一種追蹤地下有毒污染物移動的創意方法。

了解污染物如何穿過土壤和地下水對於保護生態系統和管理污染非常重要。在現實環境中，重金屬離子、帶電金屬原子等物質溶解在水中可能有毒。懸浮顆粒是流動水中攜帶的小固體物質。它們透過多孔地質材料一起遷移。多孔材料是具有小空間的土壤或岩石。許多是相互關聯的。哪些水可以移動 它們的移動不僅受到水流的影響。但它也受到機械應力的影響。這是指施加在土壤上的物理壓力。但是，在單一預測框架中捕捉所有這些相互作用的過程長期以來一直是研究地下環境的研究人員面臨的挑戰。土壤、岩石和地下水相互作用的地下區域。

北京交通大學著名教授白冰、吳海燕、週睿、吳楠、張碧霞、蘇州城市大學吳楠教授。一個創新的理論架構已經被發展出來來解決這個複雜性。他們的研究引入了耦合多相流模型。它旨在模擬水接頭的運動。多孔材料中的固體顆粒和溶解的污染物。多相繫統是指一起運動的不同形式的物質的混合物，例如固體和液體。這項工作已發表在同行評審的《岩石力學和岩土工程雜誌》上。透過將多個物理過程整合到統一的熱力學結構中。它是一個基於規則的框架，用於管理物理系統中的能量和熱量。因此，該模型能夠準確預測污染物將如何遷移到地下。

研究人員根據詳細的熱力學原理建立了一個模型。這是一種研究微小粒子集合在相互作用、移動和交換能量時如何表現的科學方法。該框架考慮變形的總和。這是指土壤在壓力下形狀或體積的變化。滲流水流 水通過土壤孔隙的緩慢移動。正如白教授所解釋的那樣，“該模型引入了顆粒溫度和顆粒熵等新概念。為了描述中尺度的能量分佈”，顆粒溫度是指與顆粒運動和重新排列相關的能量。熵描述了粒子的有序或隨機分佈程度。中尺度是指介於極小顆粒行為和大規模土壤運動之間的中間水準。這些概念幫助科學家解釋粒子在傳輸過程中重新排列、相互碰撞或穿過土壤孔隙時所發生的能量變化。

結果表明，該模型能夠捕捉物理力和化學傳遞之間的複雜關係。化學運輸是指水攜帶的溶解物質經由土壤和岩石的移動。當外部壓力壓縮土壤時，孔隙（土壤顆粒之間保存水分的微小空間）會收縮，捕獲更多的懸浮顆粒。並改變污染物的遷移路徑。模擬還表明，兩個位置之間的溫度梯度溫差可以透過驅動熱擴散來加速污染物的移動。顆粒從較溫暖的區域移動到較冷的區域的趨勢。這些發現強調了機械負荷、外力施加在土壤上的壓力等環境條件以及溫度變化如何極大地影響污染物遷移的速度和模式。

該框架的主要優勢之一是其整合不同流程的能力。一起形成一個方程組它是用來描述物理量如何變化和相互作用的數學表達式。正如白教授所指出的：「這一觀點將岩土材料的變形、滲流和懸浮固體遷移整合到了詳細的熱力學框架內。」岩土材料是指工程師在設計地基或環境系統時研究的天然地球材料，例如土壤和沈積物。與機械變形聯動流體流動地下水等液體的運動和化學物質的移動。因此，這種方法可以更真實地了解多孔材料在自然和工程環境中的行為。

為了測試這個模型，研究小組將他們的預測與涉及土壤柱中重金屬離子和懸浮顆粒傳輸的實驗室實驗進行了比較。土柱是一種實驗裝置，其中插入充滿土壤的垂直管道來模擬水和污染物如何穿過地面。結果與觀察到的突破曲線非常相似。此圖顯示了離開色譜柱的物質濃度如何隨時間變化。以及實驗中測得的累積模式。沉積是指卡在或沉積在土壤孔隙內的顆粒。此模型成功地再現了注射濃度的變化。進入系統的污染物量流速流動水的速度以及顆粒大小如何影響污染物的移動？這證明了其在實際模擬中的可靠性。

除了理論見解之外，該研究還在環境工程中具有實際應用。專注於保護自然資源和減少污染的領域。準確預測污染物遷移對於設計修復策略至關重要。清潔受污染土壤和地下水的方法 垃圾掩埋場安全評估和地下水資源管理 地下水是指累積在土壤和岩石表面以下的水，為井和泉水提供水源。透過結合溫度梯度和土壤變形等因素，這個新框架為研究複雜的地下過程提供了工具。傳統模型往往過於簡化。

總體而言，這項研究提供了一種統一的方法來了解污染物如何在綜合物理力下穿過多孔地質系統。這項研究處於國際水準。隨著環境挑戰的增加和污染風險的增加。捕捉地下傳輸全部複雜性的模型可能對科學研究和工程實踐都至關重要。

期刊參考文獻

Bai B.，Wu H.，Zhou R.，Wu N.，Zhang B.“考慮溫度驅動效應的詳細熱力學多相流模型”岩石力學與岩土工程學報，2025 DOI： https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2024.11.017

關於作者