复杂生态环境系统模拟

李子

地下水是全球水文循环系统的重要组成部分，含水层和包气带的土壤水力特性是水文地质领域中的核心议题之一。当前建立的基于粘性力主导的达西定律和基于毛细力主导的基质吸力曲线，对于颗粒表面流-固吸附作用不可忽略的低渗透性土壤会产生较大误差。由于颗粒表面的范德华引力、静电引力、水合作用力等吸附作用，饱和带颗粒表面会形成非牛顿流体边界层，呈现启动水力梯度等非达西流现象；非饱和带颗粒表面会形成薄膜水，传统持水函数在超高基质吸力范围不能较好地拟合测量结果。  本项目将在格子Boltzmann模型框架下进行介观尺度建模，构建连续且随着距离衰减的流-固粘附作用力，将其引入简单几何形状孔隙和低渗透性多孔介质的单相流和两相流中。并结合微流控实验验证、孔隙尺度分析与升维分析等研究方法，阐释颗粒表面边界层和薄膜水的形成过程。计算单相流中边界层的密度和粘度分布、滑移长度和流量提高比，结合孔隙形状与尺寸分布阐释多孔介质非达西流效应的物理机制。计算两相流中薄膜水厚度、水-气界面曲率和欧拉长度，阐释多孔介质在中低含水量时超高基质吸力的物理机制。本项目的研究成果将有助于深刻理解低渗透性地下水系统流-固界面物理过程与土壤水力特性之间的关系。