Незамерзшая вода влияет на тепло-гидро-механические характеристики мерзлого грунта
Содержание незамерзшей воды в мерзлом грунте влияет на циклы замерзания-оттаивания, гидрологический цикл, водо- и энергообмен между сушей и атмосферой, рост растительности и структурную прочность грунта в холодных регионах. В настоящее время теоретические объяснения наличия незамерзшей воды включают капиллярное действие, поверхностный эффект, силы адсорбции и двойной электрический слой.
Однако, помимо капиллярности, мало исследований обсуждают вклад других факторов в образование незамерзшей воды, а также различия и взаимосвязи между ними. Это напрямую влияет на физическое моделирование и расчет содержания незамерзшей воды и косвенно ограничивает применение ее модели в областях климата, гидрологии, экологии и инженерии.
Недавно исследовательская группа под руководством профессора Гао Сяоцина из Северо-Западного института экологии и окружающей среды и ресурсов (NIEER) Китайской академии наук (CAS) совместно с исследователями из Института физики атмосферы CAS создала теоретическую модель на основе структуры двойного электрического слоя для расчета содержания незамерзшей воды в мерзлом грунте и изучения контроля над кривой характеристики замерзания грунта.
В этом исследовании ученые предположили, что остаточная незамерзшая вода при очень низких температурах удерживается в растворе адсорбционного слоя, а оставшаяся незамерзшая вода в зоне влияния поверхностных эффектов представляет собой катионный раствор в диффузном слое.
Сходство базовой математической структуры выведенной теоретической и параметрической моделей с текущими полуэмпирическими моделями дополнительно свидетельствует о том, что поверхностные эффекты глины являются основной причиной наличия незамерзшей воды в мерзлом грунте.
«Наша теоретическая модель содержания незамерзшей воды иллюстрирует взаимосвязь между микроскопическими физическими величинами и макроскопическими механическими свойствами мерзлых грунтов», — сказал профессор Гао. — «Однако некоторые приближения и допущения, необходимые при выводе модели, не совсем соответствуют реальному мерзлому грунту, поэтому мы надеемся решить эти проблемы в будущих исследованиях».
Исследование опубликовано в журнале Water Resources Research под названием «Modeling the Unfrozen Water Content of Frozen Soil Based on the Absorption Effects of Clay Surfaces».