cu apă. În urma echilibrului între potențialul matricial al solului și presiunea aerului aplicat, solul se iau probe din instalație și cântărit umed, apoi uscat în etuvă pentru a determina conținutul de masă de apă gravimetric. Acestea pot fi convertite în volum apă conținutul prin cunoașterea densităților vrac de probă.Conținutul de apă al solurile reambalate la un potențial matricial dat nu ar trebui să fie folosite pentru a deduce θ solurilor intacte la același ψm, datorită dimensiunea porilor modificati și geometria porilor.

Pași de presiune multipla pot fi aplicate aceleași probe de sol atunci când se utilizează Tempe celule. Celulele pot fi deconectate succesiv de la sursa de presiune, cântărită cu determinarea modificarii conținutului de apă din etapa anterioară, apoi conectată și urmatorul pas presiunea aplicată. Ieșirea apei din celulele pot fi colectata pentru a calcula sau confirma modificările conținutului de apă din probă. Figura 11

Masurarea senzorilor pereche de camp a SWC În ciuda importanței măsurării centrele de lucru inteligentă in situ, câteva metode adecvate sunt disponibile pentru teren sau în aplicație situ. Senzorii asociati pot fi folositi pentru a măsura și θ ψm în aceeași sau strâns-adiacente volumele de sol, într-un interval de umiditate a solului. Exemplele includ utilizarea de tuburi de acces neutroni umiditate metru sau ghiduri de undă TDR împreună cu tensiometre. Aplicarea de senzori pereche este adesea limitată de diferențe în volumele de sol incluși în eșantion de senzorii respectivi, diferite constante de timp necesare (de exemplu, multi senzori θ obțin măsurători instantanee în timp ce multe ψm metode necesită echilibru), precum și faptul că puțini potentiali matriciali funcție tehnica pe întreaga gamă a umiditatii de interes. Acest lucru oferă de obicei o suprapunere limitata în sol a retenției de apă măsurată folosind tehnici diferite, și măsurători obținute utilizând diferite metode nu pot fi consecvente în intervalele de suprapunere. Figura 12 prezintă câteva metode comune pentru a măsura sau deduce potențialul matricial al solului, inclusiv intervalele lor de aplicare. Multe dintre tehnicile disponibile au o gamă limitată de suprapunere sau nu se suprapun deloc, iar câteva dintre metodele sunt supuse în câmp masuratorii.