追蹤地下有毒污染物移動的創新方法

了解污染物如何穿過土壤和地下水對於生態系統保護和污染管理至關重要。在許多現實環境中，重金屬離子、溶解在可能有毒的水中的帶電金屬原子、懸浮顆粒、流動水中攜帶的小固體等物質會沿著多孔地質材料遷移。多孔材料是包含許多相互連接的小空間的土壤或岩石，水可以通過這些空間移動。它們的運動不僅受到水流的影響，還受到機械應力的影響，機械應力意味著施加在土壤上的物理壓力和土壤內的溫度變化。然而，長期以來，對於研究地下環境（即地球表面以下土壤、岩石和地下水相互作用的區域）的研究人員來說，在單一預測框架中捕獲所有這些相互作用的過程一直是一個挑戰。

北京交通大學的著名教授白冰和吳海燕、週瑞、吳楠和張碧霞，以及蘇州城市大學的吳楠，開發了一個創新的理論框架來解決這個複雜性。他們的研究提出了一種耦合多相流模型，旨在模擬多孔材料中水、固體顆粒和溶解污染物的聯合運動。多相繫統是指包含不同形式物質（例如固體和液體）一起運動的混合物。這項工作發表在同行評審的《岩石力學和岩土工程雜誌》。透過將多個物理過程整合到一個統一的熱力學框架（一個基於物理系統中能量和熱量的規律的框架）中，該模型實現了污染物如何在地下遷移的準確預測。

研究人員根據顆粒熱力學原理建立了該模型，這是一種研究微小顆粒集合在相互作用、移動和交換能量時如何表現的科學方法。它們的框架考慮了變形的綜合影響，即應力下土壤形狀或體積的變化、滲流、水通過土壤孔隙的緩慢運動以及懸浮固體的遷移。白教授解釋說：「這個模型引入了新概念，例如顆粒溫度和顆粒熵，來描述細觀層面的能量分佈。」顆粒溫度是指與移動和重新排列粒子相關的能量，而熵描述了這些粒子變得如何無序或隨機分散。中觀尺度是指介於微觀粒子行為和大尺度地面運動之間的中間尺度。這些概念使科學家能夠解釋顆粒在運輸過程中重新排列、碰撞或穿過土壤孔隙時發生的能量變化。

結果表明，該模型可以捕捉物理力和化學傳遞之間複雜的相互作用。化學遷移是指水性溶質通過土壤和岩石的移動。當外部壓力壓實土壤時，孔隙空間（土壤顆粒之間儲存水的微小開口）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，溫度梯度（兩個位置之間的溫度差異）可以透過促進熱擴散、顆粒從較熱區域移動到較冷區域的趨勢以及增加顆粒移動來加速污染物移動。這些發現強調了機械負荷、外力施加在土壤上的壓力以及溫度變化等環境條件如何強烈影響污染物遷移的速率和模式。

這個框架的主要優點之一是能夠將多個過程組合成一個方程組，即用於描述物理量如何變化和相互作用的數學表達式。白教授指出，「這種方法將岩土材料懸浮物的變形、淋濾和遷移統一到顆粒熱力學框架下。」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。透過將機械變形、流體流動、地下水等流體運動和化學遷移聯繫起來，該方法可以更真實地表示多孔材料在自然和工程環境中的行為。

為了測試該模型，研究小組將其預測與涉及土柱中重金屬離子和懸浮顆粒的聯合運輸的實驗室實驗進行了比較。土柱是一種實驗結構，其中垂直管充滿土壤，以重現水和污染物如何穿過土層。結果與觀察到的檢測曲線、顯示離開色譜柱的物質濃度如何隨時間變化的圖表以及實驗中測量的沉積模式非常一致。沉積是指被捕獲或沉積在土壤孔隙內的顆粒。該模型成功地再現了注入濃度、進入系統的污染物量、流量、水運動速度和顆粒尺寸的變化如何影響污染物運動，證明了其在實際模擬中的可靠性。

除了理論知識之外，該研究在環境工程中也有實際應用，該領域的重點是保護自然資源和減少污染。準確預測污染物遷移對於設計修復策略、清理受污染土壤和地下水的方法、評估垃圾掩埋場安全以及管理地下水資源至關重要。地下水是指儲存在地表下土壤和岩石層中、供應井和泉水的水。透過納入溫度梯度和地面變形等因素，新框架為研究傳統模型往往過於簡單化的複雜地下過程提供了工具。

總體而言，該研究提供了一種統一的方法來了解污染物在綜合物理力下如何穿過多孔地質系統。該研究工作處於國際領先水準。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變得至關重要。

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與基於框架的熱力學耦合的顆粒多相物質流模型」。岩石力學與岩土工程雜誌，2025 年。 DOI：https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2024.11.017

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