揭示土壤咸水扩散：深入探讨多孔材料中的流体动态

一个棘手的地下水难题的解决方案：维也纳科技大学的研究人员开发了数值模型来模拟多孔材料中流体的运动。

在澳大利亚南部的墨累-达令河沿岸，情况非常复杂。农业灌溉把盐分从上层土壤冲洗出来，这些盐最终会流入河中。为了防止河水的盐浓度过高，部分咸水被引入特定的水池。

这些水池有些是专门设计用来让咸水蒸发的，另一些则用于以受控的方式慢慢将咸水释放到地下。这样可以暂时把盐分排除在河流之外，并允许更好地管理河水——但这会增加地下的盐度。我们该如何计算这些咸水在地下的扩散情况以及它的长期影响呢？

这样的问题非常难以回答，因为几种物理效应以复杂的方式相互影响。在维也纳科技大学的研究人员最近开发了一种高效的计算机模型，可以在超级计算机上运行，用于计算流体在多孔材料中的扩散——这使得我们能够更准确地预测盐水在土壤中的运动，比如在墨累-达令河的情况。

这种方法同样适用于其他问题，比如污染物在地下水中的扩散。这项研究已经在《流体力学杂志》上发表。

扩散与流动

“当不同的流体混合时，就会发生扩散现象，”维也纳科技大学流体力学与热传递研究所的马尔科·德·帕奥利博士解释道。“如果你在一杯水中放一滴墨水，墨水分子会逐渐扩散开来，这只是因为它们的随机运动。”

与此同时，流体的行为——例如土壤中的地下水——也受到其他因素的影响：密度较大的流体倾向于下沉，而较轻的流体则会上升。这可以形成具有明显方向的流动，与均匀向各个方向扩散的扩散现象不同。

当流体通过多孔材料（如沙土）流动时，情况变得更加复杂。流体在沙土中流动的速度越快，携带的盐分（或污染物）扩散得就越多。此外，这一扩散过程被定义为“分散”，在某些方向上的扩散程度比其他方向更大。

混沌指状图案

“所有这些效应早已为人所知，但我们现在终于把它们成功地纳入了计算机模型，使我们能够首次借助超级计算机模拟南澳大利亚的情况，”德·帕奥利说。有趣的现象出现：盐水的密度比淡水大，但上层土壤含有更多的盐——所以，密度大的盐水在上面，密度轻的淡水在下面。

“这是一种不稳定的情况，”德·保利解释道。“如果偶然间，稍微咸的水开始下沉，重力会加剧这种不平衡。水开始向下流动，形成指状结构，深入地下，进一步促进盐的扩散。”

多种应用的可靠公式

正如温度和压力的微小差异可以产生复杂的天气模式，盐度和土壤结构的细微变化也可以在地下导致复杂的咸水流动和模式。通过德·保利与荷兰特温特大学和意大利格兰萨索科学研究所合作研发的计算机模型，这些过程现在可以详细描述和理解。

靠近穆雷-达令河的盐分分布只是一个可以应用这些计算方法的实例。同样的方法可以应用于其他多种现象——例如地下水中的污染物扩散、地下二氧化碳储存以及地热储层中的对流过程。

更多信息，请参见： Marco De Paoli 等，在具有扩散和浮力的多孔介质中的溶质混合，《流体力学》（2025）。 DOI: 10.1017/jfm.2025.10684